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【日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)】 日本家传技艺——航空器“复合材料”的开发
[2012.07.18] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

JAXA不仅在宇宙开发方面,在航空技术领域也是代表日本的研究机构。航空技术在零部件数量之多、相关技术涉及面之广、对性能要求之高等方面,都远远超出了汽车行业,因而在各行各业中的应用受到广泛期待。

开发克服金属弱点的材料

因小行星探测器“隼鸟”、国际宇宙空间站日本实验舱“希望”等而广受世界瞩目的日本宇宙航空研究开发机构(JAXA),在日本也是唯一的航空器研究基地。在这里,从环境适应型引擎、超音速飞机等硬件开发,到利用飞行模拟器的飞行安全性测试,进行着各种类型的研究。

半个世纪来首次开发成功的日本国产客机“MRJ”(由三菱航空机株式会社主导开发制造),成为人们街谈巷议的热门话题。该机身上也使用了JAXA航空程序组国际客机分组参与开发的“复合材料”。

开展操纵性能等研究时不可或缺的飞行模拟器。通过改变程序,可以掌握各式各样的飞机特性

100多年前美国莱特兄弟成功实现了人类历史上第一次载人飞行,当时所使用的飞机是由木材、钢丝、布料制造而成的。之后,航空器上逐渐开始采用铝合金、钛金属等材料,近年来以碳纤维增强塑料(CFRP)为代表,复合材料的使用得到推广。

最新型波音客机的结构材料,半数为日本制造

CFRP以碳纤维作为增强材料,将树脂(塑料)浸渍其中而成。碳纤维材质轻便,比重大约为铁的四分之一,然而单位重量的强度却高达铁的大约10倍,并且兼备了耐久性出众,不生锈等金属所不具有的特性。最新型波音客机“B787”的结构材料中,大约一半都采用了日本制造的CFRP,是史上首架结构重量中CFRP所占比例超过铝的客机。除此之外,上述的MRJ以及计划于2013年问世的空客“A350”也采用了CFRP。

JAXA理事兼航空程序组总负责人石川隆司先生对航空器上使用CFRP的优点是这样描述的。

“材料轻量化后可以节省燃料用量。而且CFRP的比强度和比刚度出色,又不会生锈,因此维修间隔时间可以设置得较长。总而言之,这种材料可以为环保性和航空公司经济性这两方面同时做出贡献。从乘客角度来看也大有好处。铝作为主要的结构材料时,舱内湿度必须保持在10%以下,但B787却可以将湿度提高到将近50%,因而舱内环境舒适不会过于干燥。”

率领JAXA航空程序组一路走来的石川隆司先生

开发有助于降低成本的制造工艺

碳纤维随着在航空器制造领域中的应用范围日益扩大,近20年来产量不断增加,据2010年统计已经达到2.7万吨。日本是碳纤维大国,占据世界市场份额的7成。日本经济产业省预测2020年世界市场规模将达到12.5万吨(约为2010年的4.5倍),并进一步计划在2030年的航空器产业中斩获3万亿日元。

然而在市场开拓上还存在着亟待解决的课题,即成本和安全保证的问题。碳纤维原本就比铝合金昂贵,再加上为了让便于流通加工的中间体预浸料(用半固化树脂将碳纤维定型后的薄板)保持强度,需要添加热可塑性微粒子,因此成本进一步提高。而且,预浸料夹入模具后要放进一种名为高压釜的巨大高温处理装置中,经高温加热固定成型;而能够放进航空器主翼大小的设备,每台价格不下数百亿日元。

为削减制造成本,JAXA与民间企业共同开发了名为“VaRTM(※1)”的真空辅助树脂传递模塑工艺。石川先生介绍道:“该方法是将碳纤维夹入薄膜中,在抽出内部空气形成真空状态的同时,注入粘性较低的树脂,使其浸渍到纤维中。如果要简单打个比方的话,就好像是被褥压缩袋一般。”

VaRTM工艺的优点是不需要高温处理设备,但是和使用预浸料的传统制造工艺相比强度上犹有逊色。传统制造工艺则更适合于航空器机身这样的构件。

于是JAXA想到了混合方式,即对表面平整且面积较大的部分采用预浸料材质,对框架等形状复杂的部分则采用VaRTM材质,并且通过充分发挥与融合两者优势,力图提升品质和降低成本。

VaRTM工艺示意图。优势在于无需高额的设备投资,可低价制造

在汽车、船舶、风车等领域的应用

关于CFRP的安全保证问题,如今正处于研究的关键时期。比如,众所周知CFRP因受冲击发生剥离后,如果再施加压缩力,损坏的风险就会升高。目前由于在电脑上不能完全模拟这种现象,型式认证(为证明产品符合安全性等标准的“型式”而进行的审查批准制度)时只能采用实际构件进行实验。如果该实验的一部分可以在电脑上进行,就可以减少型式认证需要的成本和时间,因此JAXA正在致力于CFRP破坏特性的模式化构建工作。

JAXA为获取型式认证正在推进不可或缺的强度保证方法的研究。放在蓝色框架结构的强度验证装置中的黑色板材,是用于飞机机身的CFRP结构材料

另一方面,异物撞击模式已经逐步确立。将实验结果和电脑分析结果比对后,已经证实可以进行大致正确的仿真模拟实验。石川先生满怀自豪地说:“这是世界上最尖端的研究成果!”

在最新的研究中,JAXA还在关注一种将碳纳米管叠杯型纳米纤维分散于树脂的预浸料材质,通过应用纳米技术,为CRFP赋予新功能的可能性正在不断增大。

CFRP不仅在航空器上能够发挥其特性,还能应用于汽车、风力发电用风车、工业用机械、船舶等各种领域,同样是其环保性和经济性这两方面的优势,得到了万众期待。被视为地球温室效应之罪魁祸首的碳,将在生态和经济上助人类一臂之力——这个畅快淋漓的故事已经拉开了序幕。

※文中职务等以采访当时为准

采访、撰文:林爱子
摄影:HANS SAUTTER

(※1)^ Vacuum-assisted Resin Transfer Molding

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