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一骑绝尘日本航空复合材料发展之路

(来源:网站编辑 2019-10-09 08:42)
文章正文

波音787飞机的前段主舱段是日本生产的。东丽公司的碳纤维复合材料,让该机机身变得更加轻盈。

  复合材料自20世纪70年代就以其轻质、抗疲劳、耐腐蚀、便于大面积整体成形等优点,与铝合金、钛合金并肩,成为航空三大主干材料。复合材料既可以像金属材料那样不易变形,同时又像弹性材料那样不易产生疲劳裂纹,在航空航天产业上的应用前景十分巨大。
  据统计,日本东丽公司、三菱人造丝公司和东邦公司垄断并左右着全球碳纤维复合材料市场,总销售份额约占全球市场的73%。在世界复合材料市场,日本是绝对头牌。

国家战略的支持


  日本于1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,并于20世纪60年代初进入工业化生产。70年代中期,日本又推出了以碳纤维为增强相的先进复合材料(增强相是用于提高基体材料性能的物质)。
  日本在复合材料方面取得世界领先地位,绝不是一蹴而就,而是其战后70年逐渐积累起来的,确切而言,离不开国家战略的强力支持。
  二战后经济复兴阶段刚刚结束,日本就在1956年设立了科技厅,加强政府对全国科技工作的领导。在1959年成立了“科学技术会议”这样一个最高层次的咨询机构,由其来通盘考虑制定国家的科技发展政策。1995年11月,日本国会通过了《科学技术基本法》,明确阐述振兴科技对日本提升其产业结构、促进经济和社会发展以及提高其国民的福利水平,乃至推动全球的科技发展和人类社会的可持续发展的重要意义。随后日本政府又据此制定了为期5年的“科学技术基本计划”,并由此将政府对科研开发的投入比前5年增加了15%以上。进入新世纪后,世界各国在高科技领域的竞争进一步白热化,于是日本政府在新的科技发展5年计划中,又将科研开发投资猛增了41%。2001年初,作为行政改革的—个组成部分,“科学技术会议”便被“综合科学技术会议”所取代,其成员增至14人,包括2000年诺贝尔奖获奖者白川英树教授。
  日本科技厅非常重视整体科研水平的提升,在2000年3月发表过《有关我国科研开发水平的调查》报告。报告涉及生命科学、信息通信技术、环境科技、物质和材料科学、能源科技、制造技术以及社会基础设施等7个方面,并得出结论:日本仅在能源科技領域的投入超过美国和欧洲,在那些尖端科技领域(同时也是竞争最激烈的领域),科研资源并未得到有效的利用。报告指出:在物质及材料科学领域,日本科研人员所发表的论文以及所注册的专利并不比美欧逊色,这些领域的科研开发主要是由企业主导,基础科研以及科研设施也很出色,水平略高于美欧。但美国和欧洲将新材料的开发应用作为国家战略予以推进,这是日本必须关注的。由于材料与基础科学具有密切的关系,需要企业和科研部门很好地配合。

日本于1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,并于60年代初进入工业化生产;70 年代中期又发明了以碳纤维为增强相的先进复合材料。

从“平成零战”F-2讲起


  日本防卫省技术研究本部自1973年开始进行了一系列技术基础研究,其中包括气动外形、复合材料、高机动性、先进火控技术、机载计算机、惯性导航、隐身技术和综合电子战系统等。从1981年起,日本通产省工业技术院为了迎接未来工业的发展,开始了为期8年的“未来工业新技术研究开发计划”,高性能复合材料是该计划的重要组成部分,内容包含了聚合物基及金属基复合材料,及其在航空航天、汽车及汽轮机工业中的应用规划。日本雄心勃勃自主研发的第二代喷气战机F-2,正好给了这项计划很好的实践机会。为了获取美国的支持,日本同意在美国F-16C战斗机的基础上设计F-2,并作为利益交换,把当时只有日本掌握的复合材料整体机翼共固化制造技术(也即一体化成型)转让给美国。
  复合材料需要经历高温固化成型及冷却。材料要热胀冷缩,基体树脂也有化学反应造成的收缩效应,复合材料与成型所用模具材料的热膨胀系数也有显著差异。因此在室温条件下,复合材料成型的形状与预期的状态可能不太一样,这就是构件的固化变形。固化变形不仅增加了制造和装配的成本,也降低了结构强度和使用寿命。一些大型整体结构和非对称结构部件如果出现固化变形问题,整架飞机都会受影响。防止出现固化变形,当时通行的解决方法有两种:工艺模拟试验和计算机模拟试验。
  日本选择的方法是工艺模拟试验,对结构件的固化工艺规范和所用模具型面进行反复的调整和修正,这种处理方法显然是以经验和大量的试验数据为基础的,必然要耗费大量的人力物力。同时模具的材质至关重要,应不易变形。常规模具材质一般为铝合金、钢合金,而日本在开发F-2机翼整体成型模具时采用了殷钢(铁镍合金,其中镍含量36%)及镍基合金,成本虽然要比通常合金钢高5倍左右,但是热膨胀系数小、使用寿命高。把模具做好,也就保证了产品的高质量。模具寿命提升,产品成品率高,能节省大量工料,而且避免了返工,反而降低了生产成本。
  其实,日本所应用的纤维和树脂材料并不比美国同类产品有优势,而是依靠高素质的生产人员和严格系统的工艺流程,并通过严格的技术检验手段,使一体化复合材料机翼的成品率达到非常高的水平。美国企业在上世纪90年代初期的复合材料部件废品率约为2%-3%,而日本只有0.4%。然而,工艺是层窗户纸,很难保密。洛马在得到日本转交的工艺文件和模具设计方法之后,很快掌握要领,并且仅仅用了不到5年的时间就将日本这个先行者远远抛在后面,后将有关技术应用于F-35战机上。
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