一骑绝尘日本航空复合材料发展之路

一骑绝尘日本航空复合材料发展之路

赵宋南

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。

日本F-2战斗机具备一体化成型的复材机翼，作为利益交换，相关技术让渡给美国洛马公司。波音飞机上的日本复材

一架波音777飞机上有300万个零部件，来自全球17个国家的900多家供应商，日本三菱重工、川崎重工、富士重工都有参与。实际上这3家公司与波音的合作由来已久，早在YS-11的后继机YX项目中就已经有了合作。1973年4月，日本与波音公司就YX签订了合作备忘录，1978年9月22日签订正式合同，日本得到15%的份额，与意大利相同。这15%的日本所承担的份额又进行了二次分配：三菱重工为40%，川崎重工40%，富士重工为20%，这一配额基本上反映了以上厂家在日本航空工业中的地位。

值得注意的是，日本政府没有干预国内三家厂商如何分配工作份额。相反，具体的工作分配都是由波音公司做出决定的。日本最希望得到飞机操纵面部件的制造经验，因为操纵面需要采用复合材料，对日本来说很有吸引力，但波音公司却坚持把这项工作交给了意大利人。最终，富士重工得到了小部分的复合材料部件生产任务。虽然YX项目胎死腹中，但是三菱重工与川崎重工从波音的技术转让中获得了金属弯曲成型技术，富士重工获得了复合材料加工技术。

波音777X签约现场。东丽株式会社代表董事社长日觉昭广（左）与波音首席技术官兼工程、运营与技术高级副总裁约翰· 特雷西

在波音777项目上，波音公司与三菱、川崎和富士重工签订了风险分担伙伴协议。日本方面组成“日本飞机发展公司”，承担777结构工作的20%。三菱重工承担后部机身和客舱门。川崎重