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50多年来，日本东丽公司一直在研究、开发和培育碳纤维市场。碳纤维的强度是钢的十倍，重量是钢的四分之一，用于飞机、汽车、自行车、钓鱼杆和许多其他领域。东丽从无到有，开创了碳纤维市场，并将其发展成为销售额接近2400亿日元的企业。 碳纤维作为一种广受欢迎的材料，已经延伸到了如今所谓的“黑色飞机”的机翼和机身。随着东丽公司的碳纤维在天空中腾飞，其销售额也在飙升，使东丽坐拥全球碳纤维市场的头把交椅。东丽公司是如何将一款没有市场的产品投入实际使用，为碳纤维开辟市场的？本期文章，我们将与东丽碳纤维技术发展前沿的研究员Akihiko Kitano北野秋彦来了解黑色飞机背后的故事和碳纤维的未来。
多年来东丽是如何保持对碳纤维研究的关注？你加入东丽时，碳纤维的发展水平如何？ Akihiko Kitano：首先，让我们谈谈什么是碳纤维。碳纤维是在电灯泡的开发过程中产生的。托马斯·爱迪生（Thomas Edison）和其他人用烤竹子做灯丝。到了1961年，碳纤维研究员Akio Shindo博士将碳纤维开发成一种更轻、更强的材料，并采用基于聚丙烯腈纤维的设计路线。东丽看到了碳纤维的潜力，自20世纪50年代末以来，我们一直致力于碳纤维的基础研究。 1985年，当我加入该公司时，东丽专有的碳纤维产品“Torayca T300”已经上市15年了，我们真正专注于生产更高强度的碳纤维。它已经被用于高尔夫球杆杆和钓鱼杆，但从一开始，东丽就瞄准了飞机。1973年第一次石油危机后，飞机制造商正在寻找新材料，使飞机更轻、更节能。从那时开始，碳纤维被用于飞机辅助（次级）结构如方向舵，但不用于飞机的主要承重部件如机翼和机身。 东丽当时在碳纤维市场处于领先地位，生产高尔夫球杆、钓鱼竿和飞机次级结构等产品。但是有很多挑战，是吗？ Akihiko Kitano：这个过程从聚丙烯腈纤维开始，这是一种有机纤维，我们在高温下处理它并去除所有非碳元素。尼龙和聚酯是从欧洲和美国的其他公司获得许可的，但我们自1959年以来一直在生产自己的聚丙烯腈纤维。由于东丽自己生产聚丙烯腈，我们控制了碳纤维工艺的初始端。我们的原材料中有了更多的原创设计。原料很重要，即使使用相同的温度和相同的配方，熟悉材料也会对最终结果产生影响。 这就是东丽在碳纤维研究方面处于领先地位的原因吗？能够生产起始材料让您领先一步？Akihiko Kitano：对，但也不完全是。事实上，当碳纤维与树脂和其他材料结合时，它在工业应用中变得很有用。就像头发或绳子一样，纤维对拉力有很强的抵抗力，但如果你向另一个方向压缩它们，它们就会被挤压起来并向外释放所有的拉力。换句话说，你可以用碳纤维从上面悬挂重物，但不能用碳纤维从下面支撑重物。这就是树脂的用武之地。什么样的树脂可以与碳纤维结合来提高其抗压强度，以及如何将它们结合以获得比单独碳纤维更坚固的材料？这是我们面临最大的挑战之一，即：找到一种制造高强度碳纤维复合材料的方法。
出于对这个问题的预期，我们在1971年建立了复合材料研究实验室，也就是我们开始批量生产Torayca T300的同一年。我们想探索碳纤维复合材料的潜力，并将其作为研究的中心重点。这些实验室一直在研究树脂组合和精加工的方法，以生产我们心目中的各种碳纤维复合材料。当你把碳纤维和树脂混合时会发生什么？你应该如何混合它们？你应该把纤维包起来，混合，浸入树脂中吗…？这些是我们反复研究的问题。 但除此之外，无论这种材料有多好，没有设计就无法将材料投入实际使用。我们不需要在每种复合材料中使用相同的纤维，这取决于具体的应用环境。您可以将强度更高的纤维和拉伸性更强的纤维混合成条状，组合的可能性是无限的。也就是说，碳纤维复合材料很复杂，很难处理。在这个行业，很少有人愿意投入所有的时间和精力来设计和加工它们。这就是我们介入的地方。虽然东丽正在开发所有这些更坚固的碳纤维复合材料，但工程团队不断向客户提供如何使用这些材料以满足其需求的建议，这是一种定制制造。
我们将制造过程视为一个循环，将所有东西像一个环一样连接在一起，从提供开发原材料的技术诀窍，到研究更强的复合材料，再到验证最终产品的应用和模具加工技术。我想这就是我们在这个领域领先的原因。 东丽的碳纤维复合材料现在被用于飞机的主要结构，如尾翼和地板。是因为你描述的那个过程吗？ Akihiko Kitano：当然技术很重要，但不仅仅如此。这也关乎信任。波音公司与我们合作开发碳纤维复合材料，我们让他们了解我们的一些专有开发技术。 分享这样的信息不是有一定的风险吗？ Akihiko Kitano：绝对地。但是如果我们起飞一架背后隐藏着很多秘密的飞机，一旦发生什么事情，我们可能会遇到很多麻烦。当我们分享我们对一个项目的想法，并告诉我们的合作伙伴，“这就是我们正在做的，这就是为什么，”我们赢得了合作伙伴的信任。 我们不断地创造、破坏、再创造。这就是我们收集数据和完善我们复合材料的方式，我们可以说它们是99.9%安全。看到这一过程，波音公司决定将我们的复合材料放入飞机。
除了材料认证之外，我们还进行了数万次长期耐久性测试。例如，我们在极端条件下进行了环境阻力测试。在12000米的高空，飞机外的温度可以降到零下55摄氏度。如果飞机需要在五分钟内从该高度着陆，它将需要承受80到100度之间的温度峰值。所以我们进行了数万次耐热性测试，称为热峰测试。条件如此恶劣，以至于我们竟然弄坏了测量设备！ 东丽在70年代生产鱼竿之类的产品时，是否与其他制造商进行了大量合作？ Akihiko Kitano：那时候，玻璃纤维是增强鱼竿的主要材料。用碳纤维代替玻璃纤维大大减轻了鱼竿的重量，这使得向制造商展示碳纤维的优势变得容易。但仅仅告诉客户材料会更轻并不能赢得他们的信任。我们把我们的资源投入到一个专门研究钓鱼竿的材料设计和模具加工研究部门，我们把可以向客户展示制造过程的材料放在一起。我们通过展示我们产品的证据来赢得客户的信任。 我们经常听到大公司无法快速响应。为什么东丽能够提供如此快速的研发？ Akihiko Kitano：我们的优势之一是能够将不同领域的技术结合起来，创造新的东西。当出现问题时，我们可以组织一个团队在技术中心解决它。我们的技术中心整合了我们的所有研发职能，不仅包括复合材料研究实验室，还包括纤维与纺织品研究实验室和工程开发中心。技术中心成了我们的庇护所，它在设计新的解决方案和提高客户满意度方面发挥了非常重要的作用，从各个领域引进了专业知识。这一切都要归功于我们的首席技术官Koichi Abe创建的组织。他总是说，“如果不把不同领域的技术和知识结合起来，我们就无法创造新的东西。”一个研究人员可以将一项新技术从“零”提升到“一”，但快速发展依赖于一个组织的实力。当我们不能亲自面谈时，我们如何保持沟通的质量？这是研发的一个重要问题。 您现在有没有参与其他尚未实际应用的材料的试点研究？Akihiko Kitano：我也在从事自己的“地下研究”（一个鼓励研究人员将20%的工作时间用于独立研究的系统），思考未来。仅仅满足客户的要求不会产生真正的技术创新。这就是为什么我一直致力于在未来15年内没有任何明显实际应用的研究。我用20%的实验室时间做梦。 您的梦想是什么？Akihiko Kitano：我想用碳纤维复合材料制造飞行汽车和太空电梯，这是我个人的梦想。也许这听起来像是孩子们的梦想，但研发需要说疯狂话的人。就像碳纤维一样，一开始人们会说，“不要说这些不可能的想法！”最终，你为其他目的创造的东西最终会为多个不同的企业做出贡献。但就像碳纤维一样，这种研究需要很多时间。这就是为什么我觉得我现在的直接任务是用碳纤维来支持我们现在的社会。 在新冠疫情影响下，航空领域受到严重影响。但是即便如此，运送人员和货物是工业的一个基本组成部分，而飞机在这方面的作用没有改变。这就是为什么我们需要进一步创新碳纤维复合材料来支持飞机工业。 |
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