创造世界的“材料”-走在前沿 #04

“黑⾊”飞机,50年的旅程

<出处说明>
本报道是由NewsPicks Brand Design与东丽公司共同企划制作,并于2020年7⽉31日在NewsPicks上刊登的合作内容。
(日语版制作:NewsPicks Brand Design/中文翻译:东丽)
https://newspicks.com/news/5195954

【从0到2400亿日元】
东丽是怎么荣登“碳纤维”全球市场份额No.1宝座的呢?

争取开发更轻、更坚固的材料。

碳纤维是东丽历经50多年的研究和技术开发、市场开拓,打造出来的材料。拥有高于铁⼗倍的强度和仅铁四分之⼀的重量,被应用于飞机、汽车、自行车、钓鱼竿等各种各样的产品中。

从零起步开拓市场,现事业规模已增长到2400亿日元的销售额。如今,碳纤维已经被应用在飞机的机翼和机⾝上,俗称的“黑⾊飞机”在空中展翅翱翔,东丽也⼀跃成为碳纤维全球市场份额的翘楚。

东丽是如何将当时毫无市场的碳纤维实用化,继而走向商品化道路的呢?我们采访了在东丽碳纤维技术开发最前线始终见证其发展的北野彰彦先生,请他谈谈“黑⾊飞机”诞生的故事以及碳纤维的前景。

为什么东丽能专注于碳纤维,锲而不舍地研究呢

──北野先生进入东丽时,碳纤维的开发已经到了哪个阶段?

首先,请允许我谈谈碳纤维。

碳纤维这种材料的发现起源于托马斯·爱迪生等人发明灯泡的灯丝(发光部分)时使用了炭化后⽵子。

此后,1961年碳纤维研究者进藤昭男博⼠发表了使用丙烯酸丝制成的碳纤维,使碳纤维进化成了更轻、强度和拉伸模量都更优异的材料。

东丽也很关注其巨大的潜能和发展空间,在20世纪50年代1后半期开始了孜孜不倦的基础研究。

我在85年进入公司,距东丽的碳纤维产品“TORAYCA®T300”发售已经有近15年了,制造更高强度的碳纤维成为了当时最重要的课题。

虽然已经作为高尔夫杆和钓鱼竿的材料被使用了,但是东丽从研究初期就⼀直有个夙愿:有朝⼀日碳纤维能被使用在飞机航空上。

1973年第⼀次⽯油危机爆发,飞机制造商深受重创。为轻量化机体和实现节能,飞机制造商当时都纷纷在寻找新的材料。

此前用于机体上的碳纤维都是作为飞机方向舵等“次承力结构材料”,并未作为承担主翼和机⾝等巨大负荷的“主承力结构材料”。

北野彰彦
(Automotive&Aircraft中心(以下:A&A中心)所长 高级院⼠)

毕业于大阪大学基础工学部机械工学专业硕⼠课程,1991年毕业于美国华盛顿大学化学工学部博⼠课程。2005年东丽研究员。现在担任A&A中心所长。高级院⼠是今年6⽉设立的新职位(属于专业职位最高的执行董事待遇)

东丽碳纤维市场的变迁
请参照原图理解

(千吨/年)

  0  10  20  30  40  50  60  70
导入期
1971 - 1983
・高尔夫、钓鱼竿的开发
・作为波⾳737的次承力结构材料
成长期
1984 - 1993
・用于⽹球拍&高尔夫球杆
・作为波⾳777主承力结构材料
扩大期
1994 - 2003
・扩大到⼟⽊建筑等产业用途
正式扩大期
2004
・波⾳787项目启动
  体育用途 航空航天用途 工业用途

──虽说尚存重大课题,但是从那时开始,无论是高尔夫、钓鱼竿、还是飞机的次承力结构材料,
东丽⼀直在碳纤维市场处于领跑地位吧?

原本,碳纤维就是将有机纤维的丙烯酸纤维在高温下进行热处理,将碳以外的元素分离出来制造而成的,而东丽恰巧拥有着生产原始原料̶丙烯酸纤维的能力。

尼龙和聚酯是从欧美公司获得专利,但是丙烯酸纤维是从1959年开始自行生产的。也就是说,在原料的设计和制造上,东丽都有着很高的独创性。

我认为这和烹饪有着异曲同工之妙,原料(丙烯酸纤维)对碳纤维性能的影响同样很重要。即使⽕候和制作工序⼀样,对材料是否真正了解也会影响最终的成品。

──正是因为有制造原始原料的技术,才能够在碳纤维的研究和技术开发上领先的吧?

不仅如此。碳纤维并不是⼀款纯粹的材料,实际上是要与“树脂”等混合而成的碳纤维复合材料,这样的材料才能作为运用于工业用途。

如头发和绳子⼀般,纤维即使能承受很强的拉伸力,但是压缩后就会很容易弯曲,使得力轻易分散。

也就是说,光靠纤维本⾝的话,即使能悬挂重物,但也无法从下面支撑事物。

因此,“树脂”的存在就很重要。和什么样的树脂用多少比例混合,才能比纯粹的碳纤维更能提高压缩强度呢?找到能打造更高强度的碳纤维复合材料的制作方法就是我们面临的课题之⼀。
实际上,仿佛预见了今后的需求⼀样,在“TORAYCA®T300”开始量产的71年,东丽就在中央研究所内设置了挖掘碳纤维复合材料潜能的“复合材料研究室”。

在复合材料研究室,我们验证了混合什么样的树脂,用什么样的工法,才能制作出所需求的碳纤维复合材料。

在碳纤维中混入树脂会怎么样呢?怎么混合?是混合更好,还是涂敷更好,还是浸泡……。我们⼀直在孜孜不倦地反复研究各种工艺。

另外,无论是多么好的材料,如果没有合适的设计技术,也无法让最终产品具有实用性。

根据最终产品所需求的用途,复合材料中不需要全部加入相同的纤维。可以把强纤维和弹性纤维按条纹状排列混入,也可以每隔两条排放。组合是无限的。

只是,碳纤维复合材料正如其名,是非常复杂难以处理的材料,所以挑战设计和成型加工的研究人员不多。也正因为此,我们有幸担任了这个⾓⾊。

东丽⼀方面开发更坚韧的碳纤维复合材料,另⼀方面工程师团队会根据用途向客户提出“如何熟练运用”的建议。说起来,就好比⼀种 “量⾝定做”的制造。

树脂在碳纤维复合材料中的作用

  碳纤维 碳纤维和树脂的复合材料
拉伸 存在无法承载负荷的纤维松驰的纤维 断裂的纤维 所有的纤维均可承重
压缩 容易弯曲 通过树脂防止弯曲

为了挖掘碳纤维的潜能,树脂必不可少!

东丽碳纤维的研究和技术开发领域

【最终产品】←【后加工】配合产品进行加工←【成形】配合产品成形←【材料】→【设计】配合产品设计→【最终产品】
※ 【材料】→×→【最终产品】

不光是销售材料
而是通过验证用途进行直达最终产品的“量⾝定做式的制造”。

和制造商的共同开发。做好跑完长跑的思想准备

──其结果就是实现了作为飞机尾翼和地板材料等重要部分的“主承力结构材料”被采用吧?

技术固然重要。但是,不仅如此,我认为同样重在“信赖”。例如,面对与我们共同开发碳纤维复合材料的波⾳公司,我们展示了我们所拥有的技术开发的全部。

──向其他公司展示自己的全部,也会伴随着相应的风险吧?

用于波⾳787机型的所有结构材料

机⾝ 主翼 垂直尾翼 中央翼 ⽔平尾翼

全碳纤维飞机=黑⾊飞机
(每架飞机使用30吨:东丽估算)

没错。但是,如果在有所隐瞒的状态下让飞机问世,万⼀出现问题,那将会造成重大⿇烦。

在所有方面都明确摆出“正因为如此,才这样做”的原理原则,通过向对方展示来赢得信赖。

失败了再做,做了⼜做,现场反复不断地制作。就这样积累了许多与碳纤维复合材料相关的数据,在使用时99.9%的安全性是我们所追求的。

最终我们的材料被波⾳公司作为飞机材料采用了。

此外,除了对材料进行认定外,我们还自主进行了多达数万次的长期耐久性试验。

比如,对飞机施加负荷的环境试验。在高度1万2000米的上空,飞机的室外温度为零下55℃。在5分钟以内从这个环境进行着陆的话,温度差会将达到80-100℃左右。

这是⼀种被称作为热峰的耐热试验,这样的实验我们重复了数万次。这是非常严酷环境的实验,甚⾄让测试装置都出了故障。

还有,为了能及时回应客户,我们在美国波⾳公司旁边设立了R&D(研究和技术开发)中心。这种作法非常日式,除了表达直率外,也体现了我们能迅速应对的想法。

作为材料供应商,应该承担这样的责任,因为我们晚上也想好好睡个安心觉(笑)。

就是这样,我们对顾客率真的态度得到了认可,赢得了信赖。近几年来我们和波⾳公司的研究合作关系越发紧密,直到现在这个关系也完全没有改变。

──从70年代开始采用碳纤维的钓鱼竿等,也是和制造商⼀起开发的吗?

钓鱼竿仅是把当时主流的玻璃纤维强化材料的玻璃纤维变成了碳纤维,就大幅度实现了轻量化,所以很容易向制造商宣扬碳纤维的魅力。

尽管如此,如果只是说“会变轻哦”,也不会赢得信赖。所以,我们将资源倾注给研究钓鱼竿的材料设计和成型加工技术的团队,齐聚材料⾜以能让客户预想制作蓝图。

所谓信赖,就是在制造商制造产品时,我们通过拿出理论性依据获取的东西。并不是希望成为⼀个对制造商的任何要求⾔听计从的“yes man”。

如果凡事都是“yes man”的话,就不可靠了(笑)。

从0到1、从1到100。跨领域的秘诀

──常有人说,“迅速应对”对大企业来说很困难,但是东丽能实现迅速的研究和技术开发,这里有什么秘诀吗?

我们在进行多方面的技术开发,通过技术的融合更容易创造新技术也是东丽的优势之⼀。

如果遇到什么问题,不仅仅是复合材料研究所,我们还会集结纤维研究所和工程开发中心等本公司所有研究和技术开发功能,组建“技术中心”团队,集中力量解决问题。

我觉得这个技术中心可以说就像“急救中心”⼀样,⼀边吸收各事业领域的宽广知识,⼀边推出新的解决方案,有助于提高顾客满意度。

这完全是多亏了阿部晃⼀CTO的横向组织建设理论,他经常说“今后如果不融合不同领域的技术和知识,就无法创造新的价值”。

【R&D论】东丽为什么从零市场开始持续了半个世纪的基础研究?

造新技术“从0到1”的部分可以交给⼀位研究人员负责,但是在之后需要迅速完成的阶段,组织的综合能力就显得尤为重要。

在新冠疫情中,不能面对面交流,如何保持交流的质量和频度呢?我认为这对于研究、技术开发来说是重要的课题。

──北野先生现在也在着手研究尚未发现用途的材料吗?

放眼未来,在做着诸如“先锋派研究”(可用20%的工作时间且“不用向上司汇报的研究”的制度)的工作。如果只是听取客户的要求,按部就班地做,我认为无法实现技术创新。

所以放眼15年后,或是更远的未来,都在勤于无止境的研究。请将在研究所的20%的工作时间用来“做梦”(笑)。

──北野先生的梦想是什么?

这是我极其个人的梦想,想试着打造使用碳纤维复合材料的在天空飞行的汽车和宇宙电梯(笑)。

听起来像孩子说梦话⼀样,但是对于研究和技术开发而⾔,需要有说疯话的人。碳纤维也⼀样,从“别说实现不了的话!”开始,为其他领域开发的东西最终也将为多个领域作出贡献。

话虽如此,但是从碳纤维的历史来看,研究需要花费很长的时间。所以,现在摆在我眼前的使命是如何通过碳纤维支持现在的社会。

特别是在当下的疫情中,飞机产业陷入了困境。但是,人和物资的移动是产业的基础 ,今后飞机对世界而⾔仍是不可或缺的移动手段。

如果是这样的话,支撑飞机产业的碳纤维复合材料也应该需要实现进⼀步的技术创新,作为⼀名研究人员,我⼀定会全力以赴。

<制作团队>
制作:NewsPicks Brand Design
编辑:海达亮弥、宇野浩志
执笔:浅原聪
设计:堤⾹菜