碳纖維作為一種廣受歡迎的材料，已經延伸到了如今所謂的“黑色飛機”的機翼和機身。隨著東麗公司的碳纖維在天空中騰飛，其銷售額也在飆升，使東麗坐擁碳纖維市場的頭把交椅。東麗公司是如何將一款沒有市場的產品投入實際使用，為碳纖維開辟市場的？我們將與東麗碳纖維技術發展前沿的研究員Akihiko Kitano北野秋彥來了解黑色飛機背后的故事和碳纖維的未來。

 

多年來東麗是如何保持對碳纖維研究的關注？你加入東麗時，碳纖維的發展水平如何？

 

Akihiko Kitano：先，讓我們談談什么是碳纖維。碳纖維是在電燈泡的開發過程中產生的。托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）和其他人用烤竹子做燈絲。到了1961年，碳纖維研究員Akio Shindo博士將碳纖維開發成一種更輕、更強的材料，并采用基于聚丙烯腈纖維的設計路線。東麗看到了碳纖維的潛力，自20世紀50年代末以來，我們一直致力于碳纖維的基礎研究。

 

1985年，當我加入該公司時，東麗專有的碳纖維產品“Torayca T300”已經上市15年了，我們真正專注于生產更高強度的碳纖維。它已經被用于高爾夫球桿桿和釣魚桿，但從一開始，東麗就瞄準了飛機。1973年次石油危機后，飛機制造商正在尋找新材料，使飛機更輕、更節能。從那時開始，碳纖維被用于飛機輔助（次級）結構如方向舵，但不用于飛機的主要承重部件如機翼和機身。

 

東麗當時在碳纖維市場處于地位，生產高爾夫球桿、釣魚竿和飛機次級結構等產品。但是有很多挑戰，是嗎？

 

Akihiko Kitano：這個過程從聚丙烯腈纖維開始，這是一種有機纖維，我們在高溫下處理它并去除所有非碳元素。尼龍和聚酯是從歐洲和美國的其他公司獲得許可的，但我們自1959年以來一直在生產自己的聚丙烯腈纖維。由于東麗自己生產聚丙烯腈，我們控制了碳纖維工藝的初始端。我們的原材料中有了更多的原創設計。原料很重要，即使使用相同的溫度和相同的配方，熟悉材料也會對終結果產生影響。

 

這就是東麗在碳纖維研究方面處于地位的原因嗎？能夠生產起始材料讓您一步？

Akihiko Kitano：對，但也不完全是。事實上，當碳纖維與樹脂和其他材料結合時，它在工業應用中變得很有用。就像頭發或繩子一樣，纖維對拉力有很強的抵抗力，但如果你向另一個方向壓縮它們，它們就會被擠壓起來并向外釋放所有的拉力。換句話說，你可以用碳纖維從上面懸掛重物，但不能用碳纖維從下面支撐重物。這就是樹脂的用武之地。什么樣的樹脂可以與碳纖維結合來提高其抗壓強度，以及如何將它們結合以獲得比單獨碳纖維更堅固的材料？這是我們面臨大的挑戰之一，即：找到一種制造高強度碳纖維復合材料的方法。

 

出于對這個問題的預期，我們在1971年建立了復合材料研究實驗室，也就是我們開始批量生產Torayca T300的同一年。我們想探索碳纖維復合材料的潛力，并將其作為研究的中心重點。這些實驗室一直在研究樹脂組合和精加工的方法，以生產我們心目中的各種碳纖維復合材料。當你把碳纖維和樹脂混合時會發生什么？你應該如何混合它們？你應該把纖維包起來，混合，浸入樹脂中嗎…？這些是我們反復研究的問題。

 

但除此之外，無論這種材料有多好，沒有設計就無法將材料投入實際使用。我們不需要在每種復合材料中使用相同的纖維，這取決于具體的應用環境。您可以將強度更高的纖維和拉伸性更強的纖維混合成條狀，組合的可能性是無限的。也就是說，碳纖維復合材料很復雜，很難處理。在這個行業，很少有人愿意投入所有的時間和精力來設計和加工它們。這就是我們介入的地方。雖然東麗正在開發所有這些更堅固的碳纖維復合材料，但工程團隊不斷向客戶提供如何使用這些材料以滿足其需求的建議，這是一種定制制造。

我們將制造過程視為一個循環，將所有東西像一個環一樣連接在一起，從提供開發原材料的技術訣竅，到研究更強的復合材料，再到驗證終產品的應用和模具加工技術。我想這就是我們在這個領域的原因。

 

東麗的碳纖維復合材料現在被用于飛機的主要結構，如尾翼和地板。是因為你描述的那個過程嗎？

 

Akihiko Kitano：當然技術很重要，但不僅僅如此。這也關乎信任。波音公司與我們合作開發碳纖維復合材料，我們讓他們了解我們的一些專有開發技術。

 

分享這樣的信息不是有一定的風險嗎？

 

Akihiko Kitano：絕對地。但是如果我們起飛一架背后隱藏著很多秘密的飛機，一旦發生什么事情，我們可能會遇到很多麻煩。當我們分享我們對一個項目的想法，并告訴我們的合作伙伴，“這就是我們正在做的，這就是為什么，”我們贏得了合作伙伴的信任。

 

我們不斷地創造、破壞、再創造。這就是我們收集數據和完善我們復合材料的方式，我們可以說它們是99.9%安全?？吹竭@一過程，波音公司決定將我們的復合材料放入飛機。

 

除了材料認證之外，我們還進行了數萬次長期耐久性測試。例如，我們在極端條件下進行了環境阻力測試。在12000米的高空，飛機外的溫度可以降到零下55攝氏度。如果飛機需要在五分鐘內從該高度著陸，它將需要承受80到100度之間的溫度峰值。所以我們進行了數萬次耐熱性測試，稱為熱峰測試。條件如此惡劣，以至于我們竟然弄壞了測量設備！

 

東麗在70年代生產魚竿之類的產品時，是否與其他制造商進行了大量合作？

 

Akihiko Kitano：那時候，玻璃纖維是增強魚竿的主要材料。用碳纖維代替玻璃纖維大大減輕了魚竿的重量，這使得向制造商展示碳纖維的優勢變得容易。但僅僅告訴客戶材料會更輕并不能贏得他們的信任。我們把我們的資源投入到一個專門研究釣魚竿的材料設計和模具加工研究部門，我們把可以向客戶展示制造過程的材料放在一起。我們通過展示我們產品的證據來贏得客戶的信任。

 

我們經常聽到大公司無法快速響應。為什么東麗能夠提供如此快速的研發？

 

Akihiko Kitano：我們的優勢之一是能夠將不同領域的技術結合起來，創造新的東西。當出現問題時，我們可以組織一個團隊在技術中心解決它。我們的技術中心整合了我們的所有研發職能，不僅包括復合材料研究實驗室，還包括纖維與紡織品研究實驗室和工程開發中心。技術中心成了我們的庇護所，它在設計新的解決方案和提高客戶滿意度方面發揮了非常重要的作用，從各個領域引進了專業知識。這一切都要歸功于我們的席技術官Koichi Abe創建的組織。他總是說，“如果不把不同領域的技術和知識結合起來，我們就無法創造新的東西。”一個研究人員可以將一項新技術從“零”提升到“一”，但快速發展依賴于一個組織的實力。當我們不能親自面談時，我們如何保持溝通的質量？這是研發的一個重要問題。

 

您現在有沒有參與其他尚未實際應用的材料的試點研究？

Akihiko Kitano：我也在從事自己的“地下研究”（一個鼓勵研究人員將20%的工作時間用于獨立研究的系統），思考未來。僅僅滿足客戶的要求不會產生真正的技術創新。這就是為什么我一直致力于在未來15年內沒有任何明顯實際應用的研究。我用20%的實驗室時間做夢。

 

您的夢想是什么？

Akihiko Kitano：我想用碳纖維復合材料制造飛行汽車和太空電梯，這是我個人的夢想。也許這聽起來像是孩子們的夢想，但研發需要說瘋狂話的人。就像碳纖維一樣，一開始人們會說，“不要說這些不可能的想法！”終，你為其他目的創造的東西終會為多個不同的企業做出貢獻。但就像碳纖維一樣，這種研究需要很多時間。這就是為什么我覺得我現在的直接任務是用碳纖維來支持我們現在的社會。

 

在新冠疫情影響下，航空領域受到嚴重影響。但是即便如此，運送人員和貨物是工業的一個基本組成部分，而飛機在這方面的作用沒有改變。這就是為什么我們需要進一步創新碳纖維復合材料來支持飛機工業。