熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料難公關(guān)

實現(xiàn)低能耗、循環(huán)型社會”。 123,123

    該項目是從全球氣候變暖對策的角度出發(fā)，針對汽車車身用途，研發(fā)采用碳纖維的新材料。參加該項目的，包括咨詢委員會在內(nèi)，有東麗、三菱麗陽、東洋紡、東京大學(xué)、東北大學(xué)、京都工藝纖維大學(xué)等11家企業(yè)和大學(xué)。力爭通過將原來的鐵換成這種新材料，使車身重量減輕30％。

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    “如果電動汽車（EV）與用碳纖維相結(jié)合，日本的汽車產(chǎn)業(yè)將如虎添翼”，東京大學(xué)工學(xué)系研究科教授高橋淳如是說。 

    高橋教授在2008～2012財年以五年計劃實施的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）產(chǎn)學(xué)合作項目“以碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)低能耗、循環(huán)型社會”中擔任項目負責人。 123,123

    該項目是從全球氣候變暖對策的角度出發(fā)，針對汽車車身用途，研發(fā)采用碳纖維的新材料。參加該項目的，包括咨詢委員會在內(nèi)，有東麗、三菱麗陽、東洋紡、東京大學(xué)、東北大學(xué)、京都工藝纖維大學(xué)等11家企業(yè)和大學(xué)，力爭通過將原來的鐵換成這種新材料，使車身重量減輕30％。 本文來自123

    減輕車身重量從提高燃效的角度來說，是非常重要的。 123,123

    高橋教授說：“雖然減輕汽油車的重量也非常重要，但對于日本來說，比其具有更大意義的是減輕電動汽車、混合動力車（HEV）及插電式混合動力車（ＰＨＥＶ）的重量。” copyright 123456

    目前，電動汽車和混合動力車正逐步得到普及。在這里成為課題的是充電電池。據(jù)預(yù)測今后在電動汽車和混合動力車配備的充電電池領(lǐng)域，鋰離子電池將成為主流。不過，鋰屬于“稀有金屬”，原料主要依賴進口。價格較高，目前已經(jīng)成為阻礙電動汽車、混合動力車降低價格的重要原因。

    并且，充電時間也是一個較大的課題。例如，三菱汽車的電動汽車“i-MiEV”，利用普通家用電源，8小時以上才能充滿電。

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  不過，如果通過減輕車身重量來提高燃效，既能實現(xiàn)電池小型化，也能降低電動汽車和混合動力車的價格，并推動其進一步普及。還可降低對中國的依賴程度，縮短充電時間。充電電池的許多相關(guān)課題將得到解決。 本文來自123

    高橋教授強調(diào)：“能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化的，唯有日本具有絕對國際競爭力的碳纖維。”

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不適合大量生產(chǎn)的原有復(fù)合材料

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    碳纖維是大約50年前由日本人發(fā)明的材料。其最大的魅力在于重量輕而強度高。盡管重量只有鐵的4分之1，但強度為鐵的10倍。而且不會生銹。

    因此，作為實現(xiàn)低碳社會的重要王牌之一，受到了全球的關(guān)注。比如，為了提高燃效，利用塑料樹脂凝固了碳纖維的“碳纖維復(fù)合材料（CFRP＝carbon fiber reinforced plastics）”被應(yīng)用于最新型飛機“波音787”的機身等。 本文來自123

    截至2010年，碳纖維全球份額的7成左右由東麗（34％）、東邦特耐克絲集團（19％）及三菱麗陽集團（16％）占據(jù)，是日本國際競爭力最強的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一。

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    雖然統(tǒng)稱碳纖維，但品質(zhì)和用途也各種各樣，特別是應(yīng)用于波音787的碳纖維，是東麗花費40多年時間研發(fā)出來的汗水和淚水的結(jié)晶。 copyright 123456

    “因此，雖然目前美國和中國也出現(xiàn)了致力于碳纖維開發(fā)的企業(yè)，但我認為其他國家在品質(zhì)方面很難趕上日本”，高橋教授對此滿懷自信。

    由于重量輕而且具有高強度，因此實際上不僅是客機，碳纖維復(fù)合材料也已經(jīng)被應(yīng)用于國際“F1”車賽的賽車車身、風力發(fā)電風車的一部分、釣竿及網(wǎng)球拍等多個領(lǐng)域。

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    不過，先不說電動汽車和混合動力車，此前連汽油車都未加以采用的原因何在？。

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    其原因就在于，現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料無法進行大量生產(chǎn)。因此，項目的目的就在于開發(fā)出可大量生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料。

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    現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料除了不能進行大量生產(chǎn)之外，還有價格高、不能循環(huán)再利用等課題。這些課題實際上均來自現(xiàn)在使用的塑料樹脂的特性。項目要力爭解決上述所有課題。

在“熱可塑性”樹脂上尋找出路

    在碳纖維復(fù)合材料中，主要使用的是名為“環(huán)氧樹脂”的“熱固性”塑料樹脂。熱固性樹脂是指一旦加熱凝固之后，即使再次加熱也無法恢復(fù)原先狀態(tài)的樹脂。其代表例子就是瞬間粘合劑。 copyright 123456

    現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料是將1萬多根直徑為7微米（微為100萬分之1）的碳纖維集結(jié)成束，使之方向一致地排列整齊，然后含浸液態(tài)熱固性樹脂，利用熱使樹脂凝固制造而成的。

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    要使熱固性樹脂保持一定的強度，需要花費時間。這是因為，通過使之緩慢地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)會變得整齊，形成更加堅固的材料。例如，波音787使用的材料是用4個多小時的時間凝固成形的。這是無法實現(xiàn)大量生產(chǎn)的最大原因。

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    高橋教授說道：“東麗宣布開發(fā)出了可在10分鐘內(nèi)成形的碳纖維復(fù)合材料，但要使用碳纖維復(fù)合材料量產(chǎn)車身，這還遠遠不夠。必須能夠在1分鐘內(nèi)成形。” 123456

    而且，不能進行循環(huán)再利用也是一個很大的課題?，F(xiàn)在，汽車生產(chǎn)線的車身制造流程是使用模具將鐵板沖壓成形，再進行焊接。沖壓后的殘留部分等進行循環(huán)再利用。

    不過，如果是碳纖維復(fù)合材料，殘留部分只能廢棄。這是因為，已經(jīng)凝固的樹脂無法像鐵一樣熔化并進行再利用。因此，據(jù)稱作為材料使用的碳纖維復(fù)合材料會有接近一半被廢棄。 123456

    另外，成形前必須進行冷凍保存等，這也花費不少成本，因此，現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料的價格高達1公斤1萬日元以上。而鐵每公斤僅為幾百日元，價格相差兩位數(shù)。 123456

    因此，高橋教授等致力于實現(xiàn)使用比較容易加工的“熱可塑性樹脂”的碳纖維復(fù)合材料的實用化。 123,123

    熱可塑性樹脂是指凝固之后，如果再次加熱可重新成形的樹脂。受熱會變軟的塑料布和塑料盒就是用熱可塑性樹脂制成的。熱可塑性樹脂僅需一分鐘時間即可成形。 123456

在強度相同的情況下，車身重量可減輕30％ copyright 123456

    實際上，此前也曾多次對開發(fā)使用熱可塑性樹脂的碳纖維復(fù)合材料進行研究，不過并未成功。究其原因，主要是因為無法使熱可塑性樹脂和碳纖維很好地粘合在一起。 copyright 123456

    因此，項目分別對碳纖維和熱可塑性樹脂進行了改進。碳纖維由東麗和三菱麗陽負責，熱可塑性樹脂由東洋紡負責。

    經(jīng)過各企業(yè)的努力，終于實現(xiàn)了符合要求的粘合性和含浸性。成功使車身重量減輕了30％，同時還確保了與熱固性樹脂碳纖維復(fù)合材料同等的強度。

    高橋教授回顧道：“雖然與技術(shù)相關(guān)的詳細內(nèi)容不便透露，但使用熱可塑性樹脂的碳纖維復(fù)合材料的突破點，就在于粘合性和含浸性。” 內(nèi)容來自123456

    熱可塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料中碳纖維的長度，不分用途均在1厘米以下。根根方向不一，重疊分布于樹脂之中。

    由于本來就比較短，因此即使利用沖壓機切割掉不需要的部分，也很少因切割導(dǎo)致強度下降。接近100％可進行循環(huán)再利用，因此經(jīng)濟效益也得到大幅提升。也無需用于冷凍保存的大規(guī)模設(shè)備費及運用費。

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    “全球每年生產(chǎn)5000萬輛車輛。我的夢想就是，使這些車輛的車身全部換用熱可塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料”，高橋教授雄心勃勃地說道。 本文來自123

    該項目是在174公斤碳纖維復(fù)合材料中加入100公斤碳纖維。假設(shè)一輛車使用100公斤的碳纖維，那么每年有望需要500萬噸碳纖維。 123456

    不過，目前碳纖維的全球年產(chǎn)能僅為6萬噸。因此，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)還在同時推進旨在實現(xiàn)如今10倍年產(chǎn)量的項目。另外，碳纖維目前的價格高達每公斤3000日元左右，但據(jù)高橋教授計算，如果產(chǎn)能提高到目前的10倍，價格便可降低到每公斤1000日元左右。 123456

    如果熱可塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)實用化，得到廣泛普及，便可實現(xiàn)更加環(huán)保、人性化及節(jié)約成本的汽車社會。據(jù)稱通過該項目，2016～18年實現(xiàn)實用化已有頭緒。希望能夠早日投入實用。 

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