實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化的殺手锏-碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂

碳纖維作為汽車(chē)車(chē)體輕量化的王牌而備受期待。業(yè)界齊心協(xié)力，力爭(zhēng)縮短加工時(shí)間。

“21世紀(jì)是材料科技的時(shí)代”，三菱化學(xué)控股集團(tuán)社長(zhǎng)小林喜光說(shuō)道。

為此，小林社長(zhǎng)舉出了碳纖維這個(gè)例子。如下文所述，由于要和樹(shù)脂一起使用，因此被稱(chēng)為碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂（CFRP），主要用于高爾夫俱樂(lè)部的球桿等體育用品、飛機(jī)和建筑材料等領(lǐng)域。如果該材料能夠替代鐵和鋁，應(yīng)用到全球最大產(chǎn)業(yè)-汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的主要部件中，那么將會(huì)改寫(xiě)全球材料史。

豐田2010年12月上市了高性能跑車(chē)“雷克薩斯LFA”。該車(chē)以每輛3750萬(wàn)日元的日本國(guó)產(chǎn)車(chē)最高價(jià)引起極大關(guān)注，同時(shí)，在國(guó)產(chǎn)車(chē)上首次正式采用CFRP，這也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。CFRP占車(chē)體結(jié)構(gòu)的65％，與原來(lái)的鋁結(jié)構(gòu)車(chē)體相比，大約輕100kg。內(nèi)裝部件等方面，由日本帝人的子公司東邦特耐克絲供應(yīng)CFRF材料，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車(chē)頂方面，從CFRP材料的制造到部材的壓制成型，都由東麗負(fù)責(zé)。 copyright 123456


豐田從很早以前就開(kāi)始自主開(kāi)發(fā)CFRP加工技術(shù)。車(chē)輛材料技術(shù)部有機(jī)材料室長(zhǎng)間瀨清芝表示，“當(dāng)初為了采用最先進(jìn)的輕量材料、突出駕駛性能，決定采用CFRP”。




每輛車(chē)減排5噸二氧化碳

2011年1月，日本富士重工業(yè)推出的運(yùn)動(dòng)車(chē)型“斯巴魯 翼豹 WRX STI tS”采用了與東麗共同開(kāi)發(fā)的CFRP車(chē)頂。重量大約為鋼板的2成左右。如果車(chē)頂變輕，車(chē)體重心就會(huì)變低，操舵性也會(huì)得到提高。

三菱化學(xué)控股集團(tuán)旗下的三菱人造纖維公司是與德國(guó)CFRP廠(chǎng)商西格里公司（SGL）共同設(shè)立的合資公司。將面向德國(guó)寶馬公司計(jì)劃2015年上市、目前正處于開(kāi)發(fā)階段的EV的核心部件，供應(yīng)作為碳纖維原料的丙烯纖維。另外，2010年4月，東麗與德國(guó)戴姆勒公司就CFRP汽車(chē)部件的共同開(kāi)發(fā)達(dá)成協(xié)議。計(jì)劃3年后將這些部件配備于梅賽德斯·奔馳乘用車(chē)上。

碳纖維的特點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、硬度高且不生銹等。重量為鐵的4分之1左右。拉伸時(shí)的強(qiáng)度是尼龍（聚酰胺）的10～20倍、鐵的10倍，彈性指數(shù)達(dá)到尼龍的20～60倍、鐵的7倍。

碳纖維在一般情況下，作為CFRP與環(huán)氧樹(shù)脂等組合使用。據(jù)稱(chēng)最常見(jiàn)的比例是，體積的60％左右為纖維，剩余40％是樹(shù)脂。

據(jù)碳纖維協(xié)會(huì)介紹，“如果在普通乘用車(chē)上應(yīng)用目前已實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，那么車(chē)體重量的17％可替換為CFRP，重量可減輕約30％”。從汽車(chē)制造、組裝、行駛直至廢棄的生命周期來(lái)看，與原來(lái)的汽車(chē)相比，每輛車(chē)在10年之內(nèi)可減排5噸二氧化碳。

日本企業(yè)占據(jù)全球市場(chǎng)7成份額

碳纖維歷史悠久。1879年，托馬斯·愛(ài)迪生燃燒棉線(xiàn)和竹絲，制造出了燈泡的燈絲。在日本，碳纖維的基礎(chǔ)原理和技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，1971年，東麗正式開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn)，這在全球尚屬首次。由丙烯長(zhǎng)纖維、以及石油和煤炭等的副產(chǎn)物-瀝青在高溫條件下炭化而成。汽車(chē)車(chē)體等使用由丙烯長(zhǎng)纖維制成的碳纖維。 本文來(lái)自123

目前，東麗、東邦特耐克絲和三菱人造纖維等日本企業(yè)占據(jù)全球市場(chǎng)7成份額。起初在釣竿等體育用品領(lǐng)域開(kāi)拓市場(chǎng)，從20世紀(jì)90年左右起，還開(kāi)始應(yīng)用于一旦破損就會(huì)導(dǎo)致墜機(jī)的主翼等飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)材料上。20世紀(jì)90年代，開(kāi)始全面應(yīng)用于土木建筑和產(chǎn)業(yè)機(jī)械等產(chǎn)業(yè)用途，市場(chǎng)得到進(jìn)一步擴(kuò)大。作為美國(guó)知名航空公司波音公司的新一代中型機(jī)，“787”重量的5成左右是CFRP。

雖然2009年因雷曼危機(jī)供貨減少，年供貨僅2萬(wàn)5000噸，但東麗的大西盛行常務(wù)表示，“目前需求已超出預(yù)期”，預(yù)計(jì)2010年度的全球CFRP需求將超過(guò)3萬(wàn)噸，2013年的全球需求大約為5萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)到2013年度，建筑材料、發(fā)電用風(fēng)車(chē)等產(chǎn)業(yè)用途方面將比上一年增長(zhǎng)21％。另外，2010～2015年，汽車(chē)用途方面市場(chǎng)需求的全面擴(kuò)大同樣備受期待。

這是因?yàn)?，隨著全球汽車(chē)燃效規(guī)定越來(lái)越嚴(yán)格，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化?，F(xiàn)在，F(xiàn)1等賽車(chē)、以及“法拉利”等高級(jí)車(chē)的車(chē)體很大一部分都使用了CFRP。

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從三菱“帕杰羅”開(kāi)始，日本國(guó)內(nèi)也有多款汽車(chē)采用了CFRP傳動(dòng)軸（傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的部件）。

不過(guò)從目前來(lái)看，成本較高的缺點(diǎn)妨礙其應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)核心部件。雖然過(guò)去曾用于日產(chǎn)“Skyline GT-R”的發(fā)動(dòng)機(jī)罩等，但該車(chē)種的現(xiàn)行車(chē)型并未繼續(xù)采用CFRP。“目前，在汽車(chē)上使用CFRP的目的還主要在于宣傳造勢(shì)。用于量產(chǎn)車(chē)的主要部件將成為技術(shù)開(kāi)發(fā)上的突破性進(jìn)展”，東麗的大西常務(wù)介紹道。

克服高成本

之所以能被“雷克薩斯LFA”采用，其前提是按單生產(chǎn)。要應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)，提高加工速度是不可或缺的。要想用CFRP取代鐵和鋁，需要把加工時(shí)間縮短到與鐵的沖壓時(shí)間相等的1～1.5分左右。

目前，市場(chǎng)上流通的9成以上的CFRP，其樹(shù)脂原料是環(huán)氧樹(shù)脂等“熱硬化性樹(shù)脂”。這種樹(shù)脂的性質(zhì)是，在常溫下呈液態(tài)，粘度較低，很容易與纖維相結(jié)合，加熱后會(huì)變?yōu)楣腆w。此前制造汽車(chē)部件采用的加工法是，把碳纖維織物放到模具中，注入樹(shù)脂使之硬化成型，然后從模具中取出。 copyright 123456

但這種加工法有著加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。以前由于需要高溫固化成型等，因此CFRP的成形總共需要160分鐘。目前，在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）委托東麗和日產(chǎn)汽車(chē)等進(jìn)行的研究中，開(kāi)發(fā)出了超高速硬化樹(shù)脂等，可將成形過(guò)程縮短到5分鐘。

此外還存在一個(gè)問(wèn)題，熱硬化性樹(shù)脂在加熱固化后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即使再次冷卻也不會(huì)還原為原來(lái)的液體。必須準(zhǔn)確地一次性固化成型，與金屬相比，加工難度較高。

因此，使用“熱可塑性樹(shù)脂”的CFRP的研究開(kāi)發(fā)也正在進(jìn)行之中。熱可塑性樹(shù)脂中最具代表性的就是聚乙烯和聚丙烯。在常溫下呈固體狀，但加熱后可熔化流動(dòng)。即使已經(jīng)固化成型，也可多次重復(fù)進(jìn)行軟化熔融，因此較易加工。不過(guò)由于粘度較高，因此很難與纖維相結(jié)合。

東麗、三菱人造纖維和東京大學(xué)等的研究小組，受日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的委托，確立了在維持與熱硬化性樹(shù)脂同等性能的同時(shí)、將加工時(shí)間控制在2分鐘之內(nèi)的目標(biāo)。據(jù)稱(chēng)，東邦特耐克絲已經(jīng)獨(dú)立研發(fā)出可將使用熱可塑性樹(shù)脂的加工時(shí)間控制在1分鐘之內(nèi)的方法。 copyright 123456

每公斤碳纖維的價(jià)格是2000～3000日元，比鐵要高出一位數(shù)。要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，還需要降低纖維的制造成本。2009年度，日本國(guó)內(nèi)鋼鐵廠(chǎng)商接到的國(guó)內(nèi)汽車(chē)用普通鋼材訂單是876萬(wàn)噸。大西常務(wù)認(rèn)為，如果CFRP應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)的趨勢(shì)全面展開(kāi)，那么“碳纖維原材料目前3萬(wàn)噸的年產(chǎn)能可能會(huì)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，到時(shí)候還需要對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入探討”。

豐田有機(jī)材料室長(zhǎng)間瀨表示，“雖然在成本、生產(chǎn)效率和接合性等方面，CFRP仍存在許多亟待解決的課題，但作為新一代輕量材料，CFRP仍然具有很大魅力，今后我們將全力進(jìn)行研發(fā)”。目前，日本國(guó)內(nèi)外的材料和汽車(chē)廠(chǎng)商正紛紛加速進(jìn)行研發(fā)，一旦出現(xiàn)突破性進(jìn)展，CFRP甚至可能會(huì)提前得到普及。

來(lái)源：《日經(jīng)生態(tài)》
記者：金子憲治、外薗祐理子