碳纖維材料使用于航天飛機和汽車行業(yè)

碳纖維、超導材料、藻類生物質，……節(jié)能、省資源的環(huán)保材料在各個領域都取得了長足的進步。曾經的“未來技術”已經來到了實用化階段，展開了激烈的開發(fā)競爭。不只是“環(huán)保性能”，在價格和功能上具有競爭力的材料也已經出現(xiàn)。本文我們來追蹤材料革命的最前沿。

“這次發(fā)布的是超越了以往汽車的產品。是實現(xiàn)可持續(xù)交通的革命性一步。” 內容來自123456

2013年7月，在紐約舉辦的寶馬集團首款量產型純電動汽車“寶馬i3”的發(fā)布活動上，寶馬集團董事長諾伯特·雷瑟夫（Norbert Reithofer）熱情地向觀眾介紹著這款產品。

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i3最大的特色是基礎框架使用碳纖維強化塑料（CFRP），實現(xiàn)了令人震撼的輕量化。

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CFRP不僅具有高強度，而且重量比鐵輕一半，比鋁輕30％，能大幅改善燃效。是實現(xiàn)低碳社會必不可少的環(huán)保材料。在消耗大量燃料的飛機上已經廣泛應用。 本文來自123

在汽車領域，CFRP此前雖然也在部分高級跑車上采用，但全面應用于量產車的主要構件尚屬首次。

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價格降低了一位數(shù) 123456

純電動汽車因為要搭載大容量蓄電池，所以重量大約比汽油車重200kg。而通過框架上采用CFRP，底盤改換為鋁合金，車體的重量減輕了約350kg，抵消后輕了約150kg。因為車體上部大幅減輕，車輛整體的重心下降，行駛性能也得以提升。

消費者對i3的關注度很高，在歐洲，i3于2013年11月上市后，訂購數(shù)量已經達到了1萬輛以上。在日本也已于4月上市。據(jù)稱希望試駕的人數(shù)突破了1萬人。 123456

i3受到關注的理由不僅僅是性能。還有一大因素是低至499萬日元（含稅）的建議零售價。以高檔車的級別，實現(xiàn)了普通消費者可以接受的價格。對此，日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）電子、材料、納米技術部主任佐藤隆行難掩驚訝之情：“與過去全面采用碳纖維的汽車相比，價格便宜了一位數(shù)。簡直令人難以置信”。

制造碳纖維時，加熱要使用大量電能。寶馬利用水力和風力發(fā)電，減少了制造過程產生的CO2

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“寶馬i3”通過為基礎框架采用碳纖維強化塑料，底盤采用鋁合金，成功減輕了約350kg

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以實現(xiàn)“碳纖維汽車”的商品化為目標，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)。2010年豐田上市的跑車“雷克薩斯LFA”開日本國產車之先河，全面采用CFRP制造車體，成為了關注的焦點。但其價格也創(chuàng)下了日本國產車中最高的3750萬日元。因為采用的是手工制造的訂貨型生產方式，所以其成本壓縮受限。 copyright 123456

寶馬通過開發(fā)多種技術提高生產效率，終于將CFRP成功地應用于量產車。

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碳纖維是把丙烯等纖維在無氧狀態(tài)下“蒸烤”炭化制成。把碳纖維在平面上排列、或編織成片，再用樹脂加固，就成為了CFRP。

飛機等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。i3使用的CFRP采用了無需加壓加熱的新工藝——RTM（樹脂傳遞模塑）：把預成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結合，可在10分鐘以內成型。

而且，還開發(fā)了將CFRP成型品粘合起來的粘合劑，粘合時間縮短到以往的10分之1的，粘接工序也利用機器人實現(xiàn)了自動化。通過構筑量產體制，大幅降低了成本。

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跨過每kg/1千日元的門檻 內容來自123456

碳纖維也是日本的家傳技藝。日本的纖維產業(yè)實力雄厚，著眼于長期發(fā)展而持續(xù)投資研發(fā)的日本纖維企業(yè)力壓歐美企業(yè)，掌握著全球70％的份額。寶馬的碳纖維原絲供應商也是日本的三菱麗陽。作為正牌環(huán)保材料的碳纖維受到自全世界的關注，碳纖維競爭以日本為舞臺已經展開。

在與汽車比肩的另一個碳纖維主戰(zhàn)場——飛機領域，東麗與美國波音、帝人與法國空中客車分別展開合作，展開了霸權之爭。 123,123

1971年，東麗在全球率先開始商業(yè)生產碳纖維，現(xiàn)在穩(wěn)居全球份額榜首。1975年，波音在機翼的部件上率先采用了碳纖維。 123,123

之后，東麗繼續(xù)不斷改進質量，把拉伸強度（斷裂難度）提高到原來的近2倍，拉伸彈性模量（變形難易）提高到原來的近3倍，滿足了眾多用途的需求。其技術實力備受好評，在2011年投入航運的最先進中型客機“波音787”上，CFRP已經占到了機體重量的5成。

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帝人一直長期為空中客車世界最大的雙層客機“A380”供應碳纖維原絲和碳纖維布等材料。并且，還將首次以構件的形式，向預定在年內投入航運的新一代中型客機“A350WB”的試驗飛機供應機體和機翼等主要結構材料，雙方的關系正在穩(wěn)步升溫。

今后，碳纖維的需求預計將以每年15％以上的速度擴大。預計5年后，市場將擴大到現(xiàn)在的2倍以上。東麗ACM技術部長小田切信之說：“（碳纖維）可以稱得上是引領綠色創(chuàng)新、肩負公司未來的商品”。

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碳纖維要在社會上普及到與鐵和鋁那樣的程度，要解決的課題還有不少。其中比較重要的是成本與成型性。比方說，如果要應用于比寶馬i3便宜的普及價位的量產車，在成型后的狀態(tài)下，CFRP的價格需要控制在每kg/1000日元左右。而目前的價格是數(shù)倍至數(shù)十倍。

于是，由東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、東京大學等組成的研究團隊挑戰(zhàn)了NEDO的項目——能以低價格量產的“碳纖維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）”，并且于2013年2月開發(fā)成功。

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市場上流通的CFRP大多數(shù)使用的是加熱會變硬的環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂。這種樹脂雖然強度好，但存在加工麻煩等缺點。 copyright 123456

通過使用加熱會變軟、具有熱可塑性的聚丙烯樹脂，預計可在與鐵沖壓同等的1分鐘以內成型。因可以使用模具加工成復雜的形狀，所以能用來制作多種構件。其最大的缺點——強度不足，通過實施將碳纖維與樹脂牢固結合的特殊處理得以克服。

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聚丙烯樹脂比環(huán)氧樹脂還要便宜。前面提到的佐藤主任介紹說：“若能夠降低碳纖維的價格，則由低廉的樹脂原料和加工費的壓縮，碳纖維就有可能在量產車中得到廣泛運用”。

按照該項目的估算，普通乘用車如果把大約60％的鐵構件換成CFRTP，車體大約可以減輕30％。汽油的消費量也可以減少22.5％。

今后，將繼續(xù)研究碳纖維與其他材料的接合技術等，經汽車企業(yè)進估后，預計在2020年以后可實現(xiàn)商品化。