熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料難公關(guān)

實(shí)現(xiàn)低能耗、循環(huán)型社會(huì)”。 123,123

    該項(xiàng)目是從全球氣候變暖對(duì)策的角度出發(fā)，針對(duì)汽車車身用途，研發(fā)采用碳纖維的新材料。參加該項(xiàng)目的，包括咨詢委員會(huì)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?yán)w維大學(xué)等11家企業(yè)和大學(xué)。力爭(zhēng)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(dòng)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(cái)年以五年計(jì)劃實(shí)施的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目“以碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)低能耗、循環(huán)型社會(huì)”中擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。 123,123

    該項(xiàng)目是從全球氣候變暖對(duì)策的角度出發(fā)，針對(duì)汽車車身用途，研發(fā)采用碳纖維的新材料。參加該項(xiàng)目的，包括咨詢委員會(huì)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?yán)w維大學(xué)等11家企業(yè)和大學(xué)，力爭(zhēng)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(duì)于日本來說，比其具有更大意義的是減輕電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車（HEV）及插電式混合動(dòng)力車（ＰＨＥＶ）的重量。” copyright 123456

    目前，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)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(cè)今后在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)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(jìn)口。價(jià)格較高，目前已經(jīng)成為阻礙電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車降低價(jià)格的重要原因。

    并且，充電時(shí)間也是一個(gè)較大的課題。例如，三菱汽車的電動(dòng)汽車“i-MiEV”，利用普通家用電源，8小時(shí)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(shí)現(xiàn)電池小型化，也能降低電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車的價(jià)格，并推動(dòng)其進(jìn)一步普及。還可降低對(duì)中國(guó)的依賴程度，縮短充電時(shí)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(qiáng)調(diào)：“能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化的，唯有日本具有絕對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(qiáng)度高。盡管重量只有鐵的4分之1，但強(qiáng)度為鐵的10倍。而且不會(huì)生銹。

    因此，作為實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)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(jī)“波音787”的機(jī)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(tuán)（19％）及三菱麗陽集團(tuán)（16％）占據(jù)，是日本國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力最強(qiáng)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(fèi)40多年時(shí)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(guó)和中國(guó)也出現(xiàn)了致力于碳纖維開發(fā)的企業(yè)，但我認(rèn)為其他國(guó)家在品質(zhì)方面很難趕上日本”，高橋教授對(duì)此滿懷自信。

    由于重量輕而且具有高強(qiáng)度，因此實(shí)際上不僅是客機(jī)，碳纖維復(fù)合材料也已經(jīng)被應(yīng)用于國(guó)際“F1”車賽的賽車車身、風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車的一部分、釣竿及網(wǎng)球拍等多個(gè)領(lǐng)域。

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    不過，先不說電動(dòng)汽車和混合動(dòng)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(jìn)行大量生產(chǎn)。因此，項(xiàng)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(jìn)行大量生產(chǎn)之外，還有價(jià)格高、不能循環(huán)再利用等課題。這些課題實(shí)際上均來自現(xiàn)在使用的塑料樹脂的特性。項(xiàng)目要力爭(zhēng)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(qiáng)度，需要花費(fèi)時(shí)間。這是因?yàn)?，通過使之緩慢地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)會(huì)變得整齊，形成更加堅(jiān)固的材料。例如，波音787使用的材料是用4個(gè)多小時(shí)的時(shí)間凝固成形的。這是無法實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。必須能夠在1分鐘內(nèi)成形。” 123456

    而且，不能進(jìn)行循環(huán)再利用也是一個(gè)很大的課題。現(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(jìn)行焊接。沖壓后的殘留部分等進(jìn)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?yàn)?，已?jīng)凝固的樹脂無法像鐵一樣熔化并進(jìn)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(huì)有接近一半被廢棄。 123456

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

    因此，高橋教授等致力于實(shí)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(shí)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(huì)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(shí)間即可成形。 123456

在強(qiáng)度相同的情況下，車身重量可減輕30％ copyright 123456

    實(shí)際上，此前也曾多次對(duì)開發(fā)使用熱可塑性樹脂的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行研究，不過并未成功。究其原因，主要是因?yàn)闊o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(xiàng)目分別對(duì)碳纖維和熱可塑性樹脂進(jìn)行了改進(jìn)。碳纖維由東麗和三菱麗陽負(fù)責(zé)，熱可塑性樹脂由東洋紡負(fù)責(zé)。

    經(jīng)過各企業(yè)的努力，終于實(shí)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(shí)還確保了與熱固性樹脂碳纖維復(fù)合材料同等的強(qiáng)度。

    高橋教授回顧道：“雖然與技術(shù)相關(guān)的詳細(xì)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(diǎn)，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(zhǎng)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(jī)切割掉不需要的部分，也很少因切割導(dǎo)致強(qiáng)度下降。接近100％可進(jìn)行循環(huán)再利用，因此經(jīng)濟(jì)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(fèi)及運(yùn)用費(fèi)。

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    “全球每年生產(chǎn)5000萬輛車輛。我的夢(mèng)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(xiàng)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(jī)構(gòu)還在同時(shí)推進(jìn)旨在實(shí)現(xiàn)如今10倍年產(chǎn)量的項(xiàng)目。另外，碳纖維目前的價(jià)格高達(dá)每公斤3000日元左右，但據(jù)高橋教授計(jì)算，如果產(chǎn)能提高到目前的10倍，價(jià)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(shí)現(xiàn)實(shí)用化，得到廣泛普及，便可實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保、人性化及節(jié)約成本的汽車社會(huì)。據(jù)稱通過該項(xiàng)目，2016～18年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化已有頭緒。希望能夠早日投入實(shí)用。 

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