實現(xiàn)車體輕量化的殺手锏-碳纖維強化樹脂

碳纖維作為汽車車體輕量化的王牌而備受期待。業(yè)界齊心協(xié)力，力爭縮短加工時間。

“21世紀是材料科技的時代”，三菱化學控股集團社長小林喜光說道。

為此，小林社長舉出了碳纖維這個例子。如下文所述，由于要和樹脂一起使用，因此被稱為碳纖維強化樹脂（CFRP），主要用于高爾夫俱樂部的球桿等體育用品、飛機和建筑材料等領(lǐng)域。如果該材料能夠替代鐵和鋁，應用到全球最大產(chǎn)業(yè)-汽車產(chǎn)業(yè)的主要部件中，那么將會改寫全球材料史。

豐田2010年12月上市了高性能跑車“雷克薩斯LFA”。該車以每輛3750萬日元的日本國產(chǎn)車最高價引起極大關(guān)注，同時，在國產(chǎn)車上首次正式采用CFRP，這也成為人們關(guān)注的焦點。CFRP占車體結(jié)構(gòu)的65％，與原來的鋁結(jié)構(gòu)車體相比，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CFRF材料，發(fā)動機罩和車頂方面，從CFRP材料的制造到部材的壓制成型，都由東麗負責。 copyright 123456


豐田從很早以前就開始自主開發(fā)CFRP加工技術(shù)。車輛材料技術(shù)部有機材料室長間瀨清芝表示，“當初為了采用最先進的輕量材料、突出駕駛性能，決定采用CFRP”。




每輛車減排5噸二氧化碳

2011年1月，日本富士重工業(yè)推出的運動車型“斯巴魯 翼豹 WRX STI tS”采用了與東麗共同開發(fā)的CFRP車頂。重量大約為鋼板的2成左右。如果車頂變輕，車體重心就會變低，操舵性也會得到提高。

三菱化學控股集團旗下的三菱人造纖維公司是與德國CFRP廠商西格里公司（SGL）共同設立的合資公司。將面向德國寶馬公司計劃2015年上市、目前正處于開發(fā)階段的EV的核心部件，供應作為碳纖維原料的丙烯纖維。另外，2010年4月，東麗與德國戴姆勒公司就CFRP汽車部件的共同開發(fā)達成協(xié)議。計劃3年后將這些部件配備于梅賽德斯·奔馳乘用車上。

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

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

據(jù)碳纖維協(xié)會介紹，“如果在普通乘用車上應用目前已實現(xiàn)的技術(shù)，那么車體重量的17％可替換為CFRP，重量可減輕約30％”。從汽車制造、組裝、行駛直至廢棄的生命周期來看，與原來的汽車相比，每輛車在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7成份額

碳纖維歷史悠久。1879年，托馬斯·愛迪生燃燒棉線和竹絲，制造出了燈泡的燈絲。在日本，碳纖維的基礎原理和技術(shù)被開發(fā)出來，1971年，東麗正式開始商業(yè)生產(chǎn)，這在全球尚屬首次。由丙烯長纖維、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。汽車車體等使用由丙烯長纖維制成的碳纖維。 本文來自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7成份額。起初在釣竿等體育用品領(lǐng)域開拓市場，從20世紀90年左右起，還開始應用于一旦破損就會導致墜機的主翼等飛機框架結(jié)構(gòu)材料上。20世紀90年代，開始全面應用于土木建筑和產(chǎn)業(yè)機械等產(chǎn)業(yè)用途，市場得到進一步擴大。作為美國知名航空公司波音公司的新一代中型機，“787”重量的5成左右是CFRP。

雖然2009年因雷曼危機供貨減少，年供貨僅2萬5000噸，但東麗的大西盛行常務表示，“目前需求已超出預期”，預計2010年度的全球CFRP需求將超過3萬噸，2013年的全球需求大約為5萬噸。預計到2013年度，建筑材料、發(fā)電用風車等產(chǎn)業(yè)用途方面將比上一年增長21％。另外，2010～2015年，汽車用途方面市場需求的全面擴大同樣備受期待。

這是因為，隨著全球汽車燃效規(guī)定越來越嚴格，需要進一步實現(xiàn)車體輕量化?，F(xiàn)在，F(xiàn)1等賽車、以及“法拉利”等高級車的車體很大一部分都使用了CFRP。

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從三菱“帕杰羅”開始，日本國內(nèi)也有多款汽車采用了CFRP傳動軸（傳遞發(fā)動機動力的部件）。

不過從目前來看，成本較高的缺點妨礙其應用于量產(chǎn)車核心部件。雖然過去曾用于日產(chǎn)“Skyline GT-R”的發(fā)動機罩等，但該車種的現(xiàn)行車型并未繼續(xù)采用CFRP。“目前，在汽車上使用CFRP的目的還主要在于宣傳造勢。用于量產(chǎn)車的主要部件將成為技術(shù)開發(fā)上的突破性進展”，東麗的大西常務介紹道。

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)。要應用于量產(chǎn)車，提高加工速度是不可或缺的。要想用CFRP取代鐵和鋁，需要把加工時間縮短到與鐵的沖壓時間相等的1～1.5分左右。

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

但這種加工法有著加工時間過長的缺點。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)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）委托東麗和日產(chǎn)汽車等進行的研究中，開發(fā)出了超高速硬化樹脂等，可將成形過程縮短到5分鐘。

此外還存在一個問題，熱硬化性樹脂在加熱固化后會發(fā)生化學反應，即使再次冷卻也不會還原為原來的液體。必須準確地一次性固化成型，與金屬相比，加工難度較高。

因此，使用“熱可塑性樹脂”的CFRP的研究開發(fā)也正在進行之中。熱可塑性樹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。即使已經(jīng)固化成型，也可多次重復進行軟化熔融，因此較易加工。不過由于粘度較高，因此很難與纖維相結(jié)合。

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

每公斤碳纖維的價格是2000～3000日元，比鐵要高出一位數(shù)。要實現(xiàn)量產(chǎn)化，還需要降低纖維的制造成本。2009年度，日本國內(nèi)鋼鐵廠商接到的國內(nèi)汽車用普通鋼材訂單是876萬噸。大西常務認為，如果CFRP應用于量產(chǎn)車的趨勢全面展開，那么“碳纖維原材料目前3萬噸的年產(chǎn)能可能會無法滿足市場需求，到時候還需要對這個問題進行深入探討”。

豐田有機材料室長間瀨表示，“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，今后我們將全力進行研發(fā)”。目前，日本國內(nèi)外的材料和汽車廠商正紛紛加速進行研發(fā)，一旦出現(xiàn)突破性進展，CFRP甚至可能會提前得到普及。

來源：《日經(jīng)生態(tài)》
記者：金子憲治、外薗祐理子