日本碳纖維復合材料在汽車領域的創(chuàng)新

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術開發(fā)機構(NEDO)從2008年開始在碳纖維領域進行為期5年的“續(xù)發(fā)展的超級復合材料技術項目”于2013年9月結題。項目由東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)與東京大學、東北大學、山形大學等院校合力進行研究，通過對新型CFRTP的開發(fā)，實現(xiàn)減輕車重30%、提高燃油效率22.5%、提高加工速度、提高回收率等目的。項目研發(fā)成果分為一下四項。
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中間材料的研發(fā)

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中間材料的研發(fā)成果包括各向同性和單取向性兩種中間材料，實現(xiàn)了量產(chǎn)車用CFRTP在1min內(nèi)的成型，同時熱塑性CFRTP也方便了最終部件的可回收再利用。其中各向同性CFRTP中間材料是短切碳纖維與聚丙烯樹脂復合的粒料，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜形狀部件材料的成型;單取向性CFRTP中間材料是長絲碳纖維與聚丙烯樹脂復合的預浸帶，特別適合作為框架等要求高強度的產(chǎn)品應用。

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成型技術的研發(fā)的研發(fā) 本文來自123

針對兩種不同的中間材料，項目研發(fā)了兩種不同的加工成型方式，如圖2所示。各向同性中間材料采用高速沖壓成型，模具使用時間短，成型后的材料變形小，可生產(chǎn)表面形狀凹凸復雜的CFRTP部件，適合作為汽車的次承力結構件。單取向性中間材料采用高速內(nèi)壓成型，可生產(chǎn)無縫中空封閉截面，其CFRTP部件適合用于汽車載荷的主承力結構件。 123456

連接技術的研發(fā) 123456

研發(fā)成功了集熱板熔融、震動熔融、超音波熔融等為一體的加熱和加壓連接法，實現(xiàn)連接部位一體化的同時增加接合部的纖維體積分數(shù)，提高強度，避免了容易對CFRTP材料產(chǎn)生結構損傷的鋼焊接技術。

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回收技術的研發(fā)

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CFRTP回收技術項目成果，是在NEDO從2006年起在日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的資助下進行的題為“碳纖維回收技術的研發(fā)示范”項目研究的基礎上進行的，利用熱分解法，在高溫常壓下回收復合材料中的碳纖維。由于上述技術成果的突破，使得日本生產(chǎn)商加速了對CFRTP在汽車領域應用的市場布局，包括碳纖維絲束原材料、復合材料預浸料和注塑顆粒材料在內(nèi)的產(chǎn)能投入。 本文來自123

擴大產(chǎn)品組合 本文來自123

2013年10月，某生產(chǎn)商宣布推出全新品牌CFRTPSereebo®，包括3種系列中間材料。其中U系列(單向中間材料)可提供高定向強度;I系列(各向同性中間材料)可保證CFRTP制品形狀的均一和多方向上的高強度;P系列(熱塑性顆粒材料)適用于復雜部件的注塑成型，為將來在汽車上的全面應用做鋪墊。2013年10月，東麗宣布推出新的碳纖維增強聚苯硫醚(PPS)樹脂顆粒材料，該材料改進了纖維和PPS樹脂接觸面的粘結性，提高了抗拉強度，可作為注塑成型的原料使用。使用該材料制備CFRTP部件，其抗拉強度與鋁鑄件相當，質(zhì)量卻輕了近45%。就在NEDO的成果發(fā)表之后不到1個月，日本碳纖維生產(chǎn)商就將新技術產(chǎn)品投放到市場，可見其將研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品的速度之快。 123456

盡管在汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還有很多尚未完全解決的技術難題，但是日本碳纖維生產(chǎn)商及合作科研單位對未來CFRP在汽車領域的應用充滿信心，加強對CFRP中間材料、成型工藝、后道制品的研發(fā)，尤其對CFRTP材料的技術突破，逐步打通汽車結構件從原料到加工的生產(chǎn)技術障礙。日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)近幾年積極在全球進行擴產(chǎn)計劃與戰(zhàn)略布局，與下游應用企業(yè)結成聯(lián)盟，整合產(chǎn)業(yè)鏈，促進CFRP及其制品在全球汽車領域中的普及應用，力求使日本成為碳纖維領域的絕對領先者。這種現(xiàn)狀亟須我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的頂層設計和從業(yè)者們高度重視和借鑒。