碳纖維材料使用于航天飛機(jī)和汽車(chē)行業(yè)

碳纖維、超導(dǎo)材料、藻類(lèi)生物質(zhì)，……節(jié)能、省資源的環(huán)保材料在各個(gè)領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。曾經(jīng)的“未來(lái)技術(shù)”已經(jīng)來(lái)到了實(shí)用化階段，展開(kāi)了激烈的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。不只是“環(huán)保性能”，在價(jià)格和功能上具有競(jìng)爭(zhēng)力的材料也已經(jīng)出現(xiàn)。本文我們來(lái)追蹤材料革命的最前沿。

“這次發(fā)布的是超越了以往汽車(chē)的產(chǎn)品。是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)交通的革命性一步。” 內(nèi)容來(lái)自123456

2013年7月，在紐約舉辦的寶馬集團(tuán)首款量產(chǎn)型純電動(dòng)汽車(chē)“寶馬i3”的發(fā)布活動(dòng)上，寶馬集團(tuán)董事長(zhǎng)諾伯特·雷瑟夫（Norbert Reithofer）熱情地向觀眾介紹著這款產(chǎn)品。

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i3最大的特色是基礎(chǔ)框架使用碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP），實(shí)現(xiàn)了令人震撼的輕量化。

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CFRP不僅具有高強(qiáng)度，而且重量比鐵輕一半，比鋁輕30％，能大幅改善燃效。是實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)必不可少的環(huán)保材料。在消耗大量燃料的飛機(jī)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。 本文來(lái)自123

在汽車(chē)領(lǐng)域，CFRP此前雖然也在部分高級(jí)跑車(chē)上采用，但全面應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)的主要構(gòu)件尚屬首次。

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價(jià)格降低了一位數(shù) 123456

純電動(dòng)汽車(chē)因?yàn)橐钶d大容量蓄電池，所以重量大約比汽油車(chē)重200kg。而通過(guò)框架上采用CFRP，底盤(pán)改換為鋁合金，車(chē)體的重量減輕了約350kg，抵消后輕了約150kg。因?yàn)檐?chē)體上部大幅減輕，車(chē)輛整體的重心下降，行駛性能也得以提升。

消費(fèi)者對(duì)i3的關(guān)注度很高，在歐洲，i3于2013年11月上市后，訂購(gòu)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了1萬(wàn)輛以上。在日本也已于4月上市。據(jù)稱(chēng)希望試駕的人數(shù)突破了1萬(wàn)人。 123456

i3受到關(guān)注的理由不僅僅是性能。還有一大因素是低至499萬(wàn)日元（含稅）的建議零售價(jià)。以高檔車(chē)的級(jí)別，實(shí)現(xiàn)了普通消費(fèi)者可以接受的價(jià)格。對(duì)此，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）電子、材料、納米技術(shù)部主任佐藤隆行難掩驚訝之情：“與過(guò)去全面采用碳纖維的汽車(chē)相比，價(jià)格便宜了一位數(shù)。簡(jiǎn)直令人難以置信”。

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

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“寶馬i3”通過(guò)為基礎(chǔ)框架采用碳纖維強(qiáng)化塑料，底盤(pán)采用鋁合金，成功減輕了約350kg

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以實(shí)現(xiàn)“碳纖維汽車(chē)”的商品化為目標(biāo)，全世界的汽車(chē)企業(yè)展開(kāi)了激戰(zhàn)。2010年豐田上市的跑車(chē)“雷克薩斯LFA”開(kāi)日本國(guó)產(chǎn)車(chē)之先河，全面采用CFRP制造車(chē)體，成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。但其價(jià)格也創(chuàng)下了日本國(guó)產(chǎn)車(chē)中最高的3750萬(wàn)日元。因?yàn)椴捎玫氖鞘止ぶ圃斓挠嗀浶蜕a(chǎn)方式，所以其成本壓縮受限。 copyright 123456

寶馬通過(guò)開(kāi)發(fā)多種技術(shù)提高生產(chǎn)效率，終于將CFRP成功地應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)。

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碳纖維是把丙烯等纖維在無(wú)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(shù)脂加固，就成為了CFRP。

飛機(jī)等使用的CFRP在成型時(shí)，要在專(zhuān)用釜中加熱加壓，使構(gòu)件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強(qiáng)度，但成型需要若干小時(shí)，而且成本高昂。i3使用的CFRP采用了無(wú)需加壓加熱的新工藝——RTM（樹(shù)脂傳遞模塑）：把預(yù)成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹(shù)脂，使纖維與樹(shù)脂結(jié)合，可在10分鐘以?xún)?nèi)成型。

而且，還開(kāi)發(fā)了將CFRP成型品粘合起來(lái)的粘合劑，粘合時(shí)間縮短到以往的10分之1的，粘接工序也利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。通過(guò)構(gòu)筑量產(chǎn)體制，大幅降低了成本。

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跨過(guò)每kg/1千日元的門(mén)檻 內(nèi)容來(lái)自123456

碳纖維也是日本的家傳技藝。日本的纖維產(chǎn)業(yè)實(shí)力雄厚，著眼于長(zhǎng)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(yīng)商也是日本的三菱麗陽(yáng)。作為正牌環(huán)保材料的碳纖維受到自全世界的關(guān)注，碳纖維競(jìng)爭(zhēng)以日本為舞臺(tái)已經(jīng)展開(kāi)。

在與汽車(chē)比肩的另一個(gè)碳纖維主戰(zhàn)場(chǎng)——飛機(jī)領(lǐng)域，東麗與美國(guó)波音、帝人與法國(guó)空中客車(chē)分別展開(kāi)合作，展開(kāi)了霸權(quán)之爭(zhēng)。 123,123

1971年，東麗在全球率先開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn)碳纖維，現(xiàn)在穩(wěn)居全球份額榜首。1975年，波音在機(jī)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(jìn)質(zhì)量，把拉伸強(qiáng)度（斷裂難度）提高到原來(lái)的近2倍，拉伸彈性模量（變形難易）提高到原來(lái)的近3倍，滿(mǎn)足了眾多用途的需求。其技術(shù)實(shí)力備受好評(píng)，在2011年投入航運(yùn)的最先進(jìn)中型客機(jī)“波音787”上，CFRP已經(jīng)占到了機(jī)體重量的5成。

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帝人一直長(zhǎng)期為空中客車(chē)世界最大的雙層客機(jī)“A380”供應(yīng)碳纖維原絲和碳纖維布等材料。并且，還將首次以構(gòu)件的形式，向預(yù)定在年內(nèi)投入航運(yùn)的新一代中型客機(jī)“A350WB”的試驗(yàn)飛機(jī)供應(yīng)機(jī)體和機(jī)翼等主要結(jié)構(gòu)材料，雙方的關(guān)系正在穩(wěn)步升溫。

今后，碳纖維的需求預(yù)計(jì)將以每年15％以上的速度擴(kuò)大。預(yù)計(jì)5年后，市場(chǎng)將擴(kuò)大到現(xiàn)在的2倍以上。東麗ACM技術(shù)部長(zhǎng)小田切信之說(shuō)：“（碳纖維）可以稱(chēng)得上是引領(lǐng)綠色創(chuàng)新、肩負(fù)公司未來(lái)的商品”。

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碳纖維要在社會(huì)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(shuō)，如果要應(yīng)用于比寶馬i3便宜的普及價(jià)位的量產(chǎn)車(chē)，在成型后的狀態(tài)下，CFRP的價(jià)格需要控制在每kg/1000日元左右。而目前的價(jià)格是數(shù)倍至數(shù)十倍。

于是，由東麗、三菱麗陽(yáng)、東洋紡、高木精工、東京大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)了NEDO的項(xiàng)目——能以低價(jià)格量產(chǎn)的“碳纖維強(qiáng)化熱可塑性樹(shù)脂（CFRTP）”，并且于2013年2月開(kāi)發(fā)成功。

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

通過(guò)使用加熱會(huì)變軟、具有熱可塑性的聚丙烯樹(shù)脂，預(yù)計(jì)可在與鐵沖壓同等的1分鐘以?xún)?nèi)成型。因可以使用模具加工成復(fù)雜的形狀，所以能用來(lái)制作多種構(gòu)件。其最大的缺點(diǎn)——強(qiáng)度不足，通過(guò)實(shí)施將碳纖維與樹(shù)脂牢固結(jié)合的特殊處理得以克服。

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聚丙烯樹(shù)脂比環(huán)氧樹(shù)脂還要便宜。前面提到的佐藤主任介紹說(shuō)：“若能夠降低碳纖維的價(jià)格，則由低廉的樹(shù)脂原料和加工費(fèi)的壓縮，碳纖維就有可能在量產(chǎn)車(chē)中得到廣泛運(yùn)用”。

按照該項(xiàng)目的估算，普通乘用車(chē)如果把大約60％的鐵構(gòu)件換成CFRTP，車(chē)體大約可以減輕30％。汽油的消費(fèi)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(shù)等，經(jīng)汽車(chē)企業(yè)進(jìn)估后，預(yù)計(jì)在2020年以后可實(shí)現(xiàn)商品化。