碳纖維作為汽車車體輕量化的王牌而備受期待。業界齊心協力，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域。如果該材料能夠替代鐵和鋁，應用到全球最大產業-汽車產業的主要部件中，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車最高價引起極大關注，同時，在國產車上首次正式采用CFRP，這也成為人們關注的焦點。CFRP占車體結構的65％，與原來的鋁結構車體相比，大約輕100kg。內裝部件等方面，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CFRP加工技術。車輛材料技術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達成協議。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與環氧樹脂等組合使用。據稱最常見的比例是，體積的60％左右為纖維，剩余40％是樹脂。

據碳纖維協會介紹，“如果在普通乘用車上應用目前已實現的技術，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年之內可減排5噸二氧化碳。

日本企業占據全球市場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被開發出來，1971年，東麗正式開始商業生產，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占據全球市場7成份額。起初在釣竿等體育用品領域開拓市場，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構材料上。20世紀90年代，開始全面應用于土木建筑和產業機械等產業用途，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、發電用風車等產業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定越來越嚴格，需要進一步實現車體輕量化。現在，F1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，日本國內也有多款汽車采用了CFRP傳動軸（傳遞發動機動力的部件）。

不過從目前來看，成本較高的缺點妨礙其應用于量產車核心部件。雖然過去曾用于日產“Skyline GT-R”的發動機罩等，但該車種的現行車型并未繼續采用CFRP。“目前，在汽車上使用CFRP的目的還主要在于宣傳造勢。用于量產車的主要部件將成為技術開發上的突破性進展”，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。要應用于量產車，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，其樹脂原料是環氧樹脂等“熱硬化性樹脂”。這種樹脂的性質是，在常溫下呈液態，粘度較低，很容易與纖維相結合，加熱后會變為固體。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，在日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）委托東麗和日產汽車等進行的研究中，開發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，受日本新能源產業技術綜合開發機構的委托，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分鐘之內的目標。據稱，東邦特耐克絲已經獨立研發出可將使用熱可塑性樹脂的加工時間控制在1分鐘之內的方法。 copyright 123456

每公斤碳纖維的價格是2000～3000日元，比鐵要高出一位數。要實現量產化，還需要降低纖維的制造成本。2009年度，日本國內鋼鐵廠商接到的國內汽車用普通鋼材訂單是876萬噸。大西常務認為，如果CFRP應用于量產車的趨勢全面展開，那么“碳纖維原材料目前3萬噸的年產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”。目前，日本國內外的材料和汽車廠商正紛紛加速進行研發，一旦出現突破性進展，CFRP甚至可能會提前得到普及。

來源：《日經生態》
記者：金子憲治、外薗祐理子