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熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料難公關(guān)

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時(shí)間:2015-07-19【

熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料或成突破量產(chǎn)難關(guān)殺手锏
作為2008年度~2012年度的五年計(jì)劃,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)實(shí)施了產(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)”。 123,123
碳纖維復(fù)合材料

    該項(xiàng)目是從全球氣候變暖對策的角度出發(fā),針對汽車車身用途,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

    “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策的角度出發(fā),針對汽車車身用途,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。

123,123

    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。還可降低對中國的依賴程度,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,唯有日本具有絕對國際競爭力的碳纖維。”

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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。

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    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),是日本國際競爭力最強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一。

123,123

    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,雖然目前美國和中國也出現(xiàn)了致力于碳纖維開發(fā)的企業(yè),但我認(rèn)為其他國家在品質(zhì)方面很難趕上日本”,高橋教授對此滿懷自信。

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    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)目要力爭解決上述所有課題。

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在“熱可塑性”樹脂上尋找出路

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    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?,F(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。

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    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)。

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    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。

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    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。

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    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。 

本文來自123

 
 

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