碳纖維材料向汽車和飛機普及

06-19

　　在剛剛過去的2014年北京車展上，價格數千萬元甚至上億元的豪華轎車、超級跑車奪人眼球。其中，碳纖維扮演著越來越重要的角色。例如，布加迪Black Bess傳奇限量版採用全黑色碳纖維打造，科尼賽克one：1跑車車身配有碳纖維輪圈。

　　目前，以實現「碳纖維汽車」的商品化為目標，全世界的汽車企業展開了激戰。2010年豐田上市的跑車雷克薩斯LFA全面採用CFRP（碳纖維增強複合材料）製造車體，成為了關注的焦點，但其價格也創下了日本國產車中最高的3750萬日元。因為採用的是手工製造的訂貨型生產方式，所以其成本壓縮受限。寶馬通過開發多種技術提高生產效率，終於將CFRP成功地應用於量產車。

　　碳纖維是將丙烯等纖維在無氧狀態下「蒸烤」炭化製成。把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之後才能成為CFRP。飛機等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。寶馬i3使用的CFRP採用了無需加壓加熱的新工藝——RTM（樹脂傳遞模塑）：把預成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結合，可在10分鐘以內成型。

　　日本的碳纖維產業實力較強，著眼於長期發展而持續投資研發的日本纖維企業力壓歐美企業，掌握著全球70％的份額。寶馬的碳纖維原絲供應商是日本的三菱麗陽。作為正牌環保材料的碳纖維受到全世界的關注，碳纖維競爭以日本為舞台已經展開。

　　而中國在此領域也做出了成績。中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位聯合承擔的中國科學院知識創新工程重要方向項目「碳纖維增強熱塑性複合材料結構件成型技術研究」日前進行了現場技術驗收。「碳纖維增強熱塑性複合材料結構件成型技術研究」課題於2011年正式啟動，課題組成員研製出具有完全自主知識產權的連續碳纖維複合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠實現連續碳纖維複合材料汽車部件的自動化製備，效率達到56件/天，並分別採用APA6及PCBT熱塑性單體經原位聚合成型製備出大尺寸複合材料汽車底板。該項目突破了碳纖維增強熱塑性複合材料結構件成型關鍵技術，在複合材料體系、熱壓成型工藝、液態成型工藝、設計技術、連接技術以及關鍵裝備等方面取得重要進展。

　　在與汽車比肩的另一個碳纖維主戰場——飛機領域，東麗與美國波音、帝人與法國空中客車分別展開合作，展開了霸權之爭。

　　1971年，東麗在全球率先開始商業生產碳纖維。1975年，波音在機翼的部件上率先採用了碳纖維。之後，東麗繼續不斷改進質量，把拉伸強度（斷裂難度）提高到原來的近2倍，拉伸彈性模量（變形難易）提高到原來的近3倍，滿足了眾多用途的需求。其技術實力備受好評，在2011年投入航運的最先進中型客機「波音787」上，CFRP已經佔到了機體重量的5成。

　　帝人長期為空中客車世界最大的雙層客機A380供應碳纖維原絲和碳纖維布等材料，並且還將首次以構件的形式，向預定在年內投入航運的新一代中型客機A350WB的試驗飛機供應機體和機翼等主要結構材料，雙方的合作關係正在升溫。

　　近期我國成功首飛一款新型號飛機，這款新型飛機廣泛應用了中簡科技發展有限公司的高性能碳纖維產品。這家自主建成國內第一條高性能碳纖維生產線的企業為我國國防軍工事業的發展作出有益探索。

　　碳纖維的需求預計將以每年15％以上的速度擴大。預計5年後，市場將擴大到現在的2倍以上。碳纖維要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。例如，如果要應用於比寶馬i3便宜的普及價位的量產車，在成型後的狀態下，CFRP的價格需要控制在每千克61元左右。而目前的價格是其數倍至數十倍。

　　於是，由東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、東京大學等組成的研究團隊挑戰了NEDO的項目——能以低價格量產的「碳纖維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）」，並且於2013年2月開發成功。

　　市場上流通的CFRP大多數使用的是加熱會變硬的環氧樹脂等熱固性樹脂。這種樹脂雖然強度好，但存在加工麻煩等缺點。

　　通過使用加熱會變軟、具有熱可塑性的聚丙烯樹脂，預計可在與鐵衝壓同等的1分鐘以內成型。因可以使用模具加工成複雜的形狀，所以能用來製作多種構件。其最大的缺點是強度不足，通過實施將碳纖維與樹脂牢固結合的特殊處理得以克服。

　　按照該項目的估算，普通乘用車如果把大約60％的鐵構件換成CFRTP，車體大約可以減輕30％，汽油的消費量也可以減少22.5％。

　　今後，有關企業和機構將繼續研究碳纖維與其他材料的接合技術等，預計在2020年以後可實現商品化。