2012-6-20 來源:日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng)
關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 熱可塑性 量產(chǎn)難關(guān)
在“熱可塑性”樹脂上尋找出路
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。
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。
要使熱固性樹脂保持一定的強度，需要花費時間。這是因為，通過使之緩慢地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)會變得整齊，形成更加堅固的材料。例如，波音787使用的材料是用4個多小時的時間凝固成形的。這是無法實現(xiàn)大量生產(chǎn)的最大原因。
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�！�
而且，不能進(jìn)行循環(huán)再利用也是一個很大的課題�，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。
不過，如果是碳纖維復(fù)合材料，殘留部分只能廢棄。這是因為，已經(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)合材料會有接近一半被廢棄。
另外，成形前必須進(jìn)行冷凍保存等，這也花費不少成本，因此，現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料的價格高達(dá)1公斤1萬日元以上。而鐵每公斤僅為幾百日元，價格相差兩位數(shù)。
因此，高橋教授等致力于實現(xiàn)使用比較容易加工的“熱可塑性樹脂”的碳纖維復(fù)合材料的實用化。
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間即可成形。
在強度相同的情況下，車身重量可減輕30％
實際上，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，主要是因為無法使熱可塑性樹脂和碳纖維很好地粘合在一起。
因此，項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)。
經(jīng)過各企業(yè)的努力，終于實現(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％，同時還確保了與熱固性樹脂碳纖維復(fù)合材料同等的強度。
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，就在于粘合性和含浸性�！�
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。
由于本來就比較短，因此即使利用沖壓機切割掉不需要的部分，也很少因切割導(dǎo)致強度下降。接近100％可進(jìn)行循環(huán)再利用，因此經(jīng)濟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)備費及運用費。
“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。
該項目是在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。
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)機構(gòu)還在同時推進(jìn)旨在實現(xiàn)如今10倍年產(chǎn)量的項目。另外，碳纖維目前的價格高達(dá)每公斤3000日元左右，但據(jù)高橋教授計算，如果產(chǎn)能提高到目前的10倍，價格便可降低到每公斤1000日元左右。
如果熱可塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)實用化，得到廣泛普及，便可實現(xiàn)更加環(huán)保、人性化及節(jié)約成本的汽車社會。據(jù)稱通過該項目，2016～18年實現(xiàn)實用化已有頭緒。希望能夠早日投入實用。 （《日經(jīng)商務(wù)在線》特約撰稿人：山田久美）