碳纤维材料正在向飞机和汽车普及

碳纤维、超导材料、藻类生物质，……节能、省资源的环保材料在各个领域都取得了长足的进步。曾经的“未来技术”已经来到了实用化阶段，展开了激烈的开发竞争。不只是“环保性能”，在价格和功能上具有竞争力的材料也已经出现。本文我们来追踪材料革命的最前沿。

“这次发布的是超越了以往汽车的产品。是实现可持续交通的革命性一步。”

2013年7月，在纽约举办的宝马集团首款量产型纯电动汽车“宝马i3”的发布活动上，宝马集团董事长诺伯特·雷瑟夫（Norbert Reithofer）热情地向观众介绍着这款产品。

宝马集团于2013年7月，在纽约为首款量产型纯电动汽车“宝马i3”举办发布会。董事长诺伯特·雷瑟夫（右二）宣扬了用碳纤维增强树脂实现了大胆轻量化的i3的革命性创举

i3最大的特色是基础框架使用碳纤维强化塑料（CFRP），实现了令人震撼的轻量化。

CFRP不仅具有高强度，而且重量比铁轻一半，比铝轻30％，能大幅改善燃效。是实现低碳社会必不可少的环保材料。在消耗大量燃料的飞机上已经广泛应用。

在汽车领域，CFRP此前虽然也在部分高级跑车上采用，但全面应用于量产车的主要构件尚属首次。

价格降低了一位数

纯电动汽车因为要搭载大容量蓄电池，所以重量大约比汽油车重200kg。而通过框架上采用CFRP，底盘改换为铝合金，车体的重量减轻了约350kg，抵消后轻了约150kg。因为车体上部大幅减轻，车辆整体的重心下降，行驶性能也得以提升。

消费者对i3的关注度很高，在欧洲，i3于2013年11月上市后，订购数量已经达到了1万辆以上。在日本也已于4月上市。据称希望试驾的人数突破了1万人。

i3受到关注的理由不仅仅是性能。还有一大因素是低至499万日元（含税）的建议零售价。以高档车的级别，实现了普通消费者可以接受的价格。对此，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）电子、材料、纳米技术部主任佐藤隆行难掩惊讶之情：“与过去全面采用碳纤维的汽车相比，价格便宜了一位数。简直令人难以置信”。

制造碳纤维时，加热要使用大量电能。宝马利用水力和风力发电，减少了制造过程产生的CO2

“宝马i3”通过为基础框架采用碳纤维强化塑料，底盘采用铝合金，成功减轻了约350kg

以实现“碳纤维汽车”的商品化为目标，全世界的汽车企业展开了激战。2010年丰田上市的跑车“雷克萨斯LFA”开日本国产车之先河，全面采用CFRP制造车体，成为了关注的焦点。但其价格也创下了日本国产车中最高的3750万日元。因为采用的是手工制造的订货型生产方式，所以其成本压缩受限。

宝马通过开发多种技术提高生产效率，终于将CFRP成功地应用于量产车。

碳纤维是把丙烯等纤维在无氧状态下“蒸烤”炭化制成。把碳纤维在平面上排列、或编织成片，再用树脂加固，就成为了CFRP。

飞机等使用的CFRP在成型时，要在专用釜中加热加压，使构件硬化。这样做虽然可以获得极高的强度，但成型需要若干小时，而且成本高昂。i3使用的CFRP采用了无需加压加热的新工艺——RTM（树脂传递模塑）：把预成型的碳纤维布放入模具，高压注入树脂，使纤维与树脂结合，可在10分钟以内成型。

而且，还开发了将CFRP成型品粘合起来的粘合剂，粘合时间缩短到以往的10分之1的，粘接工序也利用机器人实现了自动化。通过构筑量产体制，大幅降低了成本。

 

跨过每kg/1千日元的门槛

碳纤维也是日本的家传技艺。日本的纤维产业实力雄厚，着眼于长期发展而持续投资研发的日本纤维企业力压欧美企业，掌握着全球70％的份额。宝马的碳纤维原丝供应商也是日本的三菱丽阳。作为正牌环保材料的碳纤维受到自全世界的关注，碳纤维竞争以日本为舞台已经展开。

在与汽车比肩的另一个碳纤维主战场——飞机领域，东丽与美国波音、帝人与法国空中客车分别展开合作，展开了霸权之争。

1971年，东丽在全球率先开始商业生产碳纤维，现在稳居全球份额榜首。1975年，波音在机翼的部件上率先采用了碳纤维。

之后，东丽继续不断改进质量，把拉伸强度（断裂难度）提高到原来的近2倍，拉伸弹性模量（变形难易）提高到原来的近3倍，满足了众多用途的需求。其技术实力备受好评，在2011年投入航运的最先进中型客机“波音787”上，CFRP已经占到了机体重量的5成。

帝人一直长期为空中客车世界最大的双层客机“A380”供应碳纤维原丝和碳纤维布等材料。并且，还将首次以构件的形式，向预定在年内投入航运的新一代中型客机“A350XWB”的试验飞机供应机体和机翼等主要结构材料，双方的关系正在稳步升温。

今后，碳纤维的需求预计将以每年15％以上的速度扩大。预计5年后，市场将扩大到现在的2倍以上。东丽ACM技术部长小田切信之说：“（碳纤维）可以称得上是引领绿色创新、肩负公司未来的商品”。

碳纤维要在社会上普及到与铁和铝那样的程度，要解决的课题还有不少。其中比较重要的是成本与成型性。比方说，如果要应用于比宝马i3便宜的普及价位的量产车，在成型后的状态下，CFRP的价格需要控制在每kg/1000日元左右。而目前的价格是数倍至数十倍。

于是，由东丽、三菱丽阳、东洋纺、高木精工、东京大学等组成的研究团队挑战了NEDO的项目——能以低价格量产的“碳纤维强化热可塑性树脂（CFRTP）”，并且于2013年2月开发成功。

2月在新加坡举办的亚洲最大航展。波音787（后）与空客A350XWB（前）成为了关注的焦点 摄影：Landov/Aflo

市场上流通的CFRP大多数使用的是加热会变硬的环氧树脂等热固性树脂。这种树脂虽然强度好，但存在加工麻烦等缺点。

通过使用加热会变软、具有热可塑性的聚丙烯树脂，预计可在与铁冲压同等的1分钟以内成型。因可以使用模具加工成复杂的形状，所以能用来制作多种构件。其最大的缺点——强度不足，通过实施将碳纤维与树脂牢固结合的特殊处理得以克服。

NEDO的项目中开发的碳纤维强化热可塑性树脂能够做曲面、凹凸、卷压等复杂加工 照片提供：日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）

聚丙烯树脂比环氧树脂还要便宜。前面提到的佐藤主任介绍说：“若能够降低碳纤维的价格，则由低廉的树脂原料和加工费的压缩，碳纤维就有可能在量产车中得到广泛运用”。

按照该项目的估算，普通乘用车如果把大约60％的铁构件换成CFRTP，车体大约可以减轻30％。汽油的消费量也可以减少22.5％。

今后，将继续研究碳纤维与其他材料的接合技术等，经汽车企业进估后，预计在2020年以后可实现商品化。