碳纖維轎車加速突破量產技術

    2011年10月,日本國土交通省及經濟產業省制定了以2020年度為目標的更加嚴格的轎車新燃效標準。歐洲也將于今年大幅度強化汽車的二氧化碳排放規則。隨著規則的強化,電動汽車(EV)、混合動力車(HV)等環保車的普及已進入人們的視野。想改善燃效,延長行駛距離,車體輕量化必不可少是大勢所趨。
  在鋼鐵企業及化學企業致力于原料開發的背景下,碳纖維復合材料(CFRP)被寄予厚望。碳纖維復合材料的重量是鐵的1/4,強度卻是其10倍。從這種材料的市場看,日本的東麗、三菱麗陽、帝人這3家企業掌握著7成的市場份額。 
  碳纖維復合材料雖被采用于豐田高檔車“雷克薩斯LFA”的骨架等,但其成型時間長成為瓶頸,一直被認為不適用于量產車。但是2011年,碳纖維復合材料企業相繼發布了著眼于實現量產的試制車。
  數說 1分鐘
  熱可塑性樹脂量產技術1分鐘成型。
  2011年3月,帝人公司公布已成功掌握以快速,即在1分鐘之內成型的量產技術。使用的是加熱即融化、冷卻即凝固的“熱可塑性樹脂”。其做法是對樹脂中含有碳纖維的中間材料進行沖壓成型。以往的碳纖維復合材料主要是使用加熱即凝固的“熱硬化性樹脂”,熱硬化性碳纖維復合材料一般必須有燒結工序,成型過程短也要花費5分鐘,通過采用熱可塑性樹脂便可省去燒結工序,從而縮短成型時間。由此突破了決定能否進入量產車生產線的“1分鐘屏障”。
  此次試制的電動汽車的車體骨架為47公斤,兩個成年人就能抬起來。既保持了可與鐵制骨架匹敵的強度,重量又只有鐵制骨架的1/5。
  為了提高強度,帝人開發了3種中間材料。包括對限定方向具有高強度的材料、對所有方向強度均等的材料等,目的是根據使用部位的需要區分使用,由此可實現全部熱可塑性碳纖維復合材料的車體骨架。該公司開發出了熱可塑性碳纖維復合材料之間、以及與不同原材料之間的結合技術,減少了金屬的使用量,從而有助于實現車身輕量化。這些都將促動日本國內外的企業將采用這些新技術的碳纖維復合材料應用于量產車。
  數說 3個部件
  焊接部件數由五六十個大幅減少至3個。
  2011年9月,東麗發布了采用碳纖維復合材料試制的新一代電動汽車。車體基本結構是采用熱硬化性碳纖維復合材料造的“RTM一體式車架”。RTM是“樹脂傳遞(Resin Transfer)成型法”的簡稱,是碳纖維復合材料量產法的一種。具體做法是,在模具內填入碳纖維織物之后,用樹脂進行浸漬,并使其硬化。由于樹脂借助模具的溫度即可凝固,無需燒結工序,因此成型時間只需要10分鐘左右,但僅憑這些還遠遠不能實現量產化。
  于是,東麗將車內乘員座位部分設計成箱型一體式結構。如果是鐵制需要焊接50~60個部件,而碳纖維復合材料制只需焊接3個部件即可,生產效率大為提高。“我們已在考慮如何實現5分鐘成型”,東麗汽車中心所長山中亨這樣說。熱硬化性碳纖維復合材料的成型以前需要花費2個多小時,而現在只需要10分鐘。該公司今后將繼續同時進行縮短成型時間的研究和一體式成型法的開發。
  數說 160公斤 20%
  電動汽車采用160公斤碳纖維復合材料,占車體重量近20%。
  東麗此次試制的新一代電動汽車上采用了160公斤的碳纖維復合材料,相當于846公斤車體重量的近20%。發動機罩、后箱蓋及天窗均采用了熱可塑性碳纖維復合材料。山中所長表示:“熱硬化性碳纖維復合材料被應用于賽車,以其高度的碰撞安全性受到信賴。直接關系到安全的部件使用熱硬化材料,其他部分使用熱可塑材料等,這樣可以實現材料各盡其用。我們希望充分發揮各種原料的長處。”
  在4人座轎車上采用這種材料時,與以往的電動汽車相比,車體重量可減輕大約2/3,二氧化碳排放量可減少9%。今后,該公司將把這種材料推廣到4人座車型上,力爭在500萬日元左右的普通車上普及碳纖維復合材料。早在2011年3月,該公司就與德國戴姆勒公司成立了碳纖維復合材料的合資公司。合資公司在德國建設工廠,從今年推出的梅賽德斯?奔馳高端車型開始,供應碳纖維復合材料的量產部件。
   2011年4月,三菱麗陽開始供應德國寶馬(BMW)公司碳纖維原料。寶馬公司在自己開設的部件工廠中將其加工成碳纖維復合材料,然后應用到車體上。公司計劃將該材料全面應用于將在2013年推出的寶馬電動汽車上。
  據日本富士經濟公司預測,采用碳纖維復合材料的汽車在市場到2020年將達到年產400萬輛。電動汽車及混合動力車等環保車為年產1150萬輛。原材料企業發布的試制車預告了碳纖維復合材料車時代的到來。