大幅降低碳纖維制造成本的新制造方法_業(yè)內(nèi)資訊_業(yè)界資訊__復(fù)合材料信息網(wǎng)

　　2014年4月開始在日本銷售的寶馬純電動汽車“i3”作為全球首款采用 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)骨架的量產(chǎn)車，成為關(guān)注的焦點(圖1)。據(jù)介紹，通過采用以CFRP骨架為中心的輕量化技術(shù)，與通常結(jié)構(gòu)的車體相比，i3的重量減輕了350kg。 　　圖1：上部骨架采用CFRP的寶馬i3下部底盤為鋁合金制造。 　　i3在 碳纖維制造企業(yè)和汽車企業(yè)中引發(fā)了最高級別的關(guān)注，而日本有一項技術(shù)受到的期待不亞于此，那就是日本的國家項目“革新碳纖維基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)”正在著手研究的碳纖維全新制造方法。 　　該項目旨在尋找可替代聚丙烯腈(PAN)纖維的新原料，提出具有原料特性而且低成本的新的制造工序。目標(biāo)是以10倍的生產(chǎn)效率、1/2的耗電量，量產(chǎn)能夠應(yīng)用于汽車等領(lǐng)域的碳纖維。該項目的統(tǒng)括負(fù)責(zé)人是東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授影山和郎，項目帶頭人是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所能源技術(shù)研究部門(總括研究主管)羽鳥浩章，東麗、帝人(東邦特耐克絲)、三菱麗陽等3家碳纖維制造企業(yè)參與了該項目。 　　如果生產(chǎn)效率能提高到10倍、在碳纖維成本中占據(jù)相當(dāng)大比重的電費能降低到1/2以下，那么制造成本就能大幅縮減。作為新原料的候選，該項目的研究人員已經(jīng)篩選出2種高分子材料。一種是“借助堿性含氮官能團的性質(zhì)，可溶于溶劑的芳香族高分子——新前體化合物A”，另一種是“具備溶解劑與氧化高分子鏈結(jié)合成袖筒狀的柔軟結(jié)構(gòu)的新前體化合物B”。通過上述描述并不能猜測出是何種原料，之所以如此含糊其辭，是因為“材料種類屬于重大機密，實施了嚴(yán)格的信息管理。這些已經(jīng)是能夠公布的全部內(nèi)容”(影山)。 　　特別是化合物A，影山表示，通過改善紡絲工序和碳化工序，“拉伸強度和斷裂伸長率有望提高到(目前的)2倍左右”，顯現(xiàn)出了對于滿足汽車用途所需性能的自信。但在目前，這種材料還處于使用年產(chǎn)數(shù)kg的設(shè)備開展基礎(chǔ)實驗的階段。創(chuàng)建起量產(chǎn)技術(shù)還有很長的路要走。預(yù)計到2016年度，該項目將會制造年產(chǎn)噸級的試驗設(shè)備，著手確立量產(chǎn)技術(shù)。 　　關(guān)于削減CFRP的成本，除了上面介紹的碳纖維的低價格化之外，還必須削減制造CFRP部件的加工成本。這方面的研究也有很多。為了量產(chǎn)i3，寶馬與碳產(chǎn)品制造企業(yè)合資生產(chǎn)碳纖維，并采用全新的汽車生產(chǎn)工序。 　　通常的汽車組裝線是利用焊接的方式接合沖壓成型的鋼板，而i3則是以對RTM法注1)成型的約150個部件進(jìn)行接合的方式組裝骨架(圖2)。因此，CFRP骨架的組裝完全不借助焊接。組裝線上不再有焊接工序。約150個部件聽起來似乎很多，但與利用鋼板制造框架相比，數(shù)量已經(jīng)減少了約2/3。 　　圖2：CFRP骨架的組裝工序部件搬運、涂布粘合劑、接合等使用機器人等自動完成。 　　注1)RTM法：通過對碳纖維織物等進(jìn)行預(yù)成型，制作產(chǎn)品形狀的預(yù)成型坯，將預(yù)成型坯固定在 模具上，澆注熱硬化性環(huán)氧樹脂等材料的成型方法。同時對模具整體加熱，使成型品硬化。 　　i3的RTM法成型周期約為10分鐘，1分鐘即可成型、使用熱可塑性樹脂的CFRP也在開發(fā)之中。這種材料不僅生產(chǎn)效率高，而且節(jié)拍時間與汽車的組裝線相同，具有能夠與其他工序同步的優(yōu)點。在得到量產(chǎn)車i3的采用后，CFRP開始全面配備于汽車，其最大的目標(biāo)，是進(jìn)入產(chǎn)量巨大的普及型汽車。以此為目標(biāo)的各種動向已經(jīng)出現(xiàn)。 更多信息請關(guān)注中國 復(fù)合材料信息網(wǎng) http://cnfrp.net