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聚焦科技：热固性CFRP在汽车中的作用有哪些？今天我们就结合具体车型来加以介绍。 众所周知，德国宝马（BMW）公司的电动汽车“i3”是量产车。但其价格约为500万日元，很难被称作大众型汽车，宝马公司必须进一步削减成本。而迅速为大众所关注的，就是树脂成分中采用了聚丙烯（PP）和聚酰胺（PA）等热塑性树脂的热塑性CFRP。热固性CFRP强度高、刚性好，轻量化效果显著，应用在汽车的骨架和外板上能够达到很高的尺寸精度。但同时也有量产性低、大量生产时成本较高的不利一面。因为在成型工序中，树脂固化（高分子化）的成型周期较长。 汽车工厂的生产节拍约为1分钟，假定热固性CFRP的成型周期是10分钟，那么要配合1分钟的生产节拍就需要10台成型机器。另一方面，热塑性树脂本身就是高分子形态，将其熔化后冷却、成型只需要不到1分钟。虽然热塑性CFRP成型所使用的大型冲压机器和注塑成型机器要比热固性CFRP成型所使用的RTM法成型机器更加昂贵，但是因为其生产效率高，所以量产规模越大，成本方面就越占优势。而在热塑性CFRP方面，日本的帝人株式会社的成果非常显著。2011年3月，帝人株式会社开发出一种技术，可在1分钟内将热塑性CFRP冲压成型。同时，帝人株式会社还展示了配有热塑性CFRP骨架的样品车。
该车骨架重47kg，是钢骨架的1/5，由片状基材（分单向性基材和各向同性基材2种）的冲压成型品和长纤维增强颗粒的注塑成型品粘接而成。2011年12月，帝人株式会社与美国GeneralMotors公司（简称GM公司）签订协议，共同开发用该技术制造的热塑性CFRP零部件。GM公司由此确立了在全球销售的小汽车、卡车、跨界车等量产车上采用热塑性CFRP零部件的方针。帝人株式会社在宣布这一计划时表示：“我们的目标是2015年后，将该技术应用于年产数万辆的量产车上。”随后，帝人未公布任何与GM公司进行共同开发的进展状况、热塑性CFRP的物理性质等相关的信息。但是本次，帝人株式会社的执行总裁、碳纤维及复合材料事业本部部长兼东邦特耐克丝社长吉野隆接受采访时明确表示，与GM公司的共同开发进展顺利，原定日程并没有改变。 东丽作为全球第一大碳纤维生产商，也在积极推进热塑性CFRP的开发。2012年发布的电动汽车的概念模型中，汽车车顶和汽车前部的舱门外板就采用了热塑性CFRP的冲压成型材料。不过，东丽此后并没有公布其他成型样品。东丽的生产本部负责人吉永稔介绍说：“成为中间基材的片材上碳纤维的分布不同，片材的机械特性也大不相同。所以说，这一点是各公司的最高机密。”此外，关于热塑性CFRP的物理性质和成型样品，东丽也透露了一些信息。以下，是东京大学工学系研究科系统创成学专业的教授高桥淳负责的“热塑性CFRP（CFRTP）的研发小组的硕果。
高桥淳领导的研发小组正在开发一种名为Carbonfiber Tape Thermoplastics（简称CTT）的、具有独特片状结构的中间基材。这种基材是将单向性基材（UD胶带）以一定的长度截断，使其随机分散，然后将PP渗透在上面所形成的片状材料。单向性基材指的是将连续碳纤维往一个方向集中，然后用PP固定成胶带状的材料。因此，从上往下观察的话，片材呈现出来的是类似于将“报事贴”分散粘贴后形成的特殊性状。各向同性基材是将碳纤维在纤维水平上均匀分散形成的。单向性基材由于将一定长度的碳纤维集中起来，补强效果更好，所以与各向同性基材相比，机械特性更加优异。 热塑性CFRP是CTT冲压成型形成的，所以单位重量要比飞机专用的热固性CFRP更重。具体来说，热塑性CFRP在拉伸弹性率和拉伸强度方面性能优良，能将悬臂梁式冲击强度提高1.5～2倍。该研发小组以制造汽车的结构部件为目标，用CTT制成了槽型钢结合部件，并进行了3点弯曲试验。试验中准备了2种热塑性CFRP制成的结合部件：1件是只将PP和CTT组合在一起的部件；另一件是将PP和CTT/单向性基材的层积材料组合后形成的部件。
CTT和单向性基材的层积材料与仅有CTT的材料相比，耐弯曲破坏强度得到了进一步的改善。同时，研发小组还将其与使用相同结构的440MPa级高张力钢板和780MPa级高张力钢板制成的样品进行了对比。根据3点弯曲试验的分析结果，实现相同刚性的情况下，层积材料的重量只需达到高张力钢板的一半就够了。此时的冲击吸收能力达到了440MPa级高张力钢板的2倍，是780MPa级高张力钢板的1.5倍。 应用技术方面考虑削减成本：高桥淳坚信，随着热塑性CFRP技术的进步，CFRP零部件的价格一定会降低到和铁相当的水平。其展望如下。大致的流程是：将制造碳纤维的技术与将碳纤维制成部件的应用技术作为推动汽车产业发展的两个车轮不断进化，大幅削减CFRP零部件的成本。 首先，在“革新碳纤维基础技术开发”项目中确立新的制造方法，前提是碳纤维价格大幅下降。不过，碳纤维价格即便削减到以往价格的1/2或者1/3，成本效益比还是不如铁。因此，要不断推动CFRP应用技术的进化。可参考以下三个要点。第一，提高成型时的生产效率。此时，考虑到潜力的高低，热塑性CFRP成了公认的主角。如前述CTT那样，如果能凭借中间基材的进化提高热塑性CFRP零部件的强度、刚性、耐冲击性等机械特性的话，那么热塑性CFRP的使用量会减少。如样一来，就能进一步削减零部件成本，提高轻量化效果。并且，还能应对各种结构的设计。
第二，掌握设计技巧，尤其是CFRP零部件的结构设计技术是非常重要的。在热塑性CFRP中，就机械特性来说存在两中材料，一种是不管哪个方向上都相同的各向同性基材，另一种是单向性基材。将两者组合起来就可以改变各部位的机械特性。如果能将这一特征灵活应用于设计中，那么就能进一步实现轻量化。高桥淳表示：“我们的目标，是与现在的钢板产品相比，将白车身的重量减少6成。”如果能实现这种程度的轻量化，就能减少引擎、悬挂装置、车胎等部件的负担。例如，只使用低成本、轻量型的小排量引擎就够了。 高桥淳还表示：“如此一来，便能得到次要效果，也就是汽车整体的重量减少一半。当然，也能大幅削减油耗。”高桥淳研发小组在削减成本方面也是煞费苦心。热塑性CFRP在熔化状态下粘度较高，因此在大型部件的成型上，需要有成型压力高的大型冲压机。如此一来，设备投资额势必会上涨。为了解决这一课题，高桥淳研发小组开始研究“将部件进行分隔后再粘接起来”的技术。
第三，对工厂内产生的边角料等进行再利用。如果能通过再利用减少废弃材料，就能直接削减成本。从这一点也可以看出，可熔化后再进行利用的热塑性CFRP有尚存诸多可能性。要想把CFRP零部件的价格降低到与铁相当，需要研发低成本碳纤维的制造方法，以及各种相关技术。高桥淳表示：“我们达到这个目标还需要一定时间，不过不会很长”。说到底，究竟是否开发全面采用CFRP的大众款汽车，还需要汽车厂商进行最终判断。各厂商应该随着技术开发的进展，开展遥遥领先于“i3”的大项目。目前来看，还不能说已经研发完成了进行这一判断所需的相关技术。GM公司与帝人株式会社联合起来，率先迈出了一大步。 |
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