复合材料/胶粘剂
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CFRP变得便宜了
http://cn.newmaker.com
3/28/2012 11:15:00 AM
日经BP社
一说起采用碳纤维的复合材料 CFRP(碳纤维增强复合材料),大家都知道它既轻又坚固,但同时也是一种昂贵的材料。笔者10多年前买过一个用CFRP全手工制作的公文包,当时的价格达到5万日元以上。由于重量为1kg左右,因此产品价格超过了5万日元/kg。
现在,CFRP大多用在部分限量车型及高价位跑车上,依然不能轻易用于量产车。比如,富士重工业2011年在“翼豹”的400辆限量车型“翼豹WRX STI tS”的车顶中采用了CFRP,车辆价格高达422.1万日元,单独购买车顶作为维修部件的话也需要35万日元。
不过,CFRP的价格目前已出现下降迹象。德国宝马将于2013年销售的电动汽车“i3”的车身就是采用CFRP来制造的,并将生产规模设定为每年1万辆。以前车身使用CFRP的汽车均以年产1000辆为上限,并且车辆价格高达3000万日元以上。而i3的价格据称仅为400万日元左右,而且3年后还有可能年产数万辆。当然,宝马的举措也许带有试验的成分,但从该公司以前从未在量贩车使用CFRP的角度来看,可以说这是迈向全面采用CFRP的第一步。
用CFRP制造整个车身时,原来成本达到数百万日元,但宝马通过采用RTM(Resin Transfer Molding,树脂传递成型)工艺实现了低成本化。该方法先将碳纤维放入模具,然后注入环氧树脂和硬化剂使碳纤维硬化。其优点在于,与以往把碳纤维浸于树脂(预浸材料)形成片材,将其铺在模具底部,然后通过高压容器加热加压使片材硬化的方法相比,可大幅缩短成型时间。碳纤维是价格高达2000日元/kg的昂贵材料,而且加工费及设备折旧费也达到材料费的数倍,进一步提高了CFRP的成本。而RTM工艺的成型时间目前为7~90分钟,远远短于使用预浸材料的高压成型的2~4小时。这样一来,成型品的单位重量的成本也有望降至原来的1/5~1/7的水平。
利用RTM的成型使用原有的热硬化树脂,但为了实现更短时间的成型,业内还在开发使用热可塑性树脂的CFRP。热可塑性树脂具有加热后变软的特性,能够使用这种材料的话,通过冲压成型,只需1分钟的短成型时间即可制造出相关部件。目前,在帝人及NEDO(日本新能源及产业技术综合开发机构)等努力下,已有多种中间基材(在树脂中掺入碳纤维的片材)的方案被提出来。
而且,利用比RTM更快的冲压成型来制造部件,成本还可进一步降至数分之一。东京大学研究生院工学系研究科系统创成学专业的教授高桥淳认为,“成型产品的成本有望将至1000日元/kg”。要达到这一目标,还需从碳纤维的制造方法入手加以改进,而这一研究目前已经开始。现在的碳纤维是通过灼烧PAN(聚丙烯腈)树脂纤维制成的,作为原料的树脂,其成本并非每kg数千日元,而是数百日元。因此,通过改进其烧制工序,便有望大幅降低成本。高桥提出了并非像以前那样在高压容器中以辐射热烧制,而是利用微波从内部加热的方案。
虽然与低成本的铁及铝合金相比,CFRP在量贩车中采用的门槛较高,但随着材料的低成本化以及新的成型方法的出现,实现的可能性也是很高的。(记者:林 达彦,《日经汽车技术》)
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