大幅降低碳纤维制造成本的新制造方法

　　2014年4月开始在日本销售的宝马纯电动汽车“i3”作为全球首款采用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)骨架的量产车，成为关注的焦点(图1)。据介绍，通过采用以CFRP骨架为中心的轻量化技术，与通常结构的车体相比，i3的重量减轻了350kg。

图1：上部骨架采用CFRP的宝马i3下部底盘为铝合金制造。

i3在碳纤维制造企业和汽车企业中引发了最高级别的关注，而日本有一项技术受到的期待不亚于此，那就是日本的国家项目“革新碳纤维基础技术开发”正在着手研究的碳纤维全新制造方法。

该项目旨在寻找可替代聚丙烯腈(PAN)纤维的新原料，提出具有原料特性而且低成本的新的制造工序。目标是以10倍的生产效率、1/2的耗电量，量产能够应用于汽车等领域的碳纤维。该项目的统括负责人是东京大学研究生院工学系研究科教授影山和郎，项目带头人是日本产业技术综合研究所能源技术研究部门(总括研究主管)羽鸟浩章，东丽、帝人(东邦特耐克丝)、三菱丽阳等3家碳纤维制造企业参与了该项目。

如果生产效率能提高到10倍、在碳纤维成本中占据相当大比重的电费能降低到1/2以下，那么制造成本就能大幅缩减。作为新原料的候选，该项目的研究人员已经筛选出2种高分子材料。一种是“借助碱性含氮官能团的性质，可溶于溶剂的芳香族高分子——新前体化合物A”，另一种是“具备溶解剂与氧化高分子链结合成袖筒状的柔软结构的新前体化合物B”。通过上述描述并不能猜测出是何种原料，之所以如此含糊其辞，是因为“材料种类属于重大机密，实施了严格的信息管理。这些已经是能够公布的全部内容”(影山)。

特别是化合物A，影山表示，通过改善纺丝工序和碳化工序，“拉伸强度和断裂伸长率有望提高到(目前的)2倍左右”，显现出了对于满足汽车用途所需性能的自信。但在目前，这种材料还处于使用年产数kg的设备开展基础实验的阶段。建立起量产技术还有很长的路要走。预计到2016年度，该项目将会制造年产吨级的试验设备，着手确立量产技术。

关于削减CFRP的成本，除了上面介绍的碳纤维的低价格化之外，还必须削减制造CFRP部件的加工成本。这方面的研究也有很多。为了量产i3，宝马与碳产品制造企业合资生产碳纤维，并采用全新的汽车生产工序。

通常的汽车组装线是利用焊接的方式接合冲压成型的钢板，而i3则是以对RTM法注1)成型的约150个部件进行接合的方式组装骨架(图2)。因此，CFRP骨架的组装完全不借助焊接。组装线上不再有焊接工序。约150个部件听起来似乎很多，但与利用钢板制造框架相比，数量已经减少了约2/3。

图2：CFRP骨架的组装工序部件搬运、涂布粘合剂、接合等使用机器人等自动完成。

注1)RTM法：通过对碳纤维织物等进行预成型，制作产品形状的预成型坯，将预成型坯固定在模具上，浇注热硬化性环氧树脂等材料的成型方法。同时对模具整体加热，使成型品硬化。

i3的RTM法成型周期约为10分钟，1分钟即可成型、使用热可塑性树脂的CFRP也在开发之中。这种材料不仅生产效率高，而且节拍时间与汽车的组装线相同，具有能够与其他工序同步的优点。在得到量产车i3的采用后，CFRP开始全面配备于汽车，其最大的目标，是进入产量巨大的普及型汽车。以此为目标的各种动向已经出现。