一說起采用碳纖維的復合材料CFRP(碳纖維增強復合材料),大家都知道它既輕又堅固,但同時也是一種昂貴的材料。筆者10多年前買過一個用CFRP全手工制作的公文包,當時的價格達到5萬日元以上。由于重量為1kg左右,因此產品價格超過了5萬日元/kg。
現在,CFRP大多用在部分限量車型及高價位跑車上,依然不能輕易用于量產車。比如,富士重工業2011年在“翼豹”的400輛限量車型“翼豹WRX STI tS”的車頂中采用了CFRP,車輛價格高達422.1萬日元,單獨購買車頂作為維修部件的話也需要35萬日元。
不過,CFRP的價格目前已出現下降跡象。德國寶馬將于2013年銷售的電動汽車“i3”的車身就是采用CFRP來制造的,并將生產規模設定為每年1萬輛。以前車身使用CFRP的汽車均以年產1000輛為上限,并且車輛價格高達3000萬日元以上。而i3的價格據稱僅為400萬日元左右,而且3年后還有可能年產數萬輛。當然,寶馬的舉措也許帶有試驗的成分,但從該公司以前從未在量販車使用CFRP的角度來看,可以說這是邁向全面采用CFRP的第一步。
用CFRP制造整個車身時,原來成本達到數百萬日元,但寶馬通過采用RTM(Resin Transfer Molding,樹脂傳遞成型)工藝實現了低成本化。該方法先將碳纖維放入模具,然后注入環氧樹脂和硬化劑使碳纖維硬化。其優點在于,與以往把碳纖維浸于樹脂(預浸材料)形成片材,將其鋪在模具底部,然后通過高壓容器加熱加壓使片材硬化的方法相比,可大幅縮短成型時間。碳纖維是價格高達2000日元/kg的昂貴材料,而且加工費及設備折舊費也達到材料費的數倍,進一步提高了CFRP的成本。而RTM工藝的成型時間目前為7~90分鐘,遠遠短于使用預浸材料的高壓成型的2~4小時。這樣一來,成型品的單位重量的成本也有望降至原來的1/5~1/7的水平。
利用RTM的成型使用原有的熱硬化樹脂,但為了實現更短時間的成型,業內還在開發使用熱可塑性樹脂的CFRP。熱可塑性樹脂具有加熱后變軟的特性,能夠使用這種材料的話,通過沖壓成型,只需1分鐘的短成型時間即可制造出相關部件。目前,在帝人及NEDO(日本新能源及產業技術綜合開發機構)等努力下,已有多種中間基材(在樹脂中摻入碳纖維的片材)的方案被提出來。
而且,利用比RTM更快的沖壓成型來制造部件,成本還可進一步降至數分之一。東京大學研究生院工學系研究科系統創成學專業的教授高橋淳認為,“成型產品的成本有望將至1000日元/kg”。要達到這一目標,還需從碳纖維的制造方法入手加以改進,而這一研究目前已經開始,F在的碳纖維是通過灼燒PAN(聚丙烯腈)樹脂纖維制成的,作為原料的樹脂,其成本并非每kg數千日元,而是數百日元。因此,通過改進其燒制工序,便有望大幅降低成本。高橋提出了并非像以前那樣在高壓容器中以輻射熱燒制,而是利用微波從內部加熱的方案。
雖然與低成本的鐵及鋁合金相比,CFRP在量販車中采用的門檻較高,但隨著材料的低成本化以及新的成型方法的出現,實現的可能性也是很高的。