科技生产趣谈：CFRP的基础信息以及控制碳纤维制造成本的重点。

1、CFRP的种类和结构。各种CFRP是如何被制造出来的？这得先从碳纤维说起。碳纤维是一种纤维，和树脂组合成复合材料后，才能用于制造部件。根据所用树脂的种类和碳纤维的品种、状态（可以制造成织物、短纤维等多种多样的形态）的不同，CFRP的特性也大不相同。单是主要的中间基材及成型材料，就有4种。而每一种中间基材和成型材料，都有不同的主要成型法。

2、“热固性”与“热塑性”。CFRP中使用的树脂主要有两大类：一类是环氧树脂和不饱和聚酯树脂等热固性树脂；另一类是聚丙烯（PP）和聚酰胺（PA）等热塑性树脂。这两种树脂性质各异。热固化树脂在碳纤维渗透阶段是低粘度单体，成型时通过加热引起聚合反应进而形成聚合物（树脂）。聚合反应很费时间，因此成型周期一般都很长。制造飞机的结构部件时采用的热压罐法，加热时间达到了2～4小时。另一方面，如果使用的是热塑性树脂，其成型与普通树脂成型基本相同，因此小型部件的注塑成型在10秒内就能完成。即便是相当大的部件，冲压成型也只需数分钟，生产效率高，可轻松实现低成本化。不过，与热固性树脂相比，热塑性树脂熔融粘度较大，因此大型部件在成型时需要用到大型冲压机器。

3、多种多样的CFRP。丰田汽车在其生产的辆“雷克萨斯LFA”上，就大胆采用了轻量材料（尤其是CFRP），使车体如同一间展厅。虽然“雷克萨斯LFA”已停止销售，但时至今日，仍是根据部位不同，区分使用多种CFRP的典型案例。

丰田汽车使用预浸料的部件，主要是侧板及仪表板等主要结构部件。其充分运用了预浸料的高刚性和高强度。而采用RTM（树脂传递成型）法制成的成型品的部件，是前面板、车顶及发动机罩等大型部件。对外观要求高的外板和碰撞时吸收冲击能量的吸能盒，也采用了RTM成型品。此外，外板等大量使用了玻璃纤维增强型SMC（片状模塑料），C柱和后部地板也采用了碳纤维增强型SMC。

控制碳纤维制造成本的重点：

日本“革新碳纤维基础技术开发项目”想如何控制制造成本呢？答案是改变原料。也就是说，要开发能替代PAN纤维的新原料。碳纤维制造成本的明细列出的并不十分清晰。美国OakRidgeNationalLaboratory（以下简称ORNL）公布了分析结果。结果显示，约50%为原料成本，紧接着的是电费等公共事业费用、人事费用、折旧摊销费用。原料PAN纤维的价格约为1kg数百日元，由于碳化过程中碳以外的成分会被清除，所以重量会减少到一半以下。也就是说，从2kg的PAN纤维得到的碳纤维在1kg以下。由此可知，单位重量的原料成本增加了。

PAN纤维直接暴露于高温环境中会燃烧掉。为了不让燃烧发生，要在～℃的温度下使之氧化（阻燃化过程）、接着在～0℃的高温下使之碳化（碳化过程）。这个过程会加热，而加热会消耗大量电力，进而抬高制造成本。整个过程中，特别是阻燃化过程中，“设备比较大，除了设备投资增加之外，阻燃化过程所需时间占了制造时间的九成，对生产效率造成了很大影响”（影山和郎）。“革新碳纤维基础技术开发项目”的最大成果，是找到了能省略这一阻燃化过程并替代PAN纤维的廉价新原料。

能跨过日元/kg的门槛吗？“革新碳纤维基础技术开发项目”初期集中在新原料A、B这两种高分子上。该项目对于采用了这些新原料的碳纤维的性能上设定了中间目标和最终目标，初期测定值已经确定。中间报告指出，新原料A的抗拉强度和断裂伸长率，通过纺丝过程和碳化过程的改善“有望提高2倍左右”，并且表明“超过（表中的）最终目标的碳纤维是可以获得的”。最终目标提出的性能与飞机上的二次结构材料等使用的碳纤维相当，因此完全可以应用于汽车领域。

此外，制造工序方面，省略阻燃化过程具有十分重大的意义。阻燃化过程占了制造时间的九成，如果省略了这一过程生产效率就会大幅提高，与公共事业费直接相关的电力消耗也将得到大幅控制。革新碳纤维基础技术开发项目中，提出了“将生产效率提高10倍，电力消耗降低到1/2以下”的目标。生产成本的目标还不是很明确。ORNL同样开展了面向低成本汽车的碳纤维开发项目，其成本目标是1～7美元/1b（～日元/kg，以1美元=日元来换算）。

“革新碳纤维基础技术开发项目”或许会将其作为基准吧。甚至可以说，日元/kg已经成为CFRP能否配备于大众型汽车的分水岭。影山和郎以汽车厂商的技术人员为对象，实施了个以上项目组成的调查。此调查得出的结论是：如果跨过了日元/kg这个门槛，即使没有轻量化的优势，也可以在结构部件上配备CFRP。当然，钢板的价格比日元/kg要便宜很多，但是CFRP的强度、刚性比较高，使用量比铁少。CFRP还具有耐冲击性和耐腐蚀性等优点，其作为部件来说，具有与铁相当的成本效应。并且，CFRP更优于铁的成本效应还是很值得期待的。该项目还处于对每年可生产数公斤左右的设备进行基本实验的阶段。到量产技术确立为止，还有很长的一段路要走。年曾制造出每年能处理吨级订单的实验设备，接下来将进行量产技术的开发。

成型、设计、再利用是关键：CFRP的两大成本因素中，与碳纤维制造成本的削减相对应的另一成本因素——CFRP部件的应用成本削减技术开发进展势头良好。其开展途径大致分为三部分：缩短成型周期，积累设计技巧，利用工厂内循环。如果能实现“缩短成型周期”，部件的生产效率就会得到提高，部件的单价就有可能会下降。在此，热塑性树脂引人

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