三菱化學(xué)控股公司旗下的三菱麗陽(yáng)和三菱樹脂2015年1月7日宣布，將合并兩公司的碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)。目前，三菱麗陽(yáng)從事的是聚丙烯腈(PAN)類碳纖維業(yè)務(wù)，三菱樹脂從事的是瀝青類碳纖維業(yè)務(wù)，三菱麗陽(yáng)將以公司分拆的方式接手三菱樹脂的碳纖維業(yè)務(wù)，預(yù)定于2015年4月1日合并兩公司的碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)，成立新組織*1。

＊1　PAN類碳纖維和瀝青類碳纖維

碳纖維包括以聚丙烯腈(PAN)纖維為原料的PAN類碳纖維和以煤炭及石油的瀝青成分為原料的瀝青類碳纖維。PAN類碳纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。而瀝青類碳纖維的特點(diǎn)是拉伸彈性模量高。目前的主要需求為PAN類碳纖維。

歐洲汽車廠商領(lǐng)先

在此次發(fā)布的消息中，除了兩公司的業(yè)務(wù)合并以外還有兩點(diǎn)受到了關(guān)注。第一，三菱麗陽(yáng)公布了汽車領(lǐng)域2020年之前的碳纖維需求預(yù)測(cè)(圖 1)。預(yù)測(cè)顯示，2020年的需求將由2014年的6000噸左右激增至2.5萬(wàn)噸。2013年碳纖維的整體需求才為幾萬(wàn)噸，由此可見汽車領(lǐng)域?qū)⒊蔀樘祭w維的主要用途之一。

圖1：汽車領(lǐng)域的碳纖維需求預(yù)測(cè) 主要需求來(lái)自歐洲汽車廠商。今后，除了寶馬以外，采用熱固化CFRP的其他歐洲汽車廠商也將增加。數(shù)據(jù)是三菱麗陽(yáng)的推測(cè)值。

三菱麗陽(yáng)常務(wù)執(zhí)行董事山本巖表示，“主要需求來(lái)自歐洲汽車廠商”。該公司已經(jīng)為德國(guó)寶馬的純電動(dòng)汽車“i3”等提供了大量碳纖維原料(圖 2)。2013年的供貨量約為6000噸(換算成碳纖維后，將近3000噸)，2016年計(jì)劃增加到約2萬(wàn)噸(換算成碳纖維后，將近1萬(wàn)噸)。

圖2：寶馬的純電動(dòng)汽車“i3” i3的上部骨架采用熱固化CFRP制造。（a）為主要部件的外觀。碳纖維的顏色為黑色。（b）為i3的外觀。在日本的價(jià)格為499萬(wàn)日元（含稅）起，充滿電后的續(xù)航距離為229km（JC08模式）。

i3是全球首次采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)骨架的量產(chǎn)車，2013年11月在歐洲上市，2014年4月在日本上市。三菱麗陽(yáng)預(yù)測(cè)，今后寶馬在CFRP的應(yīng)用方面會(huì)繼續(xù)領(lǐng)先，寶馬以外的歐洲各大汽車廠商也將陸續(xù)在每年2萬(wàn)～5萬(wàn)輛生產(chǎn)規(guī)模的量產(chǎn)車上采用CFRP。其目的是應(yīng)對(duì) 2020年更加嚴(yán)格的歐洲燃效規(guī)定(二氧化碳排放量規(guī)制)。

第二個(gè)關(guān)注點(diǎn)是，三菱麗陽(yáng)認(rèn)為隨著需求的快速增加，熱固化CFRP將被大量采用。
 

熱可塑性以成本和生產(chǎn)效率為賣點(diǎn)

在量產(chǎn)車上率先采用CFRP的i3使用的是熱固化CFRP。利用樹脂轉(zhuǎn)換模塑(RTM)法成型。具體來(lái)說(shuō)，就是將碳纖維織物等按部件形狀進(jìn)行預(yù)成型，然后放到模具上，關(guān)閉模具澆注熱固化性環(huán)氧樹脂，之后進(jìn)行熱固化，制作成型品。RTM法近年來(lái)雖然縮短了成型時(shí)間，但固化(高分子化)反應(yīng)需要一定的時(shí)間，因此最短也需要幾分鐘的時(shí)間。汽車組裝工廠的制造時(shí)間約為一分鐘，為了跟上生產(chǎn)節(jié)拍，必須為一個(gè)部件準(zhǔn)備多個(gè)RTM法成型機(jī)。

因此，熱可塑性CFRP受到了關(guān)注。熱可塑性樹脂最初就是高分子，因此無(wú)需進(jìn)行固化反應(yīng)。對(duì)板材進(jìn)行沖壓成型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)約1分鐘的成型時(shí)間，與汽車工廠的制造時(shí)間基本相同。也就是說(shuō)，生產(chǎn)效率比較高。

雖然熱可塑性CFRP成型使用的大型沖壓機(jī)和射出成型機(jī)與RTM法的成型機(jī)相比價(jià)格較高，但因生產(chǎn)效率高，因此量產(chǎn)規(guī)模越大，在成本上越占優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō)，熱可塑性CFRP并不是面向高性能跑車等高檔車的技術(shù)，而是設(shè)想用于大批量制造的汽車的。

不過(guò)，三菱麗陽(yáng)的山本表示，“熱可塑性CFRP技術(shù)的開發(fā)還需要一定時(shí)間，因此截至2020年度不會(huì)產(chǎn)生太大的需求。2020年度以后才會(huì)開始普及”。

到目前為止，在被視為未來(lái)汽車主流材料的熱可塑性CFRP方面，占全球碳纖維產(chǎn)能6成的東麗、帝人(包括子公司東邦特耐克絲)和三菱麗陽(yáng)這三大廠商所采取的普及戰(zhàn)略各不相同。

東麗的聚酰胺(PA)類熱可塑性CFRP用到了豐田燃料電池車“MIRAI”的電池組外殼上(圖3)。這是熱可塑性CFRP全球首次用于汽車的構(gòu)造部件。不過(guò)，東麗的高管對(duì)此比較冷靜地表示，“熱可塑性CFRP要經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段逐漸普及”。如上所述，三菱麗陽(yáng)也認(rèn)為普及需要時(shí)間。

圖3：豐田燃料電池車采用東麗的碳纖維 圓圈圈起來(lái)的部件為采用熱可塑性CFRP的電池組外殼。

在這種情況下，帝人表現(xiàn)出了不同凡響的氣勢(shì)。該公司正與美國(guó)通用汽車(GM)共同面向GM的量產(chǎn)車開發(fā)熱可塑性CFRP部件，已經(jīng)“進(jìn)入量產(chǎn)的最終階段”(帝人碳纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)本部長(zhǎng)、東邦特耐克絲社長(zhǎng)吉野隆)。目標(biāo)是用于年產(chǎn)幾萬(wàn)輛規(guī)模的量產(chǎn)車*2。

*2 帝人為應(yīng)對(duì)需求的增長(zhǎng)，將在北美建設(shè)面向GM的CFRP部件成型工廠。另外，還考慮在北美建設(shè)碳纖維工廠。

那么，熱可塑性CFRP究竟會(huì)如何普及呢?預(yù)計(jì)近期發(fā)布的GM車會(huì)如何利用熱可塑性CFRP將受到關(guān)注。