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未来十年 植物基等轻量化材料或广泛应用

(图源:nikkei)

据外媒报道,汽车制造商不断寻找方法,使产品更加节能、更环保。因此,日本化学和造纸生产商开发汽车新材料的竞赛也在不断升温。

日本大王制纸公司(Daio Paper)在汽车车身面板中加入纤维素纳米纤维(CNF)。生产这种植物基材料时,需将纸浆纤维分解成纳米尺度,或十亿分之一米,然后制成薄片。这种材料既轻又坚固:重量只有钢的五分之一,强度是钢的五倍。日本一个赛车队采用大王公司的CNF材料,打造汽车引擎盖和车门。大王公司希望,未来能将这种材料应用于量产汽车。

CNF材料的开发始于2000年。从2013年起,日本大王纸业和日本造纸集团(Nippon Paper Industries) 一直在试制这种材料。另外,日本王子制纸集团(Oji Holdings)正在开发一种由树脂和CNF组成的材料,希望未来十年的销售额能达200亿日元(1.8亿美元)。

其他一些材料制造商正在研究树脂。日本帝人公司(Teijin)生产聚碳酸酯树脂,为汽车提供另一种车窗玻璃材料,重量是以前的一半,抗冲击能力达到200倍。这种材料拥有特殊的保护涂层,不像标准聚碳酸酯树脂那样易受磨损。京都电动汽车初创公司GLM,正考虑将这种材料用于量产汽车。澳大利亚电动汽车初创公司AEV Robotics也有意采用帝人公司的树脂,并希望在2025年之前推出相关车型。日本化工巨头旭化成(Asahi Kasei)致力于将改性聚苯醚用于隔热和其他用途。这种材料重量轻,而且耐热性强。

在汽车中应用新材料的重要制约因素是价格。一般来说,汽车钢板的价格在每公斤不到1美元到几美元之间。相比之下,CNF材料的价格可能高达每公斤90美元,聚碳酸酯树脂的成本估计是钢板的几十倍。但是,随着环保法规越来越严格,以及越来越推崇低碳排放,尽管成本相对较高,使用这些新材料,仍然可以获得经济效益。目前,各生产商也在努力降低成本。

自2000年以来,碳纤维被广泛用于制造飞机。目前,其价格已降至每公斤18美元左右,可以应用于高端汽车。虽然材料成本是钢板的10-20倍,但仍然具有应用价值,因为它的重量大约是钢的四分之一,强度是钢的10倍。据估计,到2030年,全球汽车碳纤维市场将达到5600亿日元,是2018年的6倍。

日本贸易部敦促制造商,到2030年,将CNF材料的生产成本降至每公斤500日元(约合32人民币元)或更低。据估计,车用增强型CNF树脂的市场价值可能达到6000亿日元。如果能够在车上大规模使用这种材料,达到每年2万辆或更多车辆,可以显著降低生产成本。

随着全球竞争加剧,汽车制造商必须尽量减少碳排放。采用轻质材料,可以最大限度地提高汽车的续航里程。制造商不能仅仅着眼于成本本身,而忽视使用新材料。美国汽车研究中心(Center for Automotive Research)估计,到2040年,在汽车部件总重中,包括树脂和碳纤维在内的非金属部件将占15%,。目前比例仅达到几个百分点,2010年仅为1%。

随着新材料不断涌现,将树脂或碳纤维与钢板融合的技术,越来越受欢迎。因为传统粘合剂的耐久性有限,而铆钉会增加车重,所以,材料制造商正在努力探讨构建部件的新方法。东丽工业(Toray Industries)开发一种叫做聚苯硫醚的树脂。这种材料可以作为粘合剂,具有很高的耐热性和耐腐蚀性。2018年夏天,神户钢铁(Kobe Steel)在办公场所开设汽车连接技术展示厅,其亮点之一在于搅拌摩擦焊接系统,利用摩擦产生的热量,将不同的材料粘合在一起。

复合材料3D打印机也越来越受到关注。打印机使用激光和其他工具,将粉末状金属和树脂等材料,通过逐层打印的方式,组成高度耐用的物体。美国3D打印机制造商Stratasys是开发这项技术的公司之一。

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