方鯤1 劉康2 徐堅3 李同輝4

1.北京納盛通新材料科技有限責任公司

2.北京碳復科技有限公司

3.深圳大學

4.中化集團塑料公司

 

東麗株式會社成立于 1926 年，其前身是東洋人造絲公司，1970 年 1 月，東麗從公司名稱中去掉“人造絲”一詞，更名為“東麗株式會社”，是世界著名的以有機合成、高分子化學、生物化學為核心技術的高科技跨國企業，目前東麗在23個國家和地區擁有280余家公司。

 

東麗集團公司提供市場上范圍覆蓋最全的碳纖維材料，從用于飛機應用的高性能纖維，到價格實惠的大絲束纖維。由于在技術和加工能力方面的戰略投資，公司的能力還包括織物、預浸料和中間材料。

 

公司在日本、韓國、法國、匈牙利、墨西哥和美國等全球范圍內制造碳纖維，確?；诋數貥I務的穩定供應和快速交貨。在亞洲、歐洲和美洲也建立了中間材料生產基地，確保了地方層面的完整、垂直整合的供應鏈。

 

面對全球日益嚴峻的競爭態勢，東麗除了加大擴建力度，還通過聯合或收購上下游企業的形式，垂直整合產業鏈，提升企業的整體競爭力。東麗集團于2013年進行了一系列的收購行為，其中包括3月收購位于日本滋賀縣米原市的日本賽車設計和制造商童夢Carbon Magic公司及其泰國工廠，并更名為東麗Carbon Magic株式會社。東麗看重童夢Carbon Magic公司擁有豐富的工程設計、原型設計經驗和技術實力，憑借童夢在泰國工廠的熱壓罐技術和價格優勢，能夠與現有的多種技術形成協同優勢，可有效提升東麗的產品競爭力。

 

下面我們來介紹東麗Carbon Magic公司以多年開發培育的復合產品的制造、設計技術為基礎，并與東麗所擁有的素材開發技術相融合，開發、制造出世界上沒有的新產品。

 

日產汽車：新型EV賽車概念車“NISSAN LEAF NISMO RC”01

圖1 車長：4546mm 寬1942mm 高1212mm /重量：1220kg

 

全新日產NISMO電動超跑概念車由日產國際汽車運動公司（NISSAN MOTORSPORTS INTERNATIonAL CO. LTD，簡稱NISMO）設計外形極具運動風格。新款電動賽車重量僅1220公斤，使用碳纖維單體結構打造，擁有輕量化以及高強度的優勢，在保持自身卓越風阻系數的基礎上，具備了更優異的空氣動力學性能。

 

東麗Carbon Magic協助主要結構部件的開發和制造，為車體整體的輕量化和重量平衡的優化做出貢獻。

 

新型EV賽車概念車“NISSAN LEAF NISMO RC_02”作為NISMO展現了以下概念：

 

?體現“尼桑智能移動性”的出色性能；

?投入NISMO的賽車技術，大膽地提出日產EV的可能性

 

作為東麗Carbon Magic公司，在作為主要組件的單旋塞，副框架等的零件開發中，通過使用尖端技術在強度解析，制作工序設計等合作，實現了大幅度的輕量化。

 

主要結構部件的單旋塞、副車架、破碎箱、翼采用CFRP并通過高壓釜成型。確保必要的剛性的同時實現輕量化。對單旋塞底盤的輥架進行結構解析，通過CFRP進行強度增強，實現了直徑38mm的小口徑和薄壁化。在子框架中，與舊車型的鋼結構相比，實現了約25%的輕量化。并且，通過前后共同的設計降低了成本。此外，作為外裝零件的車頂采用了VaRTM工藝，無需預浸料和高壓釜設備的VaRTM成型法，在車頂和發動機罩等平面簡單的形狀零件中，可以有效抑制成型成本。

圖2 CFRP部件

 

YAMAHA：工業用無人機YMR-0802

圖3 YAMAHA工業無人機：長度1923mm，寬2181mm，高669mm

 

通過機體的CFRP單體結構，實現了很多部件的集成，減少了零部件數量和成本的降低。

 

工業用無人機“YMR-08”為了達到最大起飛重量25Kg，采用了實現設計性及最輕量化的CFRP單體結構機身及CFRP可動螺旋槳。東麗Carbon Magic從最開始即參與開發、通過獨自的設計和解析技術與YAMAHA技術相融合，耗時三年完成了工業化生產。同時，由于采用單體結構，大大減少了零件數量，有效的控制了成本。

 

單旋塞車身采用高壓釜制法。實現了用其他制造方法難以成形的形狀。螺旋槳臂采用座椅繞制法。通過本公司的材料、設備進行生產，為保證品質、降低價格做出了貢獻。

圖4 CFRP部件

圖5 試飛場景

YAMAHA：無人駕駛工業直升飛機FAZER R03

圖6無人駕駛直升飛機：機體長3665mm，寬770mm，高1078mm

 

Fazer R主要用于農業領域，它能在空中每次最多可攜帶32升藥劑，向接近4公頃農田噴灑農藥。Fazer R 配備燃油噴射發動機，可提供20.6kW的功率輸出，這樣可以做到更有效率農業作業工作，它最大載重35千克，可飛行最大續航里程為90公里，值得一提就是它飛行高度可最高達2800米， 是一款高端商用無人機，可以用于測量、監視、拍攝、運輸等用途。無人機的起飛由工作人員操控，在離陸后會根據事先設定好的程序在視野外的區域進行自動飛行，常被用于火山觀測、放射性物質測定等。新機型與老版相比可載重量、飛行高度、續航時間均有大幅提升。最高速度可達每秒20米，可控距離為30km，續航時間為100分鐘。

圖7 試飛場景

圖8 CFRP部件

圖9 YAMAHA無人直升飛機

 

達卡拉力賽！本田 CRF450L Rally越野摩托04

圖10 車體長2100mm，寬790mm，高1120mm

 

實現部件整合和最輕量化，確立高壓釜的生產技術，為降低價格做出貢獻

 

巴黎達卡拉力賽用賽車“CRF450RALLY”是以市售的空姐為基礎開發的拉力賽用原型機。本公司參與了開發時的試作品制作，作為重要零件的后框架，塔托架，滑板等用CFRP制作。賽車零件的制法就那樣與本田先生技術融合，為零件合并和最輕量化等貢獻。另外，確立了高壓釜的生產技術，為降低價格做出了貢獻。另外，通過本公司的材料、設備進行生產，為品質保證做出了貢獻。

圖11 CFRP部品

 

本田打造的夢幻機車RC213V-S05

圖12車體全長2100mm，寬790mm，高1120mm，重量：170kg

 

本田在歷史上曾打造過無數經典摩托車，但其中最昂貴的可能就要數這輛2016年生產的RC213V-S了，全球限量300臺，簡單來說，這是一輛價值18萬美元的帶車頭燈和牌照的MotoGP賽車。

 

RC213V-S車重170公斤，排量為1000cc，四缸V型引擎，最大馬力達到了200匹。為了減輕車體重量，RC213V-S采用了碳纖維復合材料(CFRP)及鈦金屬部件。其中擋風罩，空氣濾清器及擋泥板等部件均為碳纖維復合材料(CFRP)。粗壯碩大的后搖臂鞏固著車身尾部的穩定，碳纖維原色后擋泥板搭配黑色的17吋7爪鍛造鎂框，襯托HRC彩繪車殼更出色。

圖13 CFRP部件

 

全復合材料太陽能飛機06

圖14太陽能飛機：全長6,200mm／寬 16,000mm／高 1,900ｍｍ

 

全復合材料機身——有效地確保了強度和剛性，實現了輕量化

 

該項目是受國立新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的委托，將碳纖維、芳族聚酰胺纖維、玻璃纖維適當配置的混合復合材料結構，運用FEA進行了優化，與采用東麗的高彈性及高強度碳纖維相結合，有效地確保了強度和剛性，實現了作為目標的輕量化。

圖15 設計過程

 

碳纖維復合材料太陽能車07

圖16 太陽能汽車：車身全場 4970mm／寬1200mm／高 1000mm，重量142kg

 

東麗Carbon Magic公司自2011年起，開始支援東海大學太陽能汽車隊參加隔年召開的世界太陽能車挑戰賽，2019年大會出場的太陽能車Tokai-Challenger-2019是通過空氣動力分析和結構分析優化的超輕量CFRP機身采用了東麗的新一代碳纖維M40X，進一步實現了比剛性和比強度的提高，為新飛機的高性能化做出了貢獻。

圖17 CFRP車體

 

全碳纖維復合材料旅行箱08

圖18 纖維復合材料旅行箱

 

高彈力、高耐久性、超輕量的新素材—碳纖維，與傳統的行李箱相比，實現了約20%的輕量化

 

英國頂級箱包品牌 GLOBE-TROTTER 始創于 1897 年，其行李用品和皮革系列以典型的英倫風格設計而聞名于世。今季，這個百年老牌與 NEIGHBORHOOD 攜手合作推出新一代旅行箱，通體傳遞暗黑特質，設計方面則采用最新 “Aero Carbon” 專利技術物料，為一種利用 14 層紙皮以高溫壓制而成的專利硬紙纖維，不僅讓行李箱更輕巧，而且比皮革更堅韌耐磨。除此之外，旅行箱的八個箱角均使用真皮包覆，來減少旅行時可能遇到的碰撞，亦是十分貼心。

 

No Time To Die (無暇赴死）行李箱系列

 

丹尼爾克雷格再次出演007系列電影No Time To Die中的James Bond詹姆斯邦德。為了慶祝這部電影即將上映，英國豪華品牌GLOBE-TROTTER推出No Time To Die碳纖維版行李箱系列。這個系列在設計和材料上突破界限，憑借新四輪設計和首創的碳纖維外觀，同時能符合大多數航空公司的登機要求。

 

靈感源自電影中行李箱的特色，該系列包含新的4輪行李箱，采用經典的海洋綠色硫化纖維板配上黑色皮革邊飾的手提登機箱以及托運行李箱，附上黑色壓印No Time To Die 標志的行李牌使得整個系列更完善。

圖19 全碳纖維成型拉桿箱

圖20 碳纖維拉桿箱

 

競技用輪椅世界首臺：殘疾人羽毛球輪椅09

圖21長800mm，寬733mm，高527mm，重量：10kg

 

以松永制作所的羽毛球比賽用鋁框架輪椅為基礎，制作了輕量化和高強度的CFRP輪椅，與傳統的鋁框架輪椅相比，重量減輕了20%。在前后跑動激烈的羽毛球比賽中，由于兼顧了輕量化和高剛性，提高了隊員的擊球精度和節省了體力，減輕了疲勞。

圖22 CFRP部件

殘疾人運動競技用輪椅輪轂

圖23 CFRP輪椅輪轂

 

Xiborg公司：碳纖維復合材料刀片式假肢10

圖24 CFRP刀片式義肢

Xiborg Genesis的誕生是刀片式假肢領域的一個突破。創始人遠藤謙選用碳纖維增強復合材料作為義肢本體材料，既強化了義肢的彈性和堅固度，又減輕了質量。除了體育用品行業，它目前還被普遍應用在軍事、航空和賽車等領域。

 

但僅僅增強彈性，并不意味著義肢會變得更快，選手的跑動狀態、身體平衡感甚至跑動時的肌肉力量波動等因素都要在設計時考慮。遠藤謙告訴《第一財經周刊》，刀片從中部到后部的曲線彎曲弧度至關重要，它決定義肢在垂直方向的穩定性和前進的位移距離。

 

面向短跑運動員者的刀片式假肢，為了使選手的強大的腳力有效地作用于前進力， Xiborg公司采用了最新CFRP設計解析手法進行最優化，使用東麗公司的高性能碳纖維預浸料和高壓釜成型技術，克服了各種各樣的困難，終于使產品面世。

圖25 比賽中運動員穿著CFRP義肢

 

碳纖維復合材料(CFRP)輕量化EV概念車“ItoP”11

 

圖26 長4280mm×寬1930mm×高1350mm 重量850kg

 

采用薄而堅固的碳纖維與熱固性樹脂構成的復合材料打造而成的電動汽車(EV)在日本亮相，該車在維持強度的同時實現了輕量化，還能延長行駛距離，減小對環境的影響。由于采用一體成型技術，大幅度減少了零部件的數量，比傳統的金屬車身的300kg減輕50%的重量，總重量140kg。

特點：

（1）東京大學高分子材料學教授伊藤耕三主導開發的新材料“柔韌的硬聚合物”適用于以汽車等運輸設備的結構材料和結構部件，可飛躍性地提高輕量化水平、功能性、安全性、可靠性。本次研發為了驗證上述目標，大量地靈活的采用的各種材料，終于完成了電動汽車（EV）的概念車“I to P（Iron to Polymer，itop）”。

（2）在“I to P”中，車輛的樹脂化比以前提高了約4倍的47%。通過采用樹脂實現了大尺寸側窗和透明屋頂和前窗一體化，使之兼備到現在為止沒有的形狀和空氣動力學，創新了一體成型的單體結構。通過車身框架（重量140kg，約為一般金屬制車體的一半），實現了強度、剛性都兼顧的碰撞安全構造。

（3）在懸架、彈簧、車輪等繞腳部件上也應用了碳纖維復合材料（CFRP），可以實現大幅度的輕量化（車輛重量850千克，輕量化率38%）。通過采用節能型的開發技術，包括制造工序在內的10萬公里行駛時的溫室效應氣體（GHG）排放量與傳統材料的鐵、玻璃、輪胎等制造的車輛相比，降低11%。

 

01造型設計和空氣動力

如圖所示的外觀形狀，體現了以柔軟性和韌性為主題，僅通過將車體整體樹脂化的設計理念。車身由連續曲面構成，車門和車窗部分使用了住友化學的兩種透明樹脂，確保達到了擋風玻璃的強度要求。大尺寸的玻璃車窗和車門，獨立的前擋泥板，被遮蓋了的后輪等，兼備對未來科技感十足的造型和出色的空氣動力性能。

圖27 車身設計及空氣動力學分析

02單體結構

 

車身結構部分使用了東麗開發的新型碳纖維增強樹脂復合材料，這種新型材料是東麗利用其納米合金(NanoAlloy)技術，將環動聚合物聚輪烷均一分散到聚氨酯中形成納米尺度網狀結構的柔性新材料，并將其作為CFRP的新型基體樹脂。在受到沖擊時仍能保持強度和剛性，在反復彎曲疲勞特性測試中實現了約3倍于傳統CFRP的抗疲勞特性。

 

從輕量化、高剛性及耐沖撞性能的觀點出發，車輛的框架采用了兼有外板的單體成型車身，與由碳纖維和熱固性樹脂構成的復合材料的優良物性相結合，不僅實現了零件數量的極端削減等合理的車身布局，而且輕量化得到了很大的提高。重量從普通金屬單體框架的300公斤減少到140公斤，減少了50%以上。

圖28 CFRP一體成型車體

03懸架

 

以往，樹脂化被認為很難作為懸架部件的材料，通過使用此次開發的環動聚合物結構作為碳纖維復合材料的基體樹脂，達到了所要求的性能和功能。除了主要的懸掛部件，大變形量彈簧也采用了CFRP。

圖29 CFRP懸架

圖30 CFRP彈簧

04電池箱

 

隨著新能源汽車的發展，已經有很多人會選擇購買電動汽車，但是電動車汽車存在一個嚴重的問題，就是車輛續航的問題，那為了保證車輛本身的撞擊性能，還需要兼顧輕量化的特點，就使得碳纖維電池箱體有了很好的應用。

 

碳纖維材料比模量非常高，對酸堿鹽的等物質不會產生化學反應，不用擔心電池箱體會產生腐蝕、生銹等情況。而且因為碳纖維的抗沖擊吸振能力強，在遇到撞擊時，它的能量吸收率是鋼的3-5倍，因此碳纖維復合材料(CFRP)電池箱可以更好地保護電池不受損壞，重量減輕30%。

圖31 CFRP電池箱

 

05CFRP輪轂

 

包括輪胎在內彈簧以下轉動部分的輕量化有助于提高車輛整體的性能

 

本項目采用創新的橡膠素材作為「ItoP」輪胎的專用材料，不僅提高了耐磨性，還節省了輪胎材料的用量，節省了資源。特別的設計減少了5%的滾動阻力和空氣阻力。此外，輪轂與懸架部件一樣，使用了碳纖維復合材料（CFRP），提高了車輛的耐沖擊性，包括輪胎在內的彈簧以下的旋轉部分的輕量化，對車輛整體的性能提高做出了很大的貢獻。

圖32 CFRP輪轂

 

風洞試驗設備葉片12

在大型風洞試驗設施中，采用碳纖維復合材料制作葉片，增加強度的同時實現了大幅度輕量化，提高了系統整體的性能。

圖33 CFRP風洞風扇葉片

 

工程機械用部件叉車的貨叉13

圖34 CFRP叉車貨叉

叉車的貨叉

圖35 CFRP工程機械臂

圖36 久保田工程機械臂

 

CFRP裝飾、家居及民用品14

伴隨著消費者思想觀念的變化，以往家居裝飾一昧追求奢華莊重的風尚正在被后現代家具主義所追求的簡潔明快、放縱潮流的新式風格所取代。

圖38 CFRP在內飾、家具等的應用

圖39 CFRP樂器盒