Nissan发布碳纤维强化聚合物新生产技术,开发时间有望减半

碳纤维强化聚合物(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)这种复合材料有质轻坚固特性,是航天领域、顶级赛车爱用的材料之一,然而制程繁复耗时昂贵,因此应用在大众量产商品的可能性相当低。日产(Nissan)想改变这个情况,9月发布碳纤维强化聚合物的生产新技术,开发时间有望减半,模造时间有望减少八成,打开碳纤维材料进入寻常百姓家门之路。

碳纤维顾名思义就是纯由碳构成的微小纤维,单一一根碳纤维直径约5~8微米(㎛,万分之一厘米),从原子规模角度来看,碳纤维是一层层六边形碳原子排列(相当于石墨烯薄片)堆栈起来,结构让碳纤维具超高强度重量却相当轻。一般会将几千条基本的碳纤维组成一根碳纤维束。

碳纤维虽然本身有超高强度特性,对和纤维束同方向有很强抗拉力,若垂直施力,就像一条线一样会歪曲,为了解决这问题,碳纤维束通常必须编起来或做成复合材料,例如用碳纤维束以各种不同方向排列,然后用环氧树脂黏合,固化后定型,这样碳纤维在硬化的树脂基质里就不会歪曲移动,成为坚固质轻的坚硬材料,这就是碳纤维强化聚合物,广泛应用于航天、汽车、土木工程、运动器材等领域。

但碳纤维强化聚合物的缺点是,制作往往需要层层叠上碳纤维、涂上环氧树脂黏合,制品形状必须层层堆塑,最终在模具里紧紧夹住等待固化,相当耗费人工与时间,使碳纤维制品成本居高不下,产能与良率也不容易提升。

若要将碳纤维强化聚合物引进大众量产商品,制造流程一定要有突破性改变,Nissan希望朝这方向努力。若能以质轻的碳纤维强化聚合物打造汽车,有助让汽车因上层结构减轻而重心更低,行驶更稳定,减少车重也能提升汽车的油耗效率,并让加速更快,刹车也更快,操控更灵敏。唯一的问题是,要怎么改革碳纤维强化聚合物的制程?

Nissan的新做法是,不像过去一层层叠上黏合,而是先把碳纤维编织成特定排列,留有足够孔隙让环氧树脂能用灌注方式注满整个结构,如此一来,碳纤维强化聚合物的制造,就从过去层层叠合手工艺,转变为相当于某种形式的“铸造”:将上述碳纤维结构先填入空模的间隙,再灌入环氧树脂,待环氧树脂固化后,就直接成为所需形状的碳纤维强化聚合物零部件。

要完成这种制造方式,最重要的是碳纤维结构的通透性,树脂如何流动,能否顺利流到结构的每部分,而不会留下气泡,Nissan工程师发展模拟树脂流动开发工具,并利用透明模具,以及内置温度传感器,实地测试灌注树脂时直接观察树脂的流动状况,模拟测试成功,证明此制造方式确实可以用更短的开发与制造时间打造高品质的零部件。

Nissan新制程技术发布还在实验阶段,不过创新铸造式思维也为碳纤维强化聚合物的未来打开许多可能性。若能促进碳纤维强化聚合物终有一天成为量生产机制品材料,就真是全人类之福了。

(首图来源:Nissan)

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