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據(jù)報(bào)道,目前全世界的汽車制造商都在努力制造輕型車,一些日本汽車供應(yīng)商正轉(zhuǎn)向看起來不太可能的材料——木材,去取代鋼鐵。日本研究人員和汽車零部件制造商表示,木漿制成的材料重量?jī)H占鋼鐵的五分之一,然而強(qiáng)硬度卻是鋼鐵的五倍以上。在未來幾十年,纖維素納米纖維(cellulose nanofibres,簡(jiǎn)稱CNF)很可能成為鋼鐵的替代品,這種以樹木為原料的纖維,能使得汽車、電子部件更輕巧更牢固。
如果成本降低,得到普及,有望改寫材料產(chǎn)業(yè)的格局。盡管它面臨著碳基材料的競(jìng)爭(zhēng),但仍然在商業(yè)可行方面還有很長(zhǎng)的路要走。
對(duì)汽車制造商來說,降低車輛的重量是極其關(guān)鍵的,于是乎現(xiàn)在的電動(dòng)汽車成為各大制造商的主流。電池是昂貴但至關(guān)重要的部件,因此汽車重量的減少意味著需要更少的電池為車輛供電,節(jié)省成本。
負(fù)責(zé)豐田車身設(shè)計(jì)的項(xiàng)目經(jīng)理Masanori Matsushiro表示:“輕量化對(duì)于我們來說是恒久不變的問題。但是,我們也必須解決高制造的成本問題,然后才能在批量車中使用重量較輕的新材料。”
京都大學(xué)的研究人員和主要零部件供應(yīng)商如株式會(huì)社電裝Denso、豐田最大的供應(yīng)商和DaikyoNishikawa,正在研究與纖維素納米纖維結(jié)合的塑料,這種塑料通過將木漿纖維分解為幾百微米(千分之一毫米)而成。
纖維素納米纖維的用處范圍已經(jīng)十分廣泛,已出現(xiàn)在從油墨到透明顯示器的各種產(chǎn)品中,但是它們?cè)谄囍械臐撛谟猛疽呀?jīng)通過“京都程序”實(shí)現(xiàn),那就是將化學(xué)處理的木纖維捏合在塑料中同時(shí)分解成納米纖維,將生產(chǎn)成本削減到其他流程的大約五分之一。
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領(lǐng)導(dǎo)該研究的京都大學(xué)教授Hiroaki Yano,在接受路透社采訪時(shí)表示,“這是纖維素納米纖維應(yīng)用能有最低成本兼最高性能,這就是為什么我們專注于在汽車和飛機(jī)零件中的使用。”
京都大學(xué)和汽車零部件供應(yīng)商目前正在開發(fā)使用基于纖維素納米纖維部件的原型車,將于2020年完成。
DaikyoNishikawa的發(fā)言人Yukihiko Ishino表示,“我們一直在使用塑料作為鋼鐵的替代品,我們希望纖維素納米纖維能夠擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可能性。” 豐田汽車和馬自達(dá)汽車是DaikyoNishikawa的客戶之一。
其他汽車制造商也在使用其他輕型替代品。寶馬在其i3緊湊型電動(dòng)車和7系列車型上使用了碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRPs),高強(qiáng)度鋼鋁合金是目前使用最廣泛的輕量級(jí)產(chǎn)品,因?yàn)樗鼈儍r(jià)格便宜且可回收利用。寶馬i3的整備質(zhì)量?jī)H為2,755磅,車型基于“LifeDrive結(jié)構(gòu)”打造,“LifeDrive結(jié)構(gòu)”即配置一個(gè)鋁制底盤和一個(gè)碳纖維加固塑料駕駛座艙。 京都大學(xué)教授Hiroaki
Yano表示,他的研究靈感來自于“云杉鵝”的照片。大力神號(hào)水上飛機(jī)(別名云杉鵝),是一艘由美國億萬富翁企業(yè)家霍華德?休斯(Howard Hughes)于1947年完成的木材貨機(jī),當(dāng)時(shí)是世界上最大的飛機(jī)。該機(jī)機(jī)長(zhǎng)66.6米,機(jī)高9.15米,翼展97.54米,起飛重量181.4噸,原設(shè)計(jì)可以運(yùn)載500~700人。
他說:“我認(rèn)為如果霍華德?休斯能找到木材來建造大型飛機(jī)的方法,那為什么我們不用木材來制造一種和鋼一樣堅(jiān)固的材料。”
目前,一公斤纖維素納米纖維的生產(chǎn)成本約為1000日元(9美元)。Yano的目標(biāo)是到2030年將這一成本減半,他認(rèn)為這將使纖維素納米纖維成為一種經(jīng)濟(jì)上可行的產(chǎn)品,因?yàn)樗鼘⑴c塑料相結(jié)合,并且與高強(qiáng)度鋼和鋁合金一樣具有競(jìng)爭(zhēng)力(目前每公斤成本約為2美元)。
行業(yè)專家預(yù)計(jì)到2025年碳纖維價(jià)格將下降到每公斤10美元左右。
分析人士認(rèn)為,考慮到零部件制造商需要大修生產(chǎn)線,并找出將纖維素納米纖維等新材料固定在其他汽車零部件上的方法,未來高強(qiáng)度鋼和和鋁合金將成為更受歡迎的替代品。
波士頓Lux Research的應(yīng)用材料分析師Anthony Vicari表示:如果Yano的預(yù)測(cè)證明是正確的,這將是一件大事。但是現(xiàn)在呢,它仍然是一個(gè)非常大的''如果''。
2012年秋季,日本紙業(yè)生產(chǎn)商王子制紙與京都大學(xué)教授矢野浩之等人合作,開發(fā)出了纖維素納米纖維含量在10%以上的新樹脂。與過去相比,一輛汽車使用的樹脂材料可減輕約20kg,從而使車輛輕20kg。
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