【碳企研究】日本东丽总裁讲述公司碳纤维发展的悠久历史

按照公司口号“材料可以改变我们的生活”，日本东丽公司通过其Torayca碳纤维和碳纤维增强塑料（CFRP）在节能和减少温室气体排放做着贡献。该公司聚丙烯腈（PAN）级碳纤维复合材料市场中占有大约一半的市场份额，使其成为该市场的领导者。

目前PAN基CFRP已成为该行业的主流，它最早由大阪政府工业研究所（GIRIO）开发，该组织随后成为关西国家先进工业科学技术研究院（AIST）。这些努力是由Akio Shindo领导的研究小组在1962年创建的，该材料拥有一项基本专利。

东丽公司高级副总裁Yasuo Suga表示，他的公司在同一时期开始了自己的努力。他说，这是内部开发小组开发丙烯酸纤维（CFRP的原材料）的形式，该小组于1961年开始在该地区进行研究。

东丽公司要克服的第一个障碍是开发最佳原材料。Suga说，经过一系列的反复试验，开发人员发现PAN可以用作羟乙基丙烯腈（HEN）共聚的原料，从而提高了材料的性能。

Suga说，1970年东丽公司开始启动大规模项目，旨在开发用于大规模生产的碳纤维技术。当时，日本没有任何能够在生产承受2,600–2,800℃温度运行的高温炉，因此东丽公司在生产过程导致碳纤维本身燃烧，无法提供合适的产品。

为了开发更好的制造工艺，东丽与美国联合碳化物公司（UCC）签订交叉许可协议，当时UCC公司已经在生产碳纤维，但使用人造丝作为生产的原料。因此，Toray对UCC进行了有关高性能原材料使用的培训，而UCC对Toray对其自身的制造过程进行了培训，该协议使东丽公司于1971年成功将碳纤维商业化。

从1972年开始，东丽公司碳纤维的技术改进很大程度上得益于该材料在鱼竿中的应用。当时典型的香鱼鱼竿长约8米，重约900克。Suga说，但是东丽开发了一种在外部具有碳纤维、内部具有玻璃纤维的板材，并开始将其出售给钓鱼竿使用。

随着这种新材料的重量减轻，Suga继续说道，许多钓鱼竿制造商开始将其立即应用于其产品中。这些公司随后每年都在要求越来越轻的材料。因此，东丽公司继续开发新等级，最终达到了10米长的钓鱼竿仅重180克的水平，比报纸还轻。从1973年开始，该公司的碳纤维也开始在高尔夫球杆身中得到采用。

在早期的开发努力之后，东丽公司于1970年代继续在运动和休闲市场上建立了自己的业务，同时也吸引了汽车和航空行业的客户。

Yasuo Suga说，1975年公司取得了成功，是因为波音公司采用了该公司的T300级碳纤维作为波音767扰流板和其他部分辅助结构材料。波音公司通过与东丽公司签订交叉许可协议的Union Carbide Corp.购买碳纤维来解决此问题。

随后，东丽计划将其碳纤维用作飞机机翼和机尾的主要材料，当时机翼和机尾是由铝制成的。然而，波音告诉东丽公司，只有在能够提高拉伸强度和弹性，同时比铝轻30％的情况下，才会在这里测试其公司的碳纤维并作为主要材料。

作为回应，东丽开发了T800H牌号，与现有的T300牌号相比，强度提高了约两倍，弹性提高了20％到30％。波音还有一个要求，该材料必须能够承受与飞机相撞的鸟类冲击。

Suga说，即使受到鸟类的冲击，铝的性能也不会受到任何特别的影响。但碳纤维增强复合材料却在受到这种冲击后看到在树脂中形成裂纹，因此改善这一点成为关键。

Suga解释说，这个问题是通过将新发明的热塑性微粒分散在整个热固性树脂中来解决的。最终的材料于1996年在波音777的尾部和其他部分采用，这种材料使每架飞机使用大约7吨碳纤维，而767则每架飞机使用大约1吨碳纤维。

对于其下一代787，波音公司已经决定在机身的大部分部件中使用CFRP，并最终在2008年对所有这些部件采用东丽公司的新T800S牌号。建立新的美国碳纤维生产基地。

同时，在汽车领域，电动汽车的兴起创造了一种趋势，其中必须采用轻量化车架。因此，人们对汽车CFRP的需求将有进一步的增长。但是由于这要求将碳纤维用于批量生产的汽车，目前的成本仍然太高。为了达到当前目标成本，Suga说，既需要降低生产成本，又需要加快汽车CFRP的成型速度。

就材料而言，Suga认为在这里必须使用大丝束碳纤维，与其他形式的材料相比，这可以降低成本。他还补充说，制造方法将需要进一步的创新。于是2014年，东丽以580亿日元的价格收购了大型丝束碳纤维的主要生产商Zoltek。最近，东丽公司收购了荷兰的TenCate Advanced Composites，后者是飞机CFRP的生产商，这进一步巩固了其市场领导者的地位。

专业知识多一点

从东丽公司总裁讲述的其公司碳纤维发展史可以获取不少知识，比如在早期研制T300碳纤维时是通过与UCC交换高温热处理技术才最终实现T300技术突破，因此