据报道,目前全世界的汽车制造商都在努力制造轻型车,一些日本汽车供应商正转向看起来不太可能的材料——木材,去取代钢铁。日本研究人员和汽车零部件制造商表示,木浆制成的材料重量仅占钢铁的五分之一,然而强硬度却是钢铁的五倍以上。在未来几十年,纤维素纳米纤维(cellulose
nanofibres,简称cnf)很可能成为钢铁的替代品,这种以树木为原料的纤维,能使得汽车、电子部件更轻巧更牢固。
如果成本降低,得到普及,有望改写材料产业的格局。尽管它面临着碳基材料的竞争,但仍然在商业可行方面还有很长的路要走。
对汽车制造商来说,降低车辆的重量是极其关键的,于是乎现在的电动汽车成为各大制造商的主流。电池是昂贵但至关重要的部件,因此汽车重量的减少意味着需要更少的电池为车辆供电,节省成本。
负责丰田车身设计的项目经理masanori matsushiro表示:“轻量化对于我们来说是恒久不变的问题。但是,我们也必须解决高制造的成本问题,然后才能在批量车中使用重量较轻的新材料。”
京都大学的研究人员和主要零部件供应商如株式会社电装denso、丰田最大的供应商和daikyonishikawa,正在研究与纤维素纳米纤维结合的塑料,这种塑料通过将木浆纤维分解为几百微米(千分之一毫米)而成。
纤维素纳米纤维的用处范围已经十分广泛,已出现在从油墨到透明显示器的各种产品中,但是它们在汽车中的潜在用途已经通过“京都程序”实现,那就是将化学处理的木纤维捏合在塑料中同时分解成纳米纤维,将生产成本削减到其他流程的大约五分之一。
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领导该研究的京都大学教授hiroaki yano,在接受路透社采访时表示,“这是纤维素纳米纤维应用能有最低成本兼最高性能,这就是为什么我们专注于在汽车和飞机零件中的使用。”
京都大学和汽车零部件供应商目前正在开发使用基于纤维素纳米纤维部件的原型车,将于2020年完成。
daikyonishikawa的发言人yukihiko ishino表示,“我们一直在使用塑料作为钢铁的替代品,我们希望纤维素纳米纤维能够扩大实现这一目标的可能性。” 丰田汽车和马自达汽车是daikyonishikawa的客户之一。
其他汽车制造商也在使用其他轻型替代品。宝马在其i3紧凑型电动车和7系列车型上使用了碳纤维增强聚合物(cfrps),高强度钢铝合金是目前使用最广泛的轻量级产品,因为它们价格便宜且可回收利用。宝马i3的整备质量仅为2,755磅,车型基于“lifedrive结构”打造,“lifedrive结构”即配置一个铝制底盘和一个碳纤维加固塑料驾驶座舱。
京都大学教授hiroaki
yano表示,他的研究灵感来自于“云杉鹅”的照片。大力神号水上飞机(别名云杉鹅),是一艘由美国亿万富翁企业家霍华德?休斯(howard
hughes)于1947年完成的木材货机,当时是世界上最大的飞机。该机机长66.6米,机高9.15米,翼展97.54米,起飞重量181.4吨,原设计可以运载500~700人。
他说:“我认为如果霍华德?休斯能找到木材来建造大型飞机的方法,那为什么我们不用木材来制造一种和钢一样坚固的材料。”
目前,一公斤纤维素纳米纤维的生产成本约为1000日元(9美元)。yano的目标是到2030年将这一成本减半,他认为这将使纤维素纳米纤维成为一种经济上可行的产品,因为它将与塑料相结合,并且与高强度钢和铝合金一样具有竞争力(目前每公斤成本约为2美元)。
行业专家预计到2025年碳纤维价格将下降到每公斤10美元左右。
分析人士认为,考虑到零部件制造商需要大修生产线,并找出将纤维素纳米纤维等新材料固定在其他汽车零部件上的方法,未来高强度钢和和铝合金将成为更受欢迎的替代品。
波士顿lux research的应用材料分析师anthony vicari表示:如果yano的预测证明是正确的,这将是一件大事。但是现在呢,它仍然是一个非常大的'如果'。
2012年秋季,日本纸业生产商王子制纸与京都大学教授矢野浩之等人合作,开发出了纤维素纳米纤维含量在10%以上的新树脂。与过去相比,一辆汽车使用的树脂材料可减轻约20kg,从而使车辆轻20kg。