有助于轻量化的高分子系列复合材料的现状和未来.doc

有助于轻量化的高分子系列复合材料的现状和未来1 前言运输设备的轻量化针对减少燃料消耗和温室化效应来说是有效方法，这一点谁都知道。但是，作为超轻量构造材料的FRP，在成本和安全性，以及在近年来的再循环利用性等观点来看，是否能够充分地利用到通用的运输设备上，这一点还很难说。尽管如此，以中国为首的非OECD各国今后的人口增加和经济发展所引起的比现在更加严酷的全球环境问题、能源问题，将不会是离我们太远的事情了，因此，需要开发适用的节省能源技术。在本稿当中，在具体明确作为运输部门应该采取对策的必要性和困难程度的同时，也要明确作为运输设备超轻量化技术的CFRP的早期引进的重要性以及技术上的课题等。2 宏观长期分析图1表示的是相当每一人的一次能源供给量以及按照部门划分的最终能源消耗量。图2表示的是世界、OECD、非OECD以及主要国家的人口变化预测。也就是说，在2000年，60亿人口，每人平均消费了1toe（石油换算吨）的能源，如果在不采取新对策的情况下，到2050年，人口达到90亿，就有可能每人平均消耗3toe。这就意味着，2050年世界需要现在4.5倍的能源，而不是百分之几或百分之几十的概念，因此，这也就是意味着需要进行数倍的效率改善。另外，从图1也可以看出，非OECD各国运输部门的比例还是很小，但是，正如从图3所表示的日本事例可以看出的那样，与生活方式直接相关的运输（旅客）部门和民生（家庭）部门的能源消费量则是产业部门等的节省能源努力的结果，该努力在今后也将继续地努力下去，因此说，它是需要靠技术来进行支撑较高的部门。图1 人均一次能源供给量以及按照部门类别最终能源消费量（笔者根据IEA统计等编制）图2 世界人口推移与预测（根据联合国人口推计）图4表示的是，按照能源类别所观察出的按照世界各部门划分的消费比例，由此可以看出，运输部门几乎还是只靠石油。另外，图5表示的是日本的事例，从中可以看出，运输部门的能源消费几乎都是由私家乘用车和卡车所造成的。也就是说，根据非OECD各国的交通工具机械化，首先将会毫无疑问的是要造成石油的供应不足，天然气的供应今后将会也是如此，由此也就可以理解了提高汽车燃油经济性是一个紧急的课题了。图3 按照日本部门划分最终能源消费量的推移（以将1973年作为1之后时的比来表示）图4 根据能源资源划分来看的按照世界的部门划分的消费比例（笔者根据IEA统计等编制）图5 按照日本运输部门的机关划分的能源消费量推移3 按照旅客、货物分类的分析和未来的预测3.1 旅客部门首先是图6，它表示的是按照日本国内旅客部门移动手段划分的能源消费量的变化，由此可以看出，由于私家乘用车造成的能源消费增长很大，几乎占有了整个的总量。另外，图7表示的是按照日本国内旅客部门移动手段划分的运输量变化情况。用图7的数据除以图6的数据得出的就是图8，它就是按照最近所被知晓了的移动手段划分的能源消费效率（旅客运输效率=每一个人为了移动1km所需要的能源量）。看了这些总量和原单位之后，认为铁路和客车是对环境较好的乘坐工具，但是，对其旅客运输效率影响较大的乘车率的地域差，比私家乘用车还大，另外，由于基础设施的完善对周边环境带来的长期影响也很大，因此，很难建立为了计划性换乘的政策。 图6 按照日本运输（旅客）部门移动手段划分的能源消费量推移图7 按照日本运输（旅客）部门的移动手段的运输量的推移图8 在日本运输（旅客）部门按照移动 手段划分的能源消费效率的推移稍稍改变一下视点来看的话，图9表示的是日本国内的人口、家庭数、每家庭的人口变化，图10表示的是按照年龄人口构成的变化预测。一般来说，所说的私家乘用车的保有量经常是以每个人口相当于几辆车这样地进行比较，但是，在增加到了逻辑函数（参照图21）之后，以相当于每家庭数1辆多来进行饱和这样的考虑是自然的（当然，该饱和值在城市地区和农村地区是有差异的）。另外，相当每1辆私家乘用车的年间行驶距离，预测将会随着高龄层的增加，特别是，在驾驶证保有率较高的高龄层，今后的先进国家，将会增加，虽然先进国家逐渐进入了人口减少的社会，但是，由私家乘用车所造成的燃料消费量仍将会增加。图9 日本人口、家庭数、家庭平均人数的推移图10 按照年龄划分人口构成的推移与预测从以上的变化和其原因分析来看，就可以理解在城市型、地方型分别推进铁路和客车的政策根据了，但是，从至今为止的社会实验可以看出，使服务降低的环境对策是困难的。例如，在高龄化社会当中，除了环境负担增加之外，事故的增加也令人担忧，因此，可以认为，创造、充实使人安全、放心、舒适的交通客车以及低环境负担的交通服务等是十分重要的。3.2 货物部门图11、图12、图13表示的是，在按照日本国内货物部门运输手段划分看到的能源消费量、运输量、能源消费效率（货物运输效率=将1吨货物运送1km所需要的能源量）的变化。与在旅客部门的私家乘用车同样，卡车运输占了能源消费的大半，其运输效率的改善和向运输效率更好的铁路、海运的转换，在减轻环境负荷方面取得了很好的效果。但是，前者是在柴油机排放对策工作繁忙的追迫下没有进展，而后者是从运输时间段和货物换装成本等来看，也还是没有进步。图11 在日本运输（货物）部门按照运输 手段划分的能源消费量的推移图12 在日本运输（货物）部门按照运输手段划分的运输量的推移在有关削减在货物运输当中的消费能源问题，在京都议定书的议论当中，尽管是对如何控制被密集化了的运输部门的能源消费量增长的这一问题进行了讨论，但是，作为削减原油价格高涨这一商业空间成本问题，它仍然还是一个紧迫的课题。因此，恐怕还是需要再次修正对策技术和针对费用的效果，而重新制定政策。图13在日本运输（货物）部门按照运输 手段划分的能源消费效率的推移3.3 长期能源需求的预测在进行了以上的因素分析之后，对按照运输手段分类划分，可以进行能源需求的预测，也可以预测出作为总计能源需求的预测，但是，各个的假定因素很多，另外，不能取得相互的整合性因素也很都多，因此很难获得统一。再有，在考虑今后几十年的长期能源需求时，人口众多的发展中国家的每人平均能源消费量的预测是重要的，但是，正如从图14中所示的长期数据所看出的那样，各国能源消费量的推移，在很大程度上受到经济、社会系统的变革的左右，因此，我们认为，个别的要素分析要在每隔数年进行的个别对策修正的时候来使用，而宏观的需求分析要从宏观的角度来掌握其倾向，这样的话比较合理。图14 日本人均一次能源供给量的超长期推移4 树脂系列复合材料对汽车轻量化的潜力通过前一章的讨论，能够说是共同的那就是乘坐工具的轻量化有助于减少环境的负担，特别是私家乘用车和卡车的轻量化，减少宏观的环境负担的效果更大（卡车的轻量化以增加装载量的形式，其结果是减少了每运输吨、公里的消费能源）。在本章当中，就日、美、欧之间竞争激烈的量产车用树脂系列复合材料，介绍一下根据其轻量化的潜力和LCA的分析结果。4.1 轻量基础材料的比强度、比刚性的比较图15表示的是作为汽车构造部件材料所考虑到的各种材料的比强度、比刚性的比较。在汽车构造中，是进行弯曲刚性的比较，因此，作为比刚性，使用的是用密度除以拉伸弹性模量的立方根了的构造效率指标。根据该图可以清楚的知道，金属材料对于在强度中所具有的变化的刚性是一定的，根据纤维形态、纤维含有率、成形方法，可以发现幅宽特性。在此，表示了作为炭素纤维强化热硬化性树脂（CFRTS）实际业绩的飞行器和F1赛车，以及作为低成本正在进行开发当中的事例。再有，炭素纤维强化热可塑性树脂（CFRTP）在开发当中的有很多，但是，其最大的目标之一就是提供低成本的板材，根据炭素纤维的体积含有率的不同，在力学特性之上，材料成本的变化更大，因此，设定适合目的的纤维体积含有率是十分重要的。图15 各种构造用材料的比强度、比刚性的比较图16 涉及到CFRP板材的比弯曲刚性的炭素纤维含有率的影响从图15可以看出，可以期待CFRTS无论是在强度部件材料、刚性部件材料上，比金属材料都可以实现大幅度的轻量化，也可以清楚地知道，CFRTP作为强度竞争材料的刚性部件材料的轻量化潜力很大。图16表示的是，有关作为复合材料基体来使用的一些树脂，使炭素纤维的体积含有率变化，CFRP的比弯曲刚性，图17和图18表示的是将钢作为1的情况下，发现相同弯曲刚性的板材的质量和板厚。首先来看图17，由此可以知道，钢板根据铝化可以轻量化约一半、根据镁化可以轻量化约4成、根据CFRP最高可以达到轻量化约3成。另外，我们也由此可以知道，在CFRP当中，即使增加昂贵的炭素纤维的体积含有率，弯曲部件材料的轻量化效果，也不会增加那么多，但是，相反，炭素纤维的含有量过低的话，就会出现如图18所示的那样板厚增加或弹性变形的应变范围变窄、容易造成疲劳，因此，需要适合用途的适量的炭素纤维含有，这一点很重要。图17涉及到CFRP板材的对钢铁轻量化率的炭素纤维含有率的影响图18涉及到CFRP板材的对钢铁板厚比的炭素纤维含有率的影响4.2 根据CFRP的车身轻量化事例和LCA当然，上述的CFRTS、CFRTP也在量产车用上正在开发当中，但是，在某种程度上清楚了开发目标值和其效果之后，在近几年来，特别是热可塑性树脂相关技术的得到了惊人地提高。图19表示的是在使用了这种新材料了的情况下的阶段性车身轻量化的事例，从成本、制造速度、再循环利用性方面考虑，为了分别解决其问题的技术开发得到了进步，实现超轻量量产车的可能性相当高。图19 根据私家乘用车的CFRP的阶段性轻量化事例图20 根据CFRP将私家乘用车轻量化之 后时的寿命周期能源消费量的变化在上述，清楚了地知道了根据CFRP实现乘用车轻量化的潜力，图20表示的是在寿命周期的能源消费量的计算结果。也就是，起因在炭素纤维的制造原单位大小，在只是以CFRTS来进行轻量化的情况时，到部件材料制造的能源大，在寿命周期的节省能源效果只是在-17%，与CFRTP并用（主要用于板材）在不损害轻量化率的同时，能够提高节省能源的效果，再有，根据再生循环利用，将会获得更大的节省能源的效果。5 超低燃料消耗车引进效果作为今后石油使用量增加的重要原因是非OECD各国的汽车保有量的增加。在本章，以在21世纪最初、作为过去最大的汽车普及时期的中国为例，就有关汽车普及时期的预测和由此带来的燃料使用量的增加，以及根据超低燃料消耗车的引进，将会何种程度地控制燃料消耗所进行的讨论结果进行一下介绍。图21 在中国私家乘用车保有量的预测图22 根据中国私家乘用车的能源消费量的预测和根据 超低燃料消耗车引进时期的节省能源效果的差异图21是中国乘用车保有量的预测结果，图22表示的是，只是由中国乘用车带来的能源使用量变化。从图22可以看出，2020年以后的能源使用量将会明显增加，在不采取对策的情况下，在2032年，只是中国国内乘用车的燃料消费就会与现在日本总能源的消费量相同，由此可以知道，早期地采取对策，对于作为积分值的能源消费量的减少是极其有效的。也就是说，如果不在2020年之前将廉价的超低燃料消耗车引进中国市场的话，那么将会造成巨大的能源消费。但是，在2020年前实现能够以可再生能源起源的氢的燃料电池车是困难的，因此，从针对温室化效应对策的角度出发，特别是早期地引进轻量化效果高的CFRP超轻量车是必不可缺的。6 结束语考虑到以中国为首的非OECD各国的今后人口增长和经济发展的话，应该在先进国家，树立起为了彻底的省能源技术和可持久社会的这