方鲲1 刘康2 徐坚3 李同辉4

1.北京纳盛通新材料科技有限责任公司

2.北京碳复科技有限公司

3.深圳大学

4.中化集团塑料公司

东丽株式会社成立于 1926 年，其前身是东洋人造丝公司，1970 年 1 月，东丽从公司名称中去掉“人造丝”一词，更名为“东丽株式会社”，是世界著名的以有机合成、高分子化学、生物化学为核心技术的高科技跨国企业，目前东丽在23个国家和地区拥有280余家公司。

东丽集团公司提供市场上范围覆盖最全的碳纤维材料，从用于飞机应用的高性能纤维，到价格实惠的大丝束纤维。由于在技术和加工能力方面的战略投资，公司的能力还包括织物、预浸料和中间材料。

公司在日本、韩国、法国、匈牙利、墨西哥和美国等全球范围内制造碳纤维，确保基于当地业务的稳定供应和快速交货。在亚洲、欧洲和美洲也建立了中间材料生产基地，确保了地方层面的完整、垂直整合的供应链。

面对全球日益严峻的竞争态势，东丽除了加大扩建力度，还通过联合或收购上下游企业的形式，垂直整合产业链，提升企业的整体竞争力。东丽集团于2013年进行了一系列的收购行为，其中包括3月收购位于日本滋贺县米原市的日本赛车设计和制造商童梦Carbon Magic公司及其泰国工厂，并更名为东丽Carbon Magic株式会社。东丽看重童梦Carbon Magic公司拥有丰富的工程设计、原型设计经验和技术实力，凭借童梦在泰国工厂的热压罐技术和价格优势，能够与现有的多种技术形成协同优势，可有效提升东丽的产品竞争力。

下面我们来介绍东丽Carbon Magic公司以多年开发培育的复合产品的制造、设计技术为基础，并与东丽所拥有的素材开发技术相融合，开发、制造出世界上没有的新产品。

日产汽车：新型EV赛车概念车“NISSAN LEAF NISMO RC”01

图1 车长：4546mm 宽1942mm 高1212mm /重量：1220kg

全新日产NISMO电动超跑概念车由日产国际汽车运动公司（NISSAN MOTORSPORTS INTERNATIonAL CO. LTD，简称NISMO）设计外形极具运动风格。新款电动赛车重量仅1220公斤，使用碳纤维单体结构打造，拥有轻量化以及高强度的优势，在保持自身卓越风阻系数的基础上，具备了更优异的空气动力学性能。

东丽Carbon Magic协助主要结构部件的开发和制造，为车体整体的轻量化和重量平衡的优化做出贡献。

新型EV赛车概念车“NISSAN LEAF NISMO RC_02”作为NISMO展现了以下概念：

・体现“尼桑智能移动性”的出色性能；

・投入NISMO的赛车技术，大胆地提出日产EV的可能性

作为东丽Carbon Magic公司，在作为主要组件的单旋塞，副框架等的零件开发中，通过使用尖端技术在强度解析，制作工序设计等合作，实现了大幅度的轻量化。

主要结构部件的单旋塞、副车架、破碎箱、翼采用CFRP并通过高压釜成型。确保必要的刚性的同时实现轻量化。对单旋塞底盘的辊架进行结构解析，通过CFRP进行强度增强，实现了直径38mm的小口径和薄壁化。在子框架中，与旧车型的钢结构相比，实现了约25%的轻量化。并且，通过前后共同的设计降低了成本。此外，作为外装零件的车顶采用了VaRTM工艺，无需预浸料和高压釜设备的VaRTM成型法，在车顶和发动机罩等平面简单的形状零件中，可以有效抑制成型成本。

图2 CFRP部件

YAMAHA：工业用无人机YMR-0802

图3 YAMAHA工业无人机：长度1923mm，宽2181mm，高669mm

通过机体的CFRP单体结构，实现了很多部件的集成，减少了零部件数量和成本的降低。

工业用无人机“YMR-08”为了达到最大起飞重量25Kg，采用了实现设计性及最轻量化的CFRP单体结构机身及CFRP可动螺旋桨。东丽Carbon Magic从最开始即参与开发、通过独自的设计和解析技术与YAMAHA技术相融合，耗时三年完成了工业化生产。同时，由于采用单体结构，大大减少了零件数量，有效的控制了成本。

单旋塞车身采用高压釜制法。实现了用其他制造方法难以成形的形状。螺旋桨臂采用座椅绕制法。通过本公司的材料、设备进行生产，为保证品质、降低价格做出了贡献。

图4 CFRP部件

图5 试飞场景

YAMAHA：无人驾驶工业直升飞机FAZER R03

图6无人驾驶直升飞机：机体长3665mm，宽770mm，高1078mm

Fazer R主要用于农业领域，它能在空中每次最多可携带32升药剂，向接近4公顷农田喷洒农药。Fazer R 配备燃油喷射发动机，可提供20.6kW的功率输出，这样可以做到更有效率农业作业工作，它最大载重35千克，可飞行最大续航里程为90公里，值得一提就是它飞行高度可最高达2800米，是一款高端商用无人机，可以用于测量、监视、拍摄、运输等用途。无人机的起飞由工作人员操控，在离陆后会根据事先设定好的程序在视野外的区域进行自动飞行，常被用于火山观测、放射性物质测定等。新机型与老版相比可载重量、飞行高度、续航时间均有大幅提升。最高速度可达每秒20米，可控距离为30km，续航时间为100分钟。

图7 试飞场景

图8 CFRP部件

图9 YAMAHA无人直升飞机

达卡拉力赛！本田 CRF450L Rally越野摩托04

图10 车体长2100mm，宽790mm，高1120mm

实现部件整合和最轻量化，确立高压釜的生产技术，为降低价格做出贡献

巴黎达卡拉力赛用赛车“CRF450RALLY”是以市售的空姐为基础开发的拉力赛用原型机。本公司参与了开发时的试作品制作，作为重要零件的后框架，塔托架，滑板等用CFRP制作。赛车零件的制法就那样与本田先生技术融合，为零件合并和最轻量化等贡献。另外，确立了高压釜的生产技术，为降低价格做出了贡献。另外，通过本公司的材料、设备进行生产，为品质保证做出了贡献。

图11 CFRP部品

本田打造的梦幻机车RC213V-S05

图12车体全长2100mm，宽790mm，高1120mm，重量：170kg

本田在历史上曾打造过无数经典摩托车，但其中最昂贵的可能就要数这辆2016年生产的RC213V-S了，全球限量300台，简单来说，这是一辆价值18万美元的带车头灯和牌照的MotoGP赛车。

RC213V-S车重170公斤，排量为1000cc，四缸V型引擎，最大马力达到了200匹。为了减轻车体重量，RC213V-S采用了碳纤维复合材料(CFRP)及钛金属部件。其中挡风罩，空气滤清器及挡泥板等部件均为碳纤维复合材料(CFRP)。粗壮硕大的后摇臂巩固着车身尾部的稳定，碳纤维原色后挡泥板搭配黑色的17吋7爪锻造镁框，衬托HRC彩绘车壳更出色。

图13 CFRP部件

全复合材料太阳能飞机06

图14太阳能飞机：全长6,200mm／宽 16,000mm／高 1,900ｍｍ

全复合材料机身——有效地确保了强度和刚性，实现了轻量化

该项目是受国立新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，将碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维适当配置的混合复合材料结构，运用FEA进行了优化，与采用东丽的高弹性及高强度碳纤维相结合，有效地确保了强度和刚性，实现了作为目标的轻量化。

图15 设计过程

碳纤维复合材料太阳能车07

图16 太阳能汽车：车身全场 4970mm／宽1200mm／高 1000mm，重量142kg

东丽Carbon Magic公司自2011年起，开始支援东海大学太阳能汽车队参加隔年召开的世界太阳能车挑战赛，2019年大会出场的太阳能车Tokai-Challenger-2019是通过空气动力分析和结构分析优化的超轻量CFRP机身采用了东丽的新一代碳纤维M40X，进一步实现了比刚性和比强度的提高，为新飞机的高性能化做出了贡献。

图17 CFRP车体

全碳纤维复合材料旅行箱08

图18 纤维复合材料旅行箱

高弹力、高耐久性、超轻量的新素材—碳纤维，与传统的行李箱相比，实现了约20%的轻量化

英国顶级箱包品牌 GLOBE-TROTTER 始创于 1897 年，其行李用品和皮革系列以典型的英伦风格设计而闻名于世。今季，这个百年老牌与 NEIGHBORHOOD 携手合作推出新一代旅行箱，通体传递暗黑特质，设计方面则采用最新 “Aero Carbon” 专利技术物料，为一种利用 14 层纸皮以高温压制而成的专利硬纸纤维，不仅让行李箱更轻巧，而且比皮革更坚韧耐磨。除此之外，旅行箱的八个箱角均使用真皮包覆，来减少旅行时可能遇到的碰撞，亦是十分贴心。

No Time To Die (无暇赴死）行李箱系列

丹尼尔克雷格再次出演007系列电影No Time To Die中的James Bond詹姆斯邦德。为了庆祝这部电影即将上映，英国豪华品牌GLOBE-TROTTER推出No Time To Die碳纤维版行李箱系列。这个系列在设计和材料上突破界限，凭借新四轮设计和首创的碳纤维外观，同时能符合大多数航空公司的登机要求。

灵感源自电影中行李箱的特色，该系列包含新的4轮行李箱，采用经典的海洋绿色硫化纤维板配上黑色皮革边饰的手提登机箱以及托运行李箱，附上黑色压印No Time To Die 标志的行李牌使得整个系列更完善。

图19 全碳纤维成型拉杆箱

图20 碳纤维拉杆箱

竞技用轮椅世界首台：残疾人羽毛球轮椅09

图21长800mm，宽733mm，高527mm，重量：10kg

以松永制作所的羽毛球比赛用铝框架轮椅为基础，制作了轻量化和高强度的CFRP轮椅，与传统的铝框架轮椅相比，重量减轻了20%。在前后跑动激烈的羽毛球比赛中，由于兼顾了轻量化和高刚性，提高了队员的击球精度和节省了体力，减轻了疲劳。

图22 CFRP部件

残疾人运动竞技用轮椅轮毂

图23 CFRP轮椅轮毂

Xiborg公司：碳纤维复合材料刀片式假肢10

图24 CFRP刀片式义肢

Xiborg Genesis的诞生是刀片式假肢领域的一个突破。创始人远藤谦选用碳纤维增强复合材料作为义肢本体材料，既强化了义肢的弹性和坚固度，又减轻了质量。除了体育用品行业，它目前还被普遍应用在军事、航空和赛车等领域。

但仅仅增强弹性，并不意味着义肢会变得更快，选手的跑动状态、身体平衡感甚至跑动时的肌肉力量波动等因素都要在设计时考虑。远藤谦告诉《第一财经周刊》，刀片从中部到后部的曲线弯曲弧度至关重要，它决定义肢在垂直方向的稳定性和前进的位移距离。

面向短跑运动员者的刀片式假肢，为了使选手的强大的脚力有效地作用于前进力， Xiborg公司采用了最新CFRP设计解析手法进行最优化，使用东丽公司的高性能碳纤维预浸料和高压釜成型技术，克服了各种各样的困难，终于使产品面世。

图25 比赛中运动员穿着CFRP义肢

碳纤维复合材料(CFRP)轻量化EV概念车“ItoP”11

图26 长4280mm×宽1930mm×高1350mm 重量850kg

采用薄而坚固的碳纤维与热固性树脂构成的复合材料打造而成的电动汽车(EV)在日本亮相，该车在维持强度的同时实现了轻量化，还能延长行驶距离，减小对环境的影响。由于采用一体成型技术，大幅度减少了零部件的数量，比传统的金属车身的300kg减轻50%的重量，总重量140kg。

特点：

（1）东京大学高分子材料学教授伊藤耕三主导开发的新材料“柔韧的硬聚合物”适用于以汽车等运输设备的结构材料和结构部件，可飞跃性地提高轻量化水平、功能性、安全性、可靠性。本次研发为了验证上述目标，大量地灵活的采用的各种材料，终于完成了电动汽车（EV）的概念车“I to P（Iron to Polymer，itop）”。

（2）在“I to P”中，车辆的树脂化比以前提高了约4倍的47%。通过采用树脂实现了大尺寸侧窗和透明屋顶和前窗一体化，使之兼备到现在为止没有的形状和空气动力学，创新了一体成型的单体结构。通过车身框架（重量140kg，约为一般金属制车体的一半），实现了强度、刚性都兼顾的碰撞安全构造。

（3）在悬架、弹簧、车轮等绕脚部件上也应用了碳纤维复合材料（CFRP），可以实现大幅度的轻量化（车辆重量850千克，轻量化率38%）。通过采用节能型的开发技术，包括制造工序在内的10万公里行驶时的温室效应气体（GHG）排放量与传统材料的铁、玻璃、轮胎等制造的车辆相比，降低11%。

01造型设计和空气动力

如图所示的外观形状，体现了以柔软性和韧性为主题，仅通过将车体整体树脂化的设计理念。车身由连续曲面构成，车门和车窗部分使用了住友化学的两种透明树脂，确保达到了挡风玻璃的强度要求。大尺寸的玻璃车窗和车门，独立的前挡泥板，被遮盖了的后轮等，兼备对未来科技感十足的造型和出色的空气动力性能。

图27 车身设计及空气动力学分析

02单体结构

车身结构部分使用了东丽开发的新型碳纤维增强树脂复合材料，这种新型材料是东丽利用其纳米合金(NanoAlloy)技术，将环动聚合物聚轮烷均一分散到聚氨酯中形成纳米尺度网状结构的柔性新材料，并将其作为CFRP的新型基体树脂。在受到冲击时仍能保持强度和刚性，在反复弯曲疲劳特性测试中实现了约3倍于传统CFRP的抗疲劳特性。

从轻量化、高刚性及耐冲撞性能的观点出发，车辆的框架采用了兼有外板的单体成型车身，与由碳纤维和热固性树脂构成的复合材料的优良物性相结合，不仅实现了零件数量的极端削减等合理的车身布局，而且轻量化得到了很大的提高。重量从普通金属单体框架的300公斤减少到140公斤，减少了50%以上。

图28 CFRP一体成型车体

03悬架

以往，树脂化被认为很难作为悬架部件的材料，通过使用此次开发的环动聚合物结构作为碳纤维复合材料的基体树脂，达到了所要求的性能和功能。除了主要的悬挂部件，大变形量弹簧也采用了CFRP。

图29 CFRP悬架

图30 CFRP弹簧

04电池箱

随着新能源汽车的发展，已经有很多人会选择购买电动汽车，但是电动车汽车存在一个严重的问题，就是车辆续航的问题，那为了保证车辆本身的撞击性能，还需要兼顾轻量化的特点，就使得碳纤维电池箱体有了很好的应用。

碳纤维材料比模量非常高，对酸碱盐的等物质不会产生化学反应，不用担心电池箱体会产生腐蚀、生锈等情况。而且因为碳纤维的抗冲击吸振能力强，在遇到撞击时，它的能量吸收率是钢的3-5倍，因此碳纤维复合材料(CFRP)电池箱可以更好地保护电池不受损坏，重量减轻30%。

图31 CFRP电池箱

05CFRP轮毂

包括轮胎在内弹簧以下转动部分的轻量化有助于提高车辆整体的性能

本项目采用创新的橡胶素材作为「ItoP」轮胎的专用材料，不仅提高了耐磨性，还节省了轮胎材料的用量，节省了资源。特别的设计减少了5%的滚动阻力和空气阻力。此外，轮毂与悬架部件一样，使用了碳纤维复合材料（CFRP），提高了车辆的耐冲击性，包括轮胎在内的弹簧以下的旋转部分的轻量化，对车辆整体的性能提高做出了很大的贡献。