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1、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
2、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 ltoe（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 l 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
3、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。Jtplxl IVinuuySupplyTuJftl 卜*nsd EncnEy C*jriMirrr|tiiLrii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:T厂上 Upprr-1?3二 .Middle 1?iiMB 一t =_ J H1 a iwr 卜 2000JnduFlril i ranfportnrtion Olher Srvtthrb 4 隔商flhTinF ryf u1（笔者根据IE
4、A统计等编制）亿- A -fl： ?50二盂壽 幣国 |-乘国.-Ihi rrH U.-.翹斯意大利H :世界 1先进国家.4发礙中国家/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
5、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
6、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。E壬一匸云r=B4L 益 uz 書-二 u 二二工汇-r:=+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FJiiuL荃 LD需艮 umq_ 力写0左 UQdsnul图 7 按照日本运输（旅客）部门的移动手段的运输量的推移0196519701975200fl+ AverageCar (Private)
7、AirplcCar (Business-a 乍hip+ Bus Rkw特图 8 在日本运输（旅客）部门按照移动.Tnt直匸第wmuh - 一.i訂120 i I I I u i BVry! r r r i b - - p.-TScITw-rmoifitinc -TPxk-Vc. Ebtr vlunKiSxtfificriiiiiiiiy ：1附】图 15 各种构造用材料的比强度、比刚性的比较U.D 0.10.20.3 C.-l 0.& UEtdbrr Volurnv Pcxtlun亠HLm*宀殳；畔卫甩畠己活图 16 涉及到 CFRP 板材的比弯曲刚性的炭素纤维含有率的影响二 zEMtM从图1
8、5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
