碳纖維材料應用于飛機和汽車行業(yè)

在剛剛過去的2014年北京車展上，價格數(shù)千萬元甚至上億元的豪華轎車、超級跑車奪人眼球。其中，碳纖維扮演著越來越重要的角色。例如，布加迪Black Bess傳奇限量版采用全黑色碳纖維打造，科尼賽克One：1跑車車身配有碳纖維輪圈。

　　目前，以實現(xiàn)“碳纖維汽車”的商品化為目標，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)。2010年豐田上市的跑車雷克薩斯LFA全面采用CFRP（碳纖維增強復合材料）制造車體，成為了關(guān)注的焦點，但其價格也創(chuàng)下了日本國產(chǎn)車中最高的3750萬日元。因為采用的是手工制造的訂貨型生產(chǎn)方式，所以其成本壓縮受限。寶馬通過開發(fā)多種技術(shù)提高生產(chǎn)效率，終于將CFRP成功地應用于量產(chǎn)車。

　　碳纖維是將丙烯等纖維在無氧狀態(tài)下“蒸烤”炭化制成。把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才能成為CFRP。飛機等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構(gòu)件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。寶馬i3使用的CFRP采用了無需加壓加熱的新工藝——RTM（樹脂傳遞模塑）：把預成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結(jié)合，可在10分鐘以內(nèi)成型。 copyright 123456

　　日本的碳纖維產(chǎn)業(yè)實力較強，著眼于長期發(fā)展而持續(xù)投資研發(fā)的日本纖維企業(yè)力壓歐美企業(yè)，掌握著全球70％的份額。寶馬的碳纖維原絲供應商是日本的三菱麗陽。作為正牌環(huán)保材料的碳纖維受到全世界的關(guān)注，碳纖維競爭以日本為舞臺已經(jīng)展開。

　　而中國在此領(lǐng)域也做出了成績。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學研究所等單位聯(lián)合承擔的中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“碳纖維增強熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”日前進行了現(xiàn)場技術(shù)驗收。“碳纖維增強熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”課題于2011年正式啟動，課題組成員研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)碳纖維復合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)碳纖維復合材料汽車部件的自動化制備，效率達到56件/天，并分別采用APA6及PCBT熱塑性單體經(jīng)原位聚合成型制備出大尺寸復合材料汽車底板。該項目突破了碳纖維增強熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)件成型關(guān)鍵技術(shù)，在復合材料體系、熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、設計技術(shù)、連接技術(shù)以及關(guān)鍵裝備等方面取得重要進展。

　　在與汽車比肩的另一個碳纖維主戰(zhàn)場——飛機領(lǐng)域，東麗與美國波音、帝人與法國空中客車分別展開合作，展開了霸權(quán)之爭。 123456

　　1971年，東麗在全球率先開始商業(yè)生產(chǎn)碳纖維。1975年，波音在機翼的部件上率先采用了碳纖維。之后，東麗繼續(xù)不斷改進質(zhì)量，把拉伸強度（斷裂難度）提高到原來的近2倍，拉伸彈性模量（變形難易）提高到原來的近3倍，滿足了眾多用途的需求。其技術(shù)實力備受好評，在2011年投入航運的最先進中型客機“波音787”上，CFRP已經(jīng)占到了機體重量的5成。 內(nèi)容來自123456

　　帝人長期為空中客車世界最大的雙層客機A380供應碳纖維原絲和碳纖維布等材料，并且還將首次以構(gòu)件的形式，向預定在年內(nèi)投入航運的新一代中型客機A350WB的試驗飛機供應機體和機翼等主要結(jié)構(gòu)材料，雙方的合作關(guān)系正在升溫。 內(nèi)容來自123456

　　近期我國成功首飛一款新型號飛機，這款新型飛機廣泛應用了中簡科技發(fā)展有限公司的高性能碳纖維產(chǎn)品。這家自主建成國內(nèi)第一條高性能碳纖維生產(chǎn)線的企業(yè)為我國國防軍工事業(yè)的發(fā)展作出有益探索。 123456

　　碳纖維的需求預計將以每年15％以上的速度擴大。預計5年后，市場將擴大到現(xiàn)在的2倍以上。碳纖維要普及到與鐵和鋁那樣的程度，要解決的課題還有不少。其中比較重要的是成本與成型性。例如，如果要應用于比寶馬i3便宜的普及價位的量產(chǎn)車，在成型后的狀態(tài)下，CFRP的價格需要控制在每千克61元左右。而目前的價格是其數(shù)倍至數(shù)十倍。 copyright 123456

　　于是，由東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、東京大學等組成的研究團隊挑戰(zhàn)了NEDO的項目——能以低價格量產(chǎn)的“碳纖維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）”，并且于2013年2月開發(fā)成功。 123456

　　市場上流通的CFRP大多數(shù)使用的是加熱會變硬的環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂。這種樹脂雖然強度好，但存在加工麻煩等缺點。

　　通過使用加熱會變軟、具有熱可塑性的聚丙烯樹脂，預計可在與鐵沖壓同等的1分鐘以內(nèi)成型。因可以使用模具加工成復雜的形狀，所以能用來制作多種構(gòu)件。其最大的缺點是強度不足，通過實施將碳纖維與樹脂牢固結(jié)合的特殊處理得以克服。 copyright 123456

　　按照該項目的估算，普通乘用車如果把大約60％的鐵構(gòu)件換成CFRTP，車體大約可以減輕30％，汽油的消費量也可以減少22.5％。

　　今后，有關(guān)企業(yè)和機構(gòu)將繼續(xù)研究碳纖維與其他材料的接合技術(shù)等，預計在2020年以后可實現(xiàn)商品化。(中國紡織報) 內(nèi)容來自123456