碳纖維材料應(yīng)用于飛機(jī)和汽車行業(yè)

在剛剛過去的2014年北京車展上，價(jià)格數(shù)千萬元甚至上億元的豪華轎車、超級(jí)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(shí)現(xiàn)“碳纖維汽車”的商品化為目標(biāo)，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)。2010年豐田上市的跑車?yán)卓怂_斯LFA全面采用CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）制造車體，成為了關(guān)注的焦點(diǎn)，但其價(jià)格也創(chuàng)下了日本國(guó)產(chǎn)車中最高的3750萬日元。因?yàn)椴捎玫氖鞘止ぶ圃斓挠嗀浶蜕a(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(yīng)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(jī)等使用的CFRP在成型時(shí)，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(qiáng)度，但成型需要若干小時(shí)，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(yù)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(shí)力較強(qiáng)，著眼于長(zhǎng)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(yīng)商是日本的三菱麗陽(yáng)。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(jìng)爭(zhēng)以日本為舞臺(tái)已經(jīng)展開。

　　而中國(guó)在此領(lǐng)域也做出了成績(jī)。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學(xué)研究所等單位聯(lián)合承擔(dān)的中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”日前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)驗(yàn)收。“碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”課題于2011年正式啟動(dòng)，課題組成員研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連續(xù)碳纖維復(fù)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(fù)合材料汽車部件的自動(dòng)化制備，效率達(dá)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(fù)合材料汽車底板。該項(xiàng)目突破了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型關(guān)鍵技術(shù)，在復(fù)合材料體系、熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、連接技術(shù)以及關(guān)鍵裝備等方面取得重要進(jìn)展。

　　在與汽車比肩的另一個(gè)碳纖維主戰(zhàn)場(chǎng)——飛機(jī)領(lǐng)域，東麗與美國(guó)波音、帝人與法國(guó)空中客車分別展開合作，展開了霸權(quán)之爭(zhēng)。 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(jī)翼的部件上率先采用了碳纖維。之后，東麗繼續(xù)不斷改進(jìn)質(zhì)量，把拉伸強(qiáng)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(shí)力備受好評(píng)，在2011年投入航運(yùn)的最先進(jìn)中型客機(jī)“波音787”上，CFRP已經(jīng)占到了機(jī)體重量的5成。 內(nèi)容來自123456

　　帝人長(zhǎng)期為空中客車世界最大的雙層客機(jī)A380供應(yīng)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(yù)定在年內(nèi)投入航運(yùn)的新一代中型客機(jī)A350WB的試驗(yàn)飛機(jī)供應(yīng)機(jī)體和機(jī)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(guó)成功首飛一款新型號(hào)飛機(jī)，這款新型飛機(jī)廣泛應(yīng)用了中簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)第一條高性能碳纖維生產(chǎn)線的企業(yè)為我國(guó)國(guó)防軍工事業(yè)的發(fā)展作出有益探索。 123456

　　碳纖維的需求預(yù)計(jì)將以每年15％以上的速度擴(kuò)大。預(yù)計(jì)5年后，市場(chǎng)將擴(kuò)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(yīng)用于比寶馬i3便宜的普及價(jià)位的量產(chǎn)車，在成型后的狀態(tài)下，CFRP的價(jià)格需要控制在每千克61元左右。而目前的價(jià)格是其數(shù)倍至數(shù)十倍。 copyright 123456

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

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

　　通過使用加熱會(huì)變軟、具有熱可塑性的聚丙烯樹脂，預(yù)計(jì)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(fù)雜的形狀，所以能用來制作多種構(gòu)件。其最大的缺點(diǎn)是強(qiáng)度不足，通過實(shí)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(xiàng)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(fèi)量也可以減少22.5％。

　　今后，有關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)將繼續(xù)研究碳纖維與其他材料的接合技術(shù)等，預(yù)計(jì)在2020年以后可實(shí)現(xiàn)商品化。(中國(guó)紡織報(bào)) 內(nèi)容來自123456