探秘碳纖維多軸向經編復合技術

本刊記者 陳金燦

碳纖維多軸向經編復合材料已成為生產大型風力發電葉片的首選。

寶馬i8車頂部分及乘員艙結構采用了高強度且輕量化的CFRP碳纖維增強復合材料。

對于碳纖維多軸向經編復合材料可能很多人還覺得陌生，但是一提到前不久寶馬推出的首款新能源跑車i8時卻是眾所周知。其最大的亮點就是i8的整個乘員艙的結構由多層碳纖維復合材料拼合而成。輕量化和高強度是它最大的特點，使用這種材料可以大幅降低車身的重量，有效提升車輛的續航能力。

用于加工該類織物的碳纖維多軸向經編機是紡織織造設備領域前沿科技的代表，雖然市場潛力巨大，但是碳纖維多軸向經編機為國際尖端技術，此前一直被德國企業壟斷，并且價格高昂，單機臺價格不低于1600萬人民幣。據江南大學教育部針織技術工程研究中心蔣高明教授介紹，在我國桐鄉地區針對該類機型與卡爾邁耶利巴簽訂了將近1個億的訂單，足見其存在巨大的市場需求量。

自主創新 打破國際壟斷

德國卡爾邁耶集團生產的碳纖維多軸向經編機在世界市場上一直處于領導地位。由于碳纖維多軸向經編機的制造難度大，產品附加值高等特點，國外設備制造商一直對我國進行技術封鎖，并且價格高昂。

為打破國際壟斷，提升本國設備的市場競爭力。去年江蘇省常州市第八紡織機械有限公司聯合常州市宏發縱橫新材料科技股份有限公司、北京航空航天大學、北京航空制造工程研究所，歷時5年，成功研發出擁有多項自主知識產權的創新技術，制造出中國第一臺碳纖維多軸向經編機，并獲得授權專利34項，整機性能達到國際先進水平，降低了碳纖維生產成本近七成。

“該機的核心技術之一為‘展纖技術’，這是加工輕薄型碳纖維織物的關鍵技術。”據蔣高明介紹，展纖技術即通過加熱、牽拉、擠壓等方式使碳纖維絲束展開、展平，形成紗片，可將12K的碳纖維絲束展寬至10mm以上，超過了國外機型平均8mm的展纖寬度，可生產面密度在100-300g/m2的多層無屈曲輕質高強復合材料增強體。常州八紡機研發的碳纖維多軸向經編機性能達到國際先進水平，而價格僅為進口同類機型的一半，大幅降低了高性能碳纖維預制體的加工成本。

繼常州八紡機之后，大有“青出于藍”的江蘇潤源控股集團有限公司也推出了自主設計研發的碳纖維多軸向經編機，并對展纖機構實行了深入改進，每個帶寬的紗線采用雙組加熱展纖機構，進一步鞏固了展纖效果；同時，還對整個帶寬的紗線進行張力調節，使紗線張力更為均勻。另外，全新的小車鋪紗裝置，可將紗線損耗降至2%以下，實現精準、平行、無彎曲地鋪紗，這些都為確?？椢锏钠秸群洼p薄度提供了有力保障。

碳纖維多軸多向經編復合材料以其綜合性能受到業界廣泛關注。

國產碳纖維多軸向經編機的成功研發，打破國外技術壟斷，填補國內紡織機械空白，也為民族工業的發展注入了新的活力。

高精尖領域市場潛力巨大

碳纖維多軸向經編復合材料因其具有輕質、高強、高模、耐高溫、耐腐蝕和抗分層、抗蠕變、抗沖擊等優良性能，成為高端應用領域的優選材料，在航空、航天裝備的輕量化、小型化和高性能化上起到了重要的積極作用，并越來越廣泛地應用到航空航天、風力發電、清潔能源汽車、交通輕量化等領域。

據蔣高明介紹，如果將碳纖維多軸向經編復合材料用于戰斗機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼等部位的話，與金屬結構材料相比可使重量減輕31.5%左右，并可減少61.5%左右的零件，減少61.3%左右的緊固件。民用航空領域中，在波音787型客機上，該材料的比例更是達到50%以上，我國C919飛機上也使用大量該類材料以保證在不損失材料強度和剛度，確保飛行安全的前提下，減輕機身重量，可節省20%的燃料。

另外，在強調綠色能源和可持續發展的背景下，世界各國都對風能的開發利用表現出了高度重視，碳纖維多軸向經編復合材料已成為大型風力發電葉片材料的首選。

韓國南方電力公司(SSP)和三星重工聯合開發了7兆瓦，單只葉片長度為83.5m的海上風力發電設備。其整體結構選擇碳纖玻纖混編材料制造，并且在梁帽、翼緣和葉片根部等對材料強度和剛度要求較高的部位采用碳纖維多軸向經編復合材料進行加固，以保證葉片運行的穩定性、安全性和耐久性。我國的連云港中復集團也生產出6兆瓦、75m的葉片，東方汽輪機有限公司也生產出5兆瓦、60m的葉片，在這些產品中，均大量采用碳纖維多軸向經編復合材料，其輕質高強和腐蝕耐候性強等特點將使其在未來的大型、超長風電葉片產業中占據主導地位。

電動汽車，作為新興的清潔能源交通工具，逐漸成為各大汽車廠商研發的重點，而其動力來源和動力系統決定了輕質高強的汽車骨架和殼體是一款高性能電動汽車的必要前提。寶馬公司最新推出的i8新能源跑車就是一個典型的代表。其強度要求最高的A柱和B柱等部位都是由碳纖維增強塑料制成。據了解，碳纖維多軸向經編復合材料的質量是鋼鐵材料的25%，但強度卻是鋼材的10倍，碰撞吸能性能比鋼或鋁高出45倍，其優良的綜合性能受到業界的廣泛關注。

對于碳纖維及復合材料未來的市場前景，國內知名證券公司申銀萬國相關負責人表示非?？春茫J為，目前，中國碳纖維及復合材料的應用分布仍與世界存在較大差距，工業用碳纖維及復合材料發展潛力巨大。中國目前碳纖維及復合材料市場需求量為1.65萬噸以上，現只能生產T300級和以下級別產品約0.2萬噸。未來伴隨著世界碳纖維電動汽車帶動的市場應用，預計2018年全球碳纖維及復合材料的需求將達到8萬噸，按目前產能計算缺口達60%，世界各主要廠家均在計劃增加相應產能。