碳纖維巨頭對話

策劃/執行 本刊記者 寧翠娟

近兩年來國內碳纖維的發展取得了可喜的成績。1月8日，在國家科學技術獎勵大會上，由中復神鷹碳纖維有限責任公司、東華大學和江蘇鷹游紡機有限公司共同完成的“干噴濕紡千噸級高強/百噸級中模碳纖維產業化關鍵技術及應用”項目榮獲了2017年度國家科學技術進步獎一等獎。近日該公司再傳喜訊，其T1000級碳纖維工程化取得突破性進展，完全自主研發的百噸級T1000碳纖維生產線實現投產且運行平穩。

而在國際上，碳纖維的相關技術應用也在2017年得到了極大的發展，來年市場的普及化有望進一步提高，但不可否認我們仍然面臨挑戰。2017年年末在查爾斯頓舉行的CompositesWorld年度碳纖維會議上，一場來自碳纖維相關巨頭公司的對話對于行業未來的發展頗具啟發。

在應用領域的成長與挑戰

對于碳纖維在汽車領域的應用，通用汽車公司工程組經理Mark Voss系統地闡述了該領域將會面臨的挑戰。Mark Voss主要研究開發體結構先進復合材料，根據他在Corvette車系中應用碳纖維面板的經驗，他建議，盡可能選擇熟悉的材料形式和加工技術，可控性是新型碳纖維部件成功的關鍵。并且盡可能在新應用中限制“新聞”的產生，也就是說限制汽車行業的新技術和流程的數量。因為在碳復合材料中，材料和工藝的變量本來就很多，當盲目地加入熟悉度不高的新事物時，實施結果的復雜性將會被大大擴大。他用一個數據作為例證，當我們在A類表面上工作時，變量會被放大100倍。

Mark Voss還強調了連接技術對于引入碳元件的重要性，這些碳元件必須與汽車結構中的不同材料結合在一起。此外，目前碳材料的成本較高，使得碳復合材料的成本競爭力看似很低，但是，他建議大家高瞻遠矚，考慮一下廢鋼的成本，那么選擇碳纖維終究是一條明智的路。“我非常期待看到這個房間里的人，在未來20年帶給我們的是什么。”他在發言的最后說道。

美國波士頓勒克斯研究所的Anthony Vicari報告了碳纖維行業發展預測數據，到2020年，碳纖維產能預計達到15.1萬噸/年，實際產量預計減少約10%～20%。到2025年，碳纖維的需求預計將達到22.8萬噸/年，其中風能和航空業增長最快。如果這些數據真的實現了，那么在2025年之前，汽車上碳纖維的利用普及率將會提高，不再為豪華車型獨享。

他還說道，鐵路、建筑維修和大型海洋船舶領域對玻璃鋼（碳纖維增強樹脂材料）的需求將繼續增長。在鐵路領域，如果用玻璃鋼制的轉向架取代鋼鐵的話，可以將鐵路車輛的重量減輕近1 噸，并且耐腐蝕性很好，可以提高維護和使用壽命。此外，碳纖維在橋梁維修上也有大市場，目前玻璃鋼的制備和使用技術非常成熟，但基礎設施市場還沒有把注意力放到這上面。這一切的激發點只需要等時機成熟，比如等美國LeMond復材所和橡樹嶺國家實驗室開發出低成本的碳纖維，再委托制造商代工生產，或是等由FARO Technologies和Oxford Performance Materials等創新廠商開發出的改進修復技術。

在風能領域，碳纖維的路可能不會太順，已經不止一位發言人指出，風力發電機制造商正在尋找高模量玻璃纖維而不是碳纖維。美國能源部桑迪亞國家實驗室的轉子氣動彈性主管Brandon Ennis引用市場信息咨詢公司MAKE提供的數據進行分析，提出價格、供應鏈以及制造敏感性問題正是風力渦輪機制造商努力擺脫碳排放的原因。

Brandon Ennis強調，風能應用需要碳技術人員從航空航天的性能設計轉向成本驅動的設計。盡管2015年，碳在4兆瓦～8兆瓦的渦輪葉片中沒有什么應用，但是Sandia、ORNL和蒙大拿州立大學已經開始為期兩年的聯合研究，他們正在評估具有成本競爭力的定制碳纖維復合材料在風力渦輪機葉片中應用的商業可行性。所以，未來在5兆瓦以下和10兆瓦以上的渦輪機中使用一些碳材料還是可能的。

復合材料回收可打開全新市場

因為使用變廣，碳纖維增強樹脂材料對有效回收利用技術的依賴性更高。雖然目前大多數回收利用都集中在碳纖維增強樹脂材料加工工藝的廢料上，但是隨著回收廢舊復合材料部件的需求日益增加，到21世紀20年代后期，其將占回收廢棄物的很大一部分。就復合材料的回收問題，Mark Voss和Anthony Vicari等人成立了一個討論組，由復合材料回收技術中心的Geoffrey Wood主持。

Geoffrey Wood強調復合廢料流可以通過打開全新的市場，使碳纖維銷量變高，因為這將使得碳纖維增強復合材料的產品成本更低。隨著自動化程度和零件加工效率的提高，未來廢鋼產量將會減少，復合材料行業需要做更多事情，以便搶占更替環節的領導地位。

數據顯示，可回收碳纖維的市場可達5.5萬噸/年，每年可提供5萬噸回收廢料。ELG碳纖維有限公司的Frazier Barnes指出，碳纖維每年預計產量12萬噸，但是需求量高達22.5萬噸/年，巨大的差距可由回收碳纖維來彌補。同時，回收碳纖維比回收金屬和塑料更具競爭力。

使用再生纖維的鐵路轉向架，圖片來源：哈德斯菲爾德大學。

目前ELG公司在回收碳纖維上已經取得了一些成就，其碳回收材料已經在美國的19輛車上進行了6個月的道路測試。如果此次測試通過的話，每年將有20萬輛車在車身上利用6公斤的碳回收材料。

除此項目外，其他可商業化生產的項目包括：（1）導軌轉向架，使用壓縮成型預浸料，使用80%碳回收纖維和20%原碳纖維制成的碳纖維增強樹脂材料導軌轉向架構架，可使切割重量減輕75%，輪對軌載荷減少40%；（2）汽車油盤，使用包覆碳纖維填充熱塑性塑料的碳回收纖維制造墊坯，一次性實現凈形部件，與玻璃纖維增強塑料（GFRP）相比，可節省30%的重量；（3）座椅，相對于13公斤的原始金屬部件，用碳回收材料可提供重量僅為2.5公斤的部件。

對于目前尚未解決的難題，Frazier Barnes認為，回收碳纖維面臨最大的挑戰就是鑒定和顯示纖維與部件的一致性。

波音公司的目標是零廢物制造，包括零填埋垃圾、零危險廢物、零吸水量和零溫室氣體排放量。來自波音公司的Tia Benson Tolle說：“實現這一目標的關鍵是使復合材料部件的制造變得更加有效，最大限度地從上到下減少廢物。”

碳轉化公司正在用碳回收纖維生產五種不同系列的產品。碳轉化公司的Mark Janney列舉了幾個閉環復合材料制造的例子，比如美國甲骨文賽車隊與碳轉換公司合作，回收了其中一艘賽車游艇；新西蘭的Core Builders Composites公司用碳回收纖維產品生產下一代船只；Trek自行車車架被Crawford Composites公司重新應用到碳回收產品中建立方程式賽車等。

在2016年后期，Hexcel對碳轉化公司進行投資，資助其加強對重復利用和全生命周期收集處理方面的研發活動。此外，ELG碳纖維公司和碳轉化公司都提到，碳回收產品的平整度和一致性很好，進行后期維修處理的客戶數量已經急劇減少。

據日本東麗工業株式會社的北野介紹，東麗位于南卡羅來納州斯巴達堡的新型碳纖維生產設施將于2018年開始運營，此前，東麗已經在日本在線生產碳回收纖維設施。

前沿技術亮點

自適應模具系統

自適應模具系統由丹麥的ADAPA公司開發，據其與會代表Christian Raun介紹，該系統使用數字控制，可用簡單設備將塑料、混凝土、玻璃和復合材料成型成各種簡單的雙曲線形狀，并且加工出的產品種類多，用單一的成型系統可加工出曲面半徑小于200毫米的曲面和面積大至6米×2米的平面板。在生產中使用的工藝包括：樹脂灌注處理、熱塑性塑料的熱成型、泡沫芯的成型和UV固化樹脂復合材料的成型。

可一分鐘快速固化的預浸料

生產出可一分鐘快速固化預浸料的公司是索爾維公司，其設計的初衷是能夠滿足自動化加工過程和一分鐘節拍過程的需求。這種SolvaLite 730預浸料使用了高性能不飽和乙烯基酯，性能接近于典型的環氧樹脂，但是焓低、加工速度快、室溫穩定性好和無粘性。

Lewis Williams認為，實現一分鐘節拍過程的關鍵是：加熱過程中要預留預熱時間和運行時間；要有快速的關閉工具；整個模具表面的溫度應一致。同時，他也認為，這類乙烯基酯類預浸料還有很大的發展空間，索爾維將在提高性能、降低成本的方向上繼續努力。

低成本碳纖維

低成本碳纖維是集眾人努力產出的成果，美國橡樹嶺國家實驗室進行研發，美國先進復合材料制造研究所負責商業化過程中所需要的數據資料。迄今為止，研究發現的低成本碳纖維（LCCF）的質量與工業級別的碳纖維產品相當。

可再生丙烯腈

丙烯腈是碳纖維的關鍵前體，之前幾乎全部是從石油中提取，但最近南方研究公司已經設立試點工廠，發展非石油基的丙烯腈，其用一種糖碳轉化的技術制備丙烯腈，南方研究公司的與會代表Amit Goyal對此進行了介紹。

預計到2019年，該試點工廠年將產出0.5噸丙烯腈，南方研究公司的目標是在2021年底前，能夠有一個年生產量達5000噸的可再生丙烯腈商業工廠。丙烯腈的商業化生產預計可使成本低于1美元/噸，如果這個數據實現的話，可再生丙烯腈將使制造成本降低15%～20%。