碳纖維提供輕量化解決方案

文/本刊記者 崔書健

未來企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上的分工會(huì)更加細(xì)致，大絲束會(huì)越來越凸顯，細(xì)旦化、差別化是重點(diǎn)發(fā)展方向

近年來，纖維材料已成為全球發(fā)展最快和最活躍的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。2018年，我國化纖產(chǎn)量達(dá)5000萬噸，占世界化纖總量的70%以上，化纖工業(yè)的強(qiáng)國地位初步顯現(xiàn)。其中纖維新材料，特別是高新技術(shù)纖維的研究技術(shù)水平取得了很大進(jìn)展，與發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平的差距大幅縮小。

“通過系列產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，我國進(jìn)一步明確了關(guān)鍵基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和任務(wù)，為持續(xù)推動(dòng)化纖行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、技術(shù)結(jié)構(gòu)升級(jí)，以及實(shí)現(xiàn)化纖行業(yè)科學(xué)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展提供方向。其中在高性能纖維材料方面，重點(diǎn)發(fā)展高性能碳纖維、對(duì)位芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、碳化硅纖維等產(chǎn)品。”在2019中國化纖科技大會(huì)先進(jìn)復(fù)合材料及輕量化材料應(yīng)用高層論壇上，中國工程院院士蔣士成強(qiáng)調(diào)了高性能纖維新材料尤其是先進(jìn)復(fù)合材料及輕量化材料研發(fā)的重要性，并指出要整合新材料產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源，鼓勵(lì)上下游企業(yè)和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，集中力量重點(diǎn)突破核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

碳纖維助力交通工具輕量化

復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)燃油效率提高20%；抗疲勞、耐腐蝕，可以增進(jìn)結(jié)構(gòu)效率，在民用飛機(jī)上已有大量應(yīng)用，其在民用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需求引領(lǐng)了航空復(fù)合材料研究和發(fā)展的趨勢。但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各向異性和脆性特性使其在受載變形、損傷機(jī)理和破壞形式等方面與常規(guī)的金屬材料有顯著差異。中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心副總設(shè)計(jì)師徐吉峰表示，復(fù)材本身具有的各向異性力學(xué)性能，給設(shè)計(jì)分析工作帶來困難。相比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，帶來了一系列待突破的關(guān)鍵技術(shù)，如連接分析、穩(wěn)定性、損傷容限、適墜性、大開口、閃電防護(hù)、防火耐燃、防除冰、層間分析等。

碳纖維復(fù)合材料助力動(dòng)車車身輕量化。

“未來飛機(jī)設(shè)計(jì)將采用突破性的機(jī)身和推進(jìn)技術(shù)，減少氣動(dòng)阻力，節(jié)約燃料；注重提高安靜環(huán)保性、舒適性；以超音速、超高音速飛行，結(jié)構(gòu)高溫效應(yīng)明顯。這就需基于先進(jìn)材料的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如功能復(fù)合材料要求更輕、更耐損、更耐高溫；隨著計(jì)算機(jī)性能提高，將實(shí)現(xiàn)總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料在同一框架下綜合優(yōu)化等。”徐吉峰如是說。

當(dāng)前，高鐵面臨兩個(gè)最大的困境，一是保證安全，這就要解決沖擊，提高耐疲勞、耐腐蝕。二是提高效率，讓同樣的車?yán)嗟某丝停管嚿砀p，這就需要輕量化的解決方案。中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司副總工程師丁叁叁指出，軌道車輛未來的發(fā)展是要追求高速、高效、綠色、智能，研制時(shí)速600公里高速磁浮、時(shí)速400公里及以上動(dòng)車組、雙層動(dòng)車組，這些都需要更輕更強(qiáng)的材料。

總之，以輕量化為核心的綜合解決方案，是未來技術(shù)的基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)解決與強(qiáng)度、剛度、疲勞、腐蝕、噪聲及防火等各性能矛盾，尋找平衡—結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化、一體化優(yōu)化；同時(shí)要提效能，以突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與材料日益突顯的瓶頸，材料需輕量化、減沖擊、提載重、高耐候、高可靠、高可用、高壽命、少維護(hù)，這將為CFRP技術(shù)應(yīng)用推廣提供難得的契機(jī)。

與傳統(tǒng)車身材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及良好的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，如車身、底盤、內(nèi)飾、外飾、動(dòng)力系統(tǒng)等。蘇州華特碳纖維有限公司總經(jīng)理熊飛總結(jié)了碳纖維產(chǎn)品在汽車應(yīng)用上的六大優(yōu)點(diǎn)：一是車身輕量化，碳纖維密度低，比低碳鋼減重50%，比鎂/鋁合金結(jié)構(gòu)減重達(dá)30%；二是集成度高，造型自由，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)流線型，曲面成本低，可減少零部件種類和工裝投入；三是顛覆生產(chǎn)流程，模壓和粘接工藝代替沖壓和焊接，節(jié)約生產(chǎn)線及模、夾具的投入；四是汽車可靠性好，碳纖維高的疲勞強(qiáng)度（可達(dá)設(shè)計(jì)載荷的70%～80%），使車身可靠性有較大提升；五是汽車舒適度好，更高的振動(dòng)阻尼，對(duì)汽車整體降噪效果提升顯著，舒適性更佳；六是汽車安全性高，汽車減重以后重心下降，提升操作穩(wěn)定性，碰撞吸能能力為鋼的6～7倍，鋁的3～4倍。

面對(duì)日益嚴(yán)峻的油耗法規(guī)，世界各國車企都在采取積極的措施以推動(dòng)汽車產(chǎn)品的節(jié)能減排。預(yù)計(jì)未來3年，中國汽車輕量化市場將達(dá)到5000億，其中新能源汽車輕量化市場350億。那么，實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化技術(shù)的路徑是什么？國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟執(zhí)行會(huì)長陳平生認(rèn)為，需要更安全、更節(jié)能、更環(huán)保、智能制造模塊化集成，通過零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與CAE模擬分析、高強(qiáng)輕量化材料及先進(jìn)制造技術(shù)量化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)車型的輕量化。此外，他還介紹了先進(jìn)復(fù)合材料在新能源量產(chǎn)車型上的幾種應(yīng)用案例，并指出，通過碳纖維復(fù)合材料技術(shù)安全評(píng)價(jià)體系、共性技術(shù)平臺(tái)、產(chǎn)品線協(xié)同創(chuàng)新開發(fā)機(jī)制的建立，低成本碳纖維復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域?qū)⒂瓉韽V闊的市場開發(fā)前景。

碳纖維在能源產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用

葉片是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其長度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，功率越大，葉片越長。由于現(xiàn)有材料不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行。基于此，江蘇澳盛復(fù)合材料有限公司技術(shù)總監(jiān)嚴(yán)兵詳細(xì)對(duì)比了幾種碳纖維風(fēng)電應(yīng)用方式，包括大克重預(yù)浸料、碳纖維織物、加固碳板等，同時(shí)列舉了幾種國內(nèi)外碳纖維風(fēng)電應(yīng)用實(shí)例。他認(rèn)為，綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的全生命周期，碳纖維的應(yīng)用前景將更加廣泛。但是我們還需要正確看待碳纖維材料在應(yīng)用中存在的問題，未來研究重點(diǎn)將放在大絲束碳纖維、工藝創(chuàng)新、熱塑性碳纖維復(fù)合材料葉片、碳纖維復(fù)合材料的回收等方面。

碳纖維優(yōu)質(zhì)原絲生產(chǎn)細(xì)節(jié)把控。

碳纖維纏繞氣瓶的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：航空航天用高壓氣瓶、呼吸器用氣瓶、車用氣瓶、運(yùn)輸用氣瓶等，并已經(jīng)有了商業(yè)化應(yīng)用。沈陽斯林達(dá)高壓容器有限公司總經(jīng)理姜將主要分析了70MPa車用Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶、70MPa車用Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用優(yōu)勢，并概述了復(fù)合材料氣瓶健康監(jiān)測技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀。在工作狀態(tài)安全評(píng)價(jià)監(jiān)測方面，利用微納傳感器監(jiān)測復(fù)合材料壓力容器在自緊、水壓、沖擊、爆破試驗(yàn)及工作過程中的狀態(tài)，預(yù)期得到COPV內(nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料層的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；在全壽命健康監(jiān)測方面，利用微納米傳感器監(jiān)測復(fù)合材料壓力容器在全壽命使用周期內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，預(yù)期實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器的健康狀態(tài)判定。

對(duì)碳纖維未來趨勢的探討

中國制造業(yè)有巨大的潛在市場，有望引領(lǐng)輕量化復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而復(fù)合材料在制造業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是低成本化。圍繞低成本化的實(shí)現(xiàn)途徑，東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任余木火詳細(xì)介紹了其團(tuán)隊(duì)的研發(fā)方向與研發(fā)成果，包括CFRP車身底盤電池盒一體化結(jié)構(gòu)的研究、熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用研發(fā)、CFRP電池盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（低成本+自動(dòng)化量產(chǎn)+輕量化）、電池盒專用預(yù)浸料的研發(fā)（室溫儲(chǔ)存+快速固化+阻燃）以及CFRP高鐵轉(zhuǎn)向架的研發(fā)等。

談及輕量化復(fù)合材料未來發(fā)展的主要趨勢，余木火表示：“一是全球碳纖維、芳綸不斷擴(kuò)產(chǎn)能，成本不斷下降；二是碳纖維、芳綸制造技術(shù)不斷進(jìn)步，成本不斷降低；三是碳纖維、芳綸性能不斷提高；四是復(fù)合材料自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅猛；五是各行業(yè)開始嘗試使用復(fù)合材料，在中國，風(fēng)電、大型客機(jī)、高鐵汽車（氫氣瓶、電池盒、傳動(dòng)軸、輪轂、板簧）、建筑、海洋、化工等行業(yè)已走在應(yīng)用前列；六是針對(duì)目標(biāo)零部件，研發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈低成本化技術(shù)體系，將給予細(xì)分市場龍頭企業(yè)很大機(jī)遇。”

碳纖維原絲的生產(chǎn)往往要經(jīng)歷原液聚合、紡絲、氧化、碳化、上漿等各道流程，而且過程中還要注意做到高純化、致密化、細(xì)晶化、均質(zhì)化以保證纖維的性能。“優(yōu)質(zhì)原絲是制備高性能碳纖維的首要條件，雜質(zhì)缺陷最少化可提高強(qiáng)度，原絲、預(yù)氧絲、碳纖維均質(zhì)化，可使纖維結(jié)構(gòu)和性能徑向分布基本均勻，沒有明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，縮短預(yù)氧化時(shí)間，提高效率，降低碳纖維成本。” 吉林化纖集團(tuán)董事長宋德武特別強(qiáng)調(diào)道。

對(duì)于碳纖維未來的發(fā)展趨勢，宋德武表示，未來企業(yè)在碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上的分工會(huì)更加細(xì)致，大絲束會(huì)越來越凸顯，細(xì)旦化、差別化是重點(diǎn)發(fā)展方向，原絲生產(chǎn)將受到額外關(guān)注。基于此，他提出以下幾點(diǎn)建議：一是支持連續(xù)生產(chǎn)、具有規(guī)模的碳纖維制造者，只有產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化才能促進(jìn)質(zhì)量進(jìn)步、成本降低；二是市場化同時(shí)差別化，突出各自特性，實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用、降低成本；三是完善生產(chǎn)、應(yīng)用、檢測等標(biāo)準(zhǔn)；四是工藝技術(shù)消化與加工裝備能力提升，加快裝備國產(chǎn)化速度；五是碳纖維及復(fù)材是一門復(fù)雜科學(xué)，要依靠產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)以及市場開發(fā)，找對(duì)人、做對(duì)事；六是碳纖維產(chǎn)業(yè)運(yùn)行需要關(guān)注安全與環(huán)保。