汽車碳纖維的低成本應(yīng)用技術(shù)

汽車碳纖維復(fù)合材料（CFRP）可以說(shuō)是汽車輕量化發(fā)展中的明星材料，近年來(lái)，行業(yè)對(duì)于這一“黑色黃金”材料的應(yīng)用研究也在不斷發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)前途K50和蔚來(lái)ES6兩款量產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料部件車型的亮相，自主品牌已進(jìn)入碳纖維應(yīng)用的量產(chǎn)時(shí)代！與此同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。從車身、內(nèi)外飾系統(tǒng)向底盤、動(dòng)力總成系統(tǒng)延伸；從外覆蓋件材料向結(jié)構(gòu)件材料或結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料擴(kuò)展。但是，碳纖維的高成本仍是限制其發(fā)展的重要因素。目前，商業(yè)級(jí)的汽車碳纖維主要為PAN基碳纖維，其高成本問題主要集中在較高的PAN 原絲生產(chǎn)成本和較長(zhǎng)的生產(chǎn)流程。因此，降低車用CFRP成本的主要路徑是降低汽車碳纖維原絲成本，尋求低成本纖維生產(chǎn)工藝以及低成本的CFRP制備工藝。



低成本碳纖維技術(shù)

1. 大絲束生產(chǎn)工藝

一般48K以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維，大絲束碳纖維的性能優(yōu)點(diǎn)主要在以下兩方面：（1）大絲束碳纖維對(duì)PAN原絲的質(zhì)量要求相對(duì)小絲束要低，可以采用民用PAN絲。（2）大絲束碳纖維的制造成本是小絲束的60%左右。

但是大絲束碳纖維的生產(chǎn)難點(diǎn)在于：大絲束纖維聚積，展紗效果不好，紗片難以均勻浸潤(rùn)，紗片厚度和質(zhì)量很難達(dá)到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求; 在展紗過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)紗毛，導(dǎo)致亂紗和斷紗，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品外觀，材料性能得不到有效轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。

日本三菱和東麗公司是較早掌握大絲束碳纖維低成本制造技術(shù)的典型代表。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)上海石化、吉利石化、光威復(fù)材、蘭州纖維等企業(yè)也相繼進(jìn)行這一前端技術(shù)的開發(fā)，目前已實(shí)現(xiàn)大絲束碳纖維的國(guó)產(chǎn)化。


48k碳纖維大絲束

2. 低成本碳纖維前體開發(fā)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，PAN的價(jià)格約占碳纖維生產(chǎn)成本的50％。因此，國(guó)內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)商也開始尋求PAN以外的更低成本的原料來(lái)制備碳纖維。美國(guó)、日本等汽車碳纖維主要制造國(guó)家已經(jīng)開發(fā)出了包括聚烯烴類聚合物、木質(zhì)素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸紡織物等在內(nèi)的低成本代替材料。如：美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）從紙漿廢液中提取的木質(zhì)素，通過(guò)熔紡和碳化制成了低成本碳纖維，生產(chǎn)成本可控制在4~5$/kg。陶氏化學(xué)將聚乙烯等纖維以無(wú)氧狀態(tài)“蒸烤”炭化，把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才成為CFRP。瑞典的研究機(jī)構(gòu)Innventia和Swerea SICOMP也聲稱可以基于100％軟木木質(zhì)素前體制造出重約1.8g的編織CFRP層壓板。



3. 混雜碳纖維技術(shù)

將碳纖維與其他纖維進(jìn)行混雜，在性能上可以互補(bǔ)，能有效降低生產(chǎn)成本。如，將碳纖維與玻璃纖維、芳綸纖維等混合，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在保持材料原本高性能的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。

4. 預(yù)氧化工藝

碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)也是造成碳纖維生產(chǎn)成本高的一個(gè)重要原因。目前，已有研究對(duì)PAN原絲進(jìn)行紫外線、X射線等物理處理或采用KMnO4、C6H5COOH等化學(xué)處理降低環(huán)化溫度，縮短預(yù)氧化時(shí)間。工藝方面，可改變溫度、時(shí)間、氣體氣氛等工藝參數(shù)，提升碳纖維的性能。

高效率成型樹脂及成型工藝

碳纖維復(fù)合材料的制造成本主要由兩方面構(gòu)成。一是源于熱壓罐、自動(dòng)鋪層等成 型設(shè)備價(jià)格昂貴，二是因?yàn)閺?fù)合材料較長(zhǎng)的成型時(shí)間，造成人力物力的消耗。因此，基于高效成型的樹脂材料和新型成型工藝將是碳纖維復(fù)合材料低成本優(yōu)化的重要途徑。

環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的粘合強(qiáng)度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，是碳纖維復(fù)合材料的首選。美國(guó)Hexion（瀚森）和陶氏汽車系統(tǒng)先后推出了2種60s可“瞬間固化”的環(huán)氧樹脂。其中，Hexion針對(duì)樹脂傳遞模塑成型（RTM）和液體壓縮成型（LCM）工藝推出EPIKOTE TRAC06170環(huán)氧樹脂與EPIKURE TRAC06170固化劑，僅需20s樹脂注入時(shí)間（RTM或LCM）和40s固化時(shí)間就可完成復(fù)合材料成型。



而陶氏推出的用于LCM工藝的VORAFORCE樹脂，可以直接將樹脂均勻地涂敷在干的纖維預(yù)制件上，并通過(guò)壓強(qiáng)使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤(rùn)。



Gurit UK（英國(guó)固瑞特）也推出了“瞬間固化”環(huán)氧樹脂，其樹脂配方主要用于成套預(yù)浸料和熱進(jìn)/熱出沖壓成型工藝。雖然該工藝固化周期需要 5min，但報(bào)道稱其制造的部件表面可達(dá)A級(jí)，無(wú)需模具后處理。

Huntsman Advanced Materials （亨斯邁先進(jìn)材料）公司也宣布推出了一款快速固化的環(huán)氧樹脂。據(jù)亨斯邁介紹，該樹脂在140℃下僅30s就可固化，這使得1min內(nèi)復(fù)合材料成型工藝成為可能。為此，亨斯邁還開發(fā)了與該樹脂配套的動(dòng)態(tài)流體壓縮成型（DFCM），該工藝可以省去高壓注塑工藝，而且在很多情況下也可省略纖維預(yù)浸料工藝。與常規(guī)濕發(fā)壓縮成型（WCM）相比，該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以減少層壓板層間縫隙，復(fù)合材料孔隙率低于1％，性能可媲美高壓的RTM工藝，且高達(dá)66％纖維體積含量（FVC）的復(fù)合材料可以在沒有特殊處理的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

碳纖維回收技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料的回收與再利用是降低碳纖維使用成本，提升其經(jīng)濟(jì)附加值的一種有效方法。目前，對(duì)碳纖維回收方法的研究也在不斷更新，如，高溫?zé)崃呀?、氧化流化床法、超臨界流體技術(shù)等。

應(yīng)用方面，福特在其2018年款的探索者運(yùn)動(dòng)型多用途車SUV中使用了再生碳纖維增強(qiáng)聚丙烯PP復(fù)合材料，用于A柱支架的剛性部分，代替原來(lái)使用的ASA材料。