碳纖維提供輕量化解決方案

文/本刊記者 崔書健

未來企業在產業鏈上的分工會更加細致，大絲束會越來越凸顯，細旦化、差別化是重點發展方向

近年來，纖維材料已成為全球發展最快和最活躍的科學技術領域之一。2018年，我國化纖產量達5000萬噸，占世界化纖總量的70%以上，化纖工業的強國地位初步顯現。其中纖維新材料，特別是高新技術纖維的研究技術水平取得了很大進展，與發達國家先進水平的差距大幅縮小。

“通過系列產業發展規劃，我國進一步明確了關鍵基礎材料產業發展的目標和任務，為持續推動化纖行業產品結構升級、產業結構升級、技術結構升級，以及實現化纖行業科學發展和高質量發展提供方向。其中在高性能纖維材料方面，重點發展高性能碳纖維、對位芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、碳化硅纖維等產品?！痹?019中國化纖科技大會先進復合材料及輕量化材料應用高層論壇上，中國工程院院士蔣士成強調了高性能纖維新材料尤其是先進復合材料及輕量化材料研發的重要性，并指出要整合新材料產業優勢資源，鼓勵上下游企業和產學研聯合攻關，集中力量重點突破核心技術的產業化應用。

碳纖維助力交通工具輕量化

復合材料比強度、比剛度高，可設計性強，可實現飛機燃油效率提高20%；抗疲勞、耐腐蝕，可以增進結構效率，在民用飛機上已有大量應用，其在民用飛機主結構上的應用需求引領了航空復合材料研究和發展的趨勢。但是復合材料結構的各向異性和脆性特性使其在受載變形、損傷機理和破壞形式等方面與常規的金屬材料有顯著差異。中國商飛北京民用飛機技術研究中心副總設計師徐吉峰表示，復材本身具有的各向異性力學性能，給設計分析工作帶來困難。相比傳統金屬結構，復合材料在飛機上應用提出了新的技術挑戰，帶來了一系列待突破的關鍵技術，如連接分析、穩定性、損傷容限、適墜性、大開口、閃電防護、防火耐燃、防除冰、層間分析等。

碳纖維復合材料助力動車車身輕量化。

“未來飛機設計將采用突破性的機身和推進技術，減少氣動阻力，節約燃料；注重提高安靜環保性、舒適性；以超音速、超高音速飛行，結構高溫效應明顯。這就需基于先進材料的一體化結構設計，如功能復合材料要求更輕、更耐損、更耐高溫；隨著計算機性能提高，將實現總體、氣動、結構、材料在同一框架下綜合優化等。”徐吉峰如是說。

當前，高鐵面臨兩個最大的困境，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，讓同樣的車拉更多的乘客，使車身更輕，這就需要輕量化的解決方案。中車青島四方機車車輛股份有限公司副總工程師丁叁叁指出，軌道車輛未來的發展是要追求高速、高效、綠色、智能，研制時速600公里高速磁浮、時速400公里及以上動車組、雙層動車組，這些都需要更輕更強的材料。

總之，以輕量化為核心的綜合解決方案，是未來技術的基礎，應重點解決與強度、剛度、疲勞、腐蝕、噪聲及防火等各性能矛盾，尋找平衡—結構優化、材料優化、一體化優化；同時要提效能，以突破傳統結構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，這將為CFRP技術應用推廣提供難得的契機。

與傳統車身材料相比，碳纖維復合材料具有優異的力學性能、靈活的結構設計以及良好的耐腐蝕性能等特點，在汽車領域有著非常廣泛的應用，如車身、底盤、內飾、外飾、動力系統等。蘇州華特碳纖維有限公司總經理熊飛總結了碳纖維產品在汽車應用上的六大優點：一是車身輕量化，碳纖維密度低，比低碳鋼減重50%，比鎂/鋁合金結構減重達30%；二是集成度高，造型自由，可設計性強，實現流線型，曲面成本低，可減少零部件種類和工裝投入；三是顛覆生產流程，模壓和粘接工藝代替沖壓和焊接，節約生產線及模、夾具的投入；四是汽車可靠性好，碳纖維高的疲勞強度（可達設計載荷的70%～80%），使車身可靠性有較大提升；五是汽車舒適度好，更高的振動阻尼，對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，提升操作穩定性，碰撞吸能能力為鋼的6～7倍，鋁的3～4倍。

面對日益嚴峻的油耗法規，世界各國車企都在采取積極的措施以推動汽車產品的節能減排。預計未來3年，中國汽車輕量化市場將達到5000億，其中新能源汽車輕量化市場350億。那么，實現新能源汽車輕量化技術的路徑是什么？國際汽車輕量化綠色科技聯盟執行會長陳平生認為，需要更安全、更節能、更環保、智能制造模塊化集成，通過零部件結構設計優化與CAE模擬分析、高強輕量化材料及先進制造技術量化應用，實現量產車型的輕量化。此外，他還介紹了先進復合材料在新能源量產車型上的幾種應用案例，并指出，通過碳纖維復合材料技術安全評價體系、共性技術平臺、產品線協同創新開發機制的建立，低成本碳纖維復合材料在汽車結構件產業化領域將迎來廣闊的市場開發前景。

碳纖維在能源產業的實際應用

葉片是風機的關鍵部件，其長度和風機的功率成正比，功率越大，葉片越長。由于現有材料不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。基于此，江蘇澳盛復合材料有限公司技術總監嚴兵詳細對比了幾種碳纖維風電應用方式，包括大克重預浸料、碳纖維織物、加固碳板等，同時列舉了幾種國內外碳纖維風電應用實例。他認為，綜合考慮風電機組的全生命周期，碳纖維的應用前景將更加廣泛。但是我們還需要正確看待碳纖維材料在應用中存在的問題，未來研究重點將放在大絲束碳纖維、工藝創新、熱塑性碳纖維復合材料葉片、碳纖維復合材料的回收等方面。

碳纖維優質原絲生產細節把控。

碳纖維纏繞氣瓶的應用領域主要有：航空航天用高壓氣瓶、呼吸器用氣瓶、車用氣瓶、運輸用氣瓶等，并已經有了商業化應用。沈陽斯林達高壓容器有限公司總經理姜將主要分析了70MPa車用Ⅲ型儲氫瓶、70MPa車用Ⅳ型儲氫瓶的關鍵技術及應用優勢，并概述了復合材料氣瓶健康監測技術的國內外現狀。在工作狀態安全評價監測方面，利用微納傳感器監測復合材料壓力容器在自緊、水壓、沖擊、爆破試驗及工作過程中的狀態，預期得到COPV內襯和碳纖維復合材料層的應力應變狀態；在全壽命健康監測方面，利用微納米傳感器監測復合材料壓力容器在全壽命使用周期內的應力應變狀態，預期實現復合材料壓力容器的健康狀態判定。

對碳纖維未來趨勢的探討

中國制造業有巨大的潛在市場，有望引領輕量化復合材料產業發展，而復合材料在制造業中大規模應用的關鍵技術是低成本化。圍繞低成本化的實現途徑，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室副主任余木火詳細介紹了其團隊的研發方向與研發成果，包括CFRP車身底盤電池盒一體化結構的研究、熱塑性復合材料預浸料的工業化生產及應用研發、CFRP電池盒結構的設計（低成本+自動化量產+輕量化）、電池盒專用預浸料的研發（室溫儲存+快速固化+阻燃）以及CFRP高鐵轉向架的研發等。

談及輕量化復合材料未來發展的主要趨勢，余木火表示：“一是全球碳纖維、芳綸不斷擴產能，成本不斷下降；二是碳纖維、芳綸制造技術不斷進步，成本不斷降低；三是碳纖維、芳綸性能不斷提高；四是復合材料自動化量產技術發展迅猛；五是各行業開始嘗試使用復合材料，在中國，風電、大型客機、高鐵汽車（氫氣瓶、電池盒、傳動軸、輪轂、板簧）、建筑、海洋、化工等行業已走在應用前列；六是針對目標零部件，研發全產業鏈低成本化技術體系，將給予細分市場龍頭企業很大機遇?！?/p>

碳纖維原絲的生產往往要經歷原液聚合、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、細晶化、均質化以保證纖維的性能。“優質原絲是制備高性能碳纖維的首要條件，雜質缺陷最少化可提高強度，原絲、預氧絲、碳纖維均質化，可使纖維結構和性能徑向分布基本均勻，沒有明顯的皮芯結構，縮短預氧化時間，提高效率，降低碳纖維成本?！?吉林化纖集團董事長宋德武特別強調道。

對于碳纖維未來的發展趨勢，宋德武表示，未來企業在碳纖維產業鏈上的分工會更加細致，大絲束會越來越凸顯，細旦化、差別化是重點發展方向，原絲生產將受到額外關注。基于此，他提出以下幾點建議：一是支持連續生產、具有規模的碳纖維制造者，只有產業化、規模化才能促進質量進步、成本降低；二是市場化同時差別化，突出各自特性，實現高效應用、降低成本；三是完善生產、應用、檢測等標準；四是工藝技術消化與加工裝備能力提升，加快裝備國產化速度；五是碳纖維及復材是一門復雜科學，要依靠產業基礎以及市場開發，找對人、做對事；六是碳纖維產業運行需要關注安全與環保。