汽車碳纖維的低成本應用技術

2020-12-17 汽車材料網

汽車碳纖維複合材料（CFRP）可以說是汽車輕量化發展中的明星材料，近年來，行業對於這一「黑色黃金」材料的應用研究也在不斷發展。隨著國內前途K50和蔚來ES6兩款量產碳纖維複合材料部件車型的亮相，自主品牌已進入碳纖維應用的量產時代！與此同時，碳纖維複合材料的應用範圍也不斷擴展。從車身、內外飾系統向底盤、動力總成系統延伸；從外覆蓋件材料向結構件材料或結構增強材料擴展。但是，碳纖維的高成本仍是限制其發展的重要因素。目前，商業級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 原絲生產成本和較長的生產流程。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工藝以及低成本的CFRP製備工藝。

低成本碳纖維技術

1. 大絲束生產工藝

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點主要在以下兩方面：（1）大絲束碳纖維對PAN原絲的質量要求相對小絲束要低，可以採用民用PAN絲。（2）大絲束碳纖維的製造成本是小絲束的60%左右。

但是大絲束碳纖維的生產難點在於：大絲束纖維聚積，展紗效果不好，紗片難以均勻浸潤，紗片厚度和質量很難達到產品結構設計的要求； 在展紗過程中經常出現紗毛，導致亂紗和斷紗，影響生產效率和產品外觀，材料性能得不到有效轉換，產品性能不穩定。

日本三菱和東麗公司是較早掌握大絲束碳纖維低成本製造技術的典型代表。近年來，國內上海石化、吉利石化、光威復材、蘭州纖維等企業也相繼進行這一前端技術的開發，目前已實現大絲束碳纖維的國產化。

48k碳纖維大絲束

2. 低成本碳纖維前體開發

相關數據顯示，PAN的價格約佔碳纖維生產成本的50％。因此，國內外碳纖維生產商也開始尋求PAN以外的更低成本的原料來製備碳纖維。美國、日本等汽車碳纖維主要製造國家已經開發出了包括聚烯烴類聚合物、木質素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸紡織物等在內的低成本代替材料。如：美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）從紙漿廢液中提取的木質素，通過熔紡和碳化製成了低成本碳纖維，生產成本可控制在4~5$/kg。陶氏化學將聚乙烯等纖維以無氧狀態「蒸烤」炭化，把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之後才成為CFRP。瑞典的研究機構Innventia和Swerea SICOMP也聲稱可以基於100％軟木木質素前體製造出重約1.8g的編織CFRP層壓板。

3. 混雜碳纖維技術

將碳纖維與其他纖維進行混雜，在性能上可以互補，能有效降低生產成本。如，將碳纖維與玻璃纖維、芳綸纖維等混合，通過合理的結構設計可在保持材料原本高性能的基礎上降低生產成本。

4. 預氧化工藝

碳纖維生產過程中預氧化時間長，導致生產周期長也是造成碳纖維生產成本高的一個重要原因。目前，已有研究對PAN原絲進行紫外線、X射線等物理處理或採用KMnO4、C6H5COOH等化學處理降低環化溫度，縮短預氧化時間。工藝方面，可改變溫度、時間、氣體氣氛等工藝參數，提升碳纖維的性能。

高效率成型樹脂及成型工藝

碳纖維複合材料的製造成本主要由兩方面構成。一是源於熱壓罐、自動鋪層等成 型設備價格昂貴，二是因為複合材料較長的成型時間，造成人力物力的消耗。因此，基於高效成型的樹脂材料和新型成型工藝將是碳纖維複合材料低成本優化的重要途徑。

環氧樹脂因其優異的粘合強度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，是碳纖維複合材料的首選。美國Hexion（瀚森）和陶氏汽車系統先後推出了2種60s可「瞬間固化」的環氧樹脂。其中，Hexion針對樹脂傳遞模塑成型（RTM）和液體壓縮成型（LCM）工藝推出EPIKOTE TRAC06170環氧樹脂與EPIKURE TRAC06170固化劑，僅需20s樹脂注入時間（RTM或LCM）和40s固化時間就可完成複合材料成型。

而陶氏推出的用於LCM工藝的VORAFORCE樹脂，可以直接將樹脂均勻地塗敷在幹的纖維預製件上，並通過壓強使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤。

Gurit UK（英國固瑞特）也推出了「瞬間固化」環氧樹脂，其樹脂配方主要用於成套預浸料和熱進/熱出衝壓成型工藝。雖然該工藝固化周期需要 5min，但報導稱其製造的部件表面可達A級，無需模具後處理。

Huntsman Advanced Materials （亨斯邁先進材料）公司也宣布推出了一款快速固化的環氧樹脂。據亨斯邁介紹，該樹脂在140℃下僅30s就可固化，這使得1min內複合材料成型工藝成為可能。為此，亨斯邁還開發了與該樹脂配套的動態流體壓縮成型（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浸料工藝。與常規溼發壓縮成型（WCM）相比，該工藝的主要優點之一是可以減少層壓板層間縫隙，複合材料孔隙率低於1％，性能可媲美高壓的RTM工藝，且高達66％纖維體積含量（FVC）的複合材料可以在沒有特殊處理的條件來實現。

碳纖維回收技術

碳纖維複合材料的回收與再利用是降低碳纖維使用成本，提升其經濟附加值的一種有效方法。目前，對碳纖維回收方法的研究也在不斷更新，如，高溫熱裂解、氧化流化床法、超臨界流體技術等。

應用方面，福特在其2018年款的探索者運動型多用途車SUV中使用了再生碳纖維增強聚丙烯PP複合材料，用於A柱支架的剛性部分，代替原來使用的ASA材料。

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