汽車碳纖維的低成本應用技術

汽(qi)車碳纖維的低成本應用技(ji)術(shu) 

汽(qi)車(che)(che)(che)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維復合材料(liao)(liao)(CFRP)可以說是汽(qi)車(che)(che)(che)輕量化發展(zhan)(zhan)中的(de)明星材料(liao)(liao),近年來,行業(ye)對于這(zhe)一“黑(hei)色黃(huang)金(jin)”材料(liao)(liao)的(de)應(ying)用(yong)研(yan)究(jiu)也(ye)在不(bu)斷(duan)發展(zhan)(zhan)。碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維復合材料(liao)(liao)的(de)應(ying)用(yong)范(fan)圍也(ye)不(bu)斷(duan)擴展(zhan)(zhan)。從(cong)車(che)(che)(che)身、內(nei)外(wai)飾系統向底盤、動力總成(cheng)(cheng)(cheng)系統延伸;從(cong)外(wai)覆蓋件材料(liao)(liao)向結(jie)構件材料(liao)(liao)或結(jie)構增強材料(liao)(liao)擴展(zhan)(zhan)。但是,碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維的(de)高成(cheng)(cheng)(cheng)本仍是限(xian)制其(qi)發展(zhan)(zhan)的(de)重要(yao)(yao)(yao)因素。目(mu)前,商業(ye)級(ji)的(de)汽(qi)車(che)(che)(che)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維主要(yao)(yao)(yao)為PAN基(ji)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維,其(qi)高成(cheng)(cheng)(cheng)本問(wen)題主要(yao)(yao)(yao)集(ji)中在較高的(de)PAN 原絲生(sheng)產成(cheng)(cheng)(cheng)本和較長的(de)生(sheng)產流程。因此,降低(di)(di)車(che)(che)(che)用(yong)CFRP成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)主要(yao)(yao)(yao)路(lu)徑(jing)是降低(di)(di)汽(qi)車(che)(che)(che)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)(xian)維原絲成(cheng)(cheng)(cheng)本,尋(xun)求低(di)(di)成(cheng)(cheng)(cheng)本纖(xian)(xian)(xian)維生(sheng)產工藝(yi)以及低(di)(di)成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)CFRP制備工藝(yi)。

低成本碳纖維技(ji)術

1. 大(da)絲(si)束生產工藝

一般48K以上的碳(tan)纖維稱(cheng)為大絲束碳(tan)纖維,大絲束碳(tan)纖維的性能優點主(zhu)要在以下兩方面(mian):

(1)大絲束碳纖維對(dui)PAN原(yuan)絲的質(zhi)量要求相對(dui)小絲束要低,可(ke)以采用民用PAN絲。

(2)大絲(si)束碳纖維的(de)制造(zao)成本是小(xiao)絲(si)束的(de)60%左右。

但是大(da)絲束碳纖維的生產(chan)(chan)難(nan)(nan)點在于:大(da)絲束纖維聚積,展(zhan)紗(sha)效果(guo)不(bu)好(hao),紗(sha)片難(nan)(nan)以均勻浸潤(run),紗(sha)片厚度(du)和(he)質量很難(nan)(nan)達(da)到產(chan)(chan)品(pin)結構設計的要求(qiu); 在展(zhan)紗(sha)過程中經常(chang)出(chu)現紗(sha)毛,導致亂紗(sha)和(he)斷紗(sha),影響生產(chan)(chan)效率和(he)產(chan)(chan)品(pin)外觀,材料性能得不(bu)到有效轉換,產(chan)(chan)品(pin)性能不(bu)穩定。

2. 低成(cheng)本碳纖(xian)維前體開發

相關數據顯示,PAN的價格約(yue)占碳纖(xian)(xian)維(wei)生(sheng)產(chan)成本(ben)(ben)的50%。因此,國(guo)內外碳纖(xian)(xian)維(wei)生(sheng)產(chan)商也開(kai)(kai)始尋求PAN以(yi)外的更低成本(ben)(ben)的原料來(lai)制(zhi)備碳纖(xian)(xian)維(wei)。美國(guo)、日(ri)本(ben)(ben)等(deng)汽車碳纖(xian)(xian)維(wei)主要制(zhi)造國(guo)家已經(jing)開(kai)(kai)發出(chu)了包括聚烯(xi)烴類聚合(he)物、木(mu)質(zhi)素纖(xian)(xian)維(wei)素、電紡(fang)酚醛纖(xian)(xian)維(wei)、輻射(she)丙烯(xi)酸紡(fang)織(zhi)物等(deng)在(zai)內的低成本(ben)(ben)代替材料。如:從紙漿(jiang)廢液中提取的木(mu)質(zhi)素,通過熔紡(fang)和碳化制(zhi)成了低成本(ben)(ben)碳纖(xian)(xian)維(wei),生(sheng)產(chan)成本(ben)(ben)可控制(zhi)在(zai)4~5$/kg。

3. 混雜(za)碳纖維技術

將(jiang)碳纖維(wei)與其他纖維(wei)進行混雜,在性能上(shang)可以互補,能有效(xiao)降低(di)生(sheng)產成本(ben)。如,將(jiang)碳纖維(wei)與玻(bo)璃纖維(wei)、芳綸纖維(wei)等混合,通(tong)過合理的(de)結構設計可在保持材(cai)料(liao)原(yuan)本(ben)高(gao)性能的(de)基礎上(shang)降低(di)生(sheng)產成本(ben)。

4. 預氧(yang)化工藝

碳纖維(wei)生產過(guo)程中(zhong)預(yu)氧(yang)化(hua)時間(jian)長,導致(zhi)生產周(zhou)期長也(ye)是造成碳纖維(wei)生產成本高的一個重要原因。目前,已有研究對(dui)PAN原絲(si)進行紫外線、X射(she)線等物理處理或采用KMnO4、C6H5COOH等化(hua)學處理降(jiang)低環化(hua)溫度(du)(du),縮短預(yu)氧(yang)化(hua)時間(jian)。工(gong)藝方面,可改變溫度(du)(du)、時間(jian)、氣(qi)體(ti)氣(qi)氛等工(gong)藝參數,提升(sheng)碳纖維(wei)的性能。

高(gao)效率成型樹(shu)脂及成型工藝

碳纖維(wei)(wei)復合材(cai)料(liao)的制(zhi)造成(cheng)本主要(yao)由兩方面構成(cheng)。一(yi)是(shi)源于熱(re)壓罐、自(zi)動鋪層(ceng)等成(cheng) 型(xing)設(she)備(bei)價(jia)格昂貴,二是(shi)因為(wei)復合材(cai)料(liao)較長的成(cheng)型(xing)時間,造成(cheng)人力物力的消耗。因此,基(ji)于高效成(cheng)型(xing)的樹脂材(cai)料(liao)和新型(xing)成(cheng)型(xing)工藝將是(shi)碳纖維(wei)(wei)復合材(cai)料(liao)低成(cheng)本優化的重要(yao)途徑。

環氧樹脂因其優異的粘(zhan)合(he)(he)強度(du)和模量、耐蠕變性(xing)、高韌性(xing)和良好(hao)的抗疲勞性(xing)能,是碳纖維復(fu)合(he)(he)材料(liao)的首(shou)選。

而陶(tao)用于LCM工藝的(de)樹脂,可以直接將樹脂均勻地(di)涂敷在干的(de)纖維預制件上,并(bing)通(tong)過(guo)壓強使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤。 

“瞬(shun)間固化”環氧樹脂(zhi),其(qi)樹脂(zhi)配方(fang)主要用于成(cheng)套預(yu)浸(jin)料(liao)和熱進/熱出沖壓成(cheng)型工(gong)藝。雖然該工(gong)藝固化周期需要 5min,但報道(dao)稱其(qi)制造的部件表面(mian)可(ke)達(da)A級,無(wu)需模具(ju)后處(chu)理(li)。

另一(yi)種(zhong)快速固化的(de)(de)環氧樹脂在140℃下僅30s就可(ke)固化,這使得1min內復合(he)材料(liao)(liao)成型工藝(yi)(yi)成為(wei)可(ke)能。為(wei)此,還開發(fa)了與該(gai)樹脂配套的(de)(de)動態流體壓(ya)縮成型(DFCM),該(gai)工藝(yi)(yi)可(ke)以(yi)省去高壓(ya)注(zhu)塑(su)工藝(yi)(yi),而且(qie)在很(hen)多情況下也可(ke)省略纖維預浸料(liao)(liao)工藝(yi)(yi)。與常規濕(shi)發(fa)壓(ya)縮成型(WCM)相比,該(gai)工藝(yi)(yi)的(de)(de)主要優點(dian)之一(yi)是可(ke)以(yi)減少層(ceng)壓(ya)板層(ceng)間縫隙,復合(he)材料(liao)(liao)孔隙率低于1%,性(xing)能可(ke)媲(pi)美高壓(ya)的(de)(de)RTM工藝(yi)(yi),且(qie)高達66%纖維體積含量(liang)(FVC)的(de)(de)復合(he)材料(liao)(liao)可(ke)以(yi)在沒有特(te)殊處理的(de)(de)條(tiao)件來實(shi)現。

碳釬維(wei)回收技術

碳纖維(wei)復合(he)材(cai)料的(de)(de)(de)回收與再利用是(shi)降低碳纖維(wei)使用成本(ben),提升其(qi)經濟附(fu)加值的(de)(de)(de)一種有效方法(fa)。目前,對碳纖維(wei)回收方法(fa)的(de)(de)(de)研究也(ye)在(zai)不斷更新,如(ru),高溫熱裂解、氧(yang)化流化床(chuang)法(fa)、超臨界流體技(ji)術等(deng)。