碳纤维材料向汽车和飞机普及

2014年05月09日  来源： 中国纺织报    

　　在刚刚过去的2014年北京车展上，价格数千万元甚至上亿元的豪华轿车、超级跑车夺人眼球。其中，碳纤维扮演着越来越重要的角色。例如，布加迪Black Bess传奇限量版采用全黑色碳纤维打造，科尼赛克One：1跑车车身配有碳纤维轮圈。

　　目前，以实现“碳纤维汽车”的商品化为目标，全世界的汽车企业展开了激战。2010年丰田上市的跑车雷克萨斯LFA全面采用CFRP（碳纤维增强复合材料）制造车体，成为了关注的焦点，但其价格也创下了日本国产车中最高的3750万日元。因为采用的是手工制造的订货型生产方式，所以其成本压缩受限。宝马通过开发多种技术提高生产效率，终于将CFRP成功地应用于量产车。

　　碳纤维是将丙烯等纤维在无氧状态下“蒸烤”炭化制成。把碳纤维在平面上排列或编织成片，再用树脂加固之后才能成为CFRP。飞机等使用的CFRP在成型时，要在专用釜中加热加压，使构件硬化。这样做虽然可以获得极高的强度，但成型需要若干小时，而且成本高昂。宝马i3使用的CFRP采用了无需加压加热的新工艺——RTM（树脂传递模塑）：把预成型的碳纤维布放入模具，高压注入树脂，使纤维与树脂结合，可在10分钟以内成型。

　　日本的碳纤维产业实力较强，着眼于长期发展而持续投资研发的日本纤维企业力压欧美企业，掌握着全球70％的份额。宝马的碳纤维原丝供应商是日本的三菱丽阳。作为正牌环保材料的碳纤维受到全世界的关注，碳纤维竞争以日本为舞台已经展开。

　　而中国在此领域也做出了成绩。中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的中国科学院知识创新工程重要方向项目“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”日前进行了现场技术验收。“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”课题于2011年正式启动，课题组成员研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备，效率达到56件/天，并分别采用APA6及PCBT热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。该项目突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术，在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。

　　在与汽车比肩的另一个碳纤维主战场——飞机领域，东丽与美国波音、帝人与法国空中客车分别展开合作，展开了霸权之争。

　　1971年，东丽在全球率先开始商业生产碳纤维。1975年，波音在机翼的部件上率先采用了碳纤维。之后，东丽继续不断改进质量，把拉伸强度（断裂难度）提高到原来的近2倍，拉伸弹性模量（变形难易）提高到原来的近3倍，满足了众多用途的需求。其技术实力备受好评，在2011年投入航运的最先进中型客机“波音787”上，CFRP已经占到了机体重量的5成。

　　帝人长期为空中客车世界最大的双层客机A380供应碳纤维原丝和碳纤维布等材料，并且还将首次以构件的形式，向预定在年内投入航运的新一代中型客机A350XWB的试验飞机供应机体和机翼等主要结构材料，双方的合作关系正在升温。

　　近期我国成功首飞一款新型号飞机，这款新型飞机广泛应用了中简科技发展有限公司的高性能碳纤维产品。这家自主建成国内第一条高性能碳纤维生产线的企业为我国国防军工事业的发展作出有益探索。

　　碳纤维的需求预计将以每年15％以上的速度扩大。预计5年后，市场将扩大到现在的2倍以上。碳纤维要普及到与铁和铝那样的程度，要解决的课题还有不少。其中比较重要的是成本与成型性。例如，如果要应用于比宝马i3便宜的普及价位的量产车，在成型后的状态下，CFRP的价格需要控制在每千克61元左右。而目前的价格是其数倍至数十倍。

　　于是，由东丽、三菱丽阳、东洋纺、高木精工、东京大学等组成的研究团队挑战了NEDO的项目——能以低价格量产的“碳纤维强化热可塑性树脂（CFRTP）”，并且于2013年2月开发成功。

　　市场上流通的CFRP大多数使用的是加热会变硬的环氧树脂等热固性树脂。这种树脂虽然强度好，但存在加工麻烦等缺点。

　　通过使用加热会变软、具有热可塑性的聚丙烯树脂，预计可在与铁冲压同等的1分钟以内成型。因可以使用模具加工成复杂的形状，所以能用来制作多种构件。其最大的缺点是强度不足，通过实施将碳纤维与树脂牢固结合的特殊处理得以克服。

　　按照该项目的估算，普通乘用车如果把大约60％的铁构件换成CFRTP，车体大约可以减轻30％，汽油的消费量也可以减少22.5％。

　　今后，有关企业和机构将继续研究碳纤维与其他材料的接合技术等，预计在2020年以后可实现商品化。（李阳）