技術(shù)文章

　　介紹了碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能，以及聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)工藝流程，簡述了國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)企業(yè)概況，重點闡述了碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用。碳纖維及其復(fù)合材料具有量輕?剛性大?易加工成形?抗沖擊能力強(qiáng)?耐久性好?舒適性好等優(yōu)點，應(yīng)用于汽車中，是降低油耗?減少排放?提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程最有效的途徑之一；碳纖維生產(chǎn)成本高，復(fù)合材料成形工藝周期長，組件尺寸大?質(zhì)量不穩(wěn)定?量產(chǎn)困難等是今后需要解決的問題。

? ? ? ?新能源汽車被列入國家“十三五”規(guī)劃，目前阻礙新能源汽車發(fā)展的主要因素是整車成本及整車質(zhì)量等問題。為實現(xiàn)汽車輕量化，需替代原有鋼制車身，碳纖維作為一種新型增強(qiáng)材料，在汽車輕量化的應(yīng)用前景廣闊。碳纖維作為增強(qiáng)材料和樹脂基體復(fù)合而成的復(fù)合材料，優(yōu)勢明顯，例如：低密度?高比強(qiáng)?高比模?耐疲勞性能好?耐腐蝕性能好?可設(shè)計性強(qiáng)?減震等。碳纖維復(fù)合材料可使車身質(zhì)量降低60%以上，續(xù)駛里程提高25%以上，既降低了整車的質(zhì)量及油耗，又不失輕便靈巧。

1碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能1.1碳纖維的結(jié)構(gòu)

　　碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料，作為含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%的高強(qiáng)度?高模量的纖維狀碳材料，其沿纖維軸方向強(qiáng)度極高。就碳材料而言，主要的結(jié)構(gòu)形態(tài)有無定型結(jié)構(gòu)?金剛石結(jié)構(gòu)和石墨結(jié)構(gòu)，其中，石墨結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)。石墨中的碳原子以六方網(wǎng)絡(luò)片狀的形式存在，層內(nèi)碳原子以共價鍵相連，層與層之間則相互錯開由范德華力相連。

　　碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)包括表面結(jié)構(gòu)?皮芯結(jié)構(gòu)?微晶結(jié)構(gòu)及孔洞結(jié)構(gòu)。其中，碳纖維的皮芯結(jié)構(gòu)主要制約碳纖維強(qiáng)力；孔洞結(jié)構(gòu)使碳纖維雖然孔隙粗糙度提高，但強(qiáng)力下降。碳纖維中存在大量的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，使得碳纖維的實際力學(xué)性能和理論力學(xué)性能之間差異明顯。碳纖維在制備過程中會產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致碳纖維并非理想的石墨點陣結(jié)構(gòu)，而是亂層石墨結(jié)構(gòu)。為了制造出高性能的碳纖維，必須克服碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)缺陷。

1.2碳纖維的種類及性能

　　碳纖維按原料來源劃分，主要分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維?瀝青基碳纖維及粘膠基碳纖維。其中，粘膠基碳纖維開發(fā)早，但強(qiáng)力低，應(yīng)用較少；瀝青基碳纖維彈性模量好，但抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度低，且瀝青的提取成本高。目前，PAN基碳纖維使用范圍最廣，產(chǎn)量占比超過90%。PAN基碳纖維絲束按單絲數(shù)量劃分，分為小絲束和大絲束，其性能對比見表1。

　　與小絲束相比，大絲束性能較差，在制作板材等結(jié)構(gòu)時，絲束不宜展開，導(dǎo)致單層厚度較大，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，大絲束碳纖維更易粘連?斷絲，造成比強(qiáng)?比模量下降。小絲束碳纖維一般應(yīng)用于飛機(jī)?航天器上，因此被稱為“航空級”碳纖維，大絲束碳纖維被稱為“工業(yè)級”碳纖維。碳纖維的高附加值主要體現(xiàn)在比強(qiáng)度?比模量優(yōu)勢上，比強(qiáng)度(107cm)是普通鋼?鋁合金?鈦合金?玻璃鋼的2~8倍，比模量(109cm)是普通鋼?鋁合金?鈦合金?玻璃鋼的3~5倍。碳纖維及其制成品的基本性能可以概括為以下幾點：

　　(1)輕量。碳纖維的密度為1.6g/cm3，是普通鋼材的1/4，輕量是碳纖維車架的最大優(yōu)勢，碳纖維車架制成品一般小于1kg。

　　(2)舒適性。碳纖維車架經(jīng)避震結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可以在震動傳輸過程中減緩震動。

　　(3)剛性大。碳纖維車架經(jīng)精密的碳布堆疊工藝制成，剛性極大。

　　(4)易加工成形。模具經(jīng)碳布堆疊及高溫成形后，碳纖維車架外形種類豐富，適用范圍廣。

　　(5)高拉伸強(qiáng)度。強(qiáng)度是同等截面鋼材的7~10倍。

　　(6)耐久性好?？勺杩够瘜W(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境?氣候變化的破壞。

　　(7)易老化和無法修復(fù)。

　　(9)特殊性能。如X光透光性，生物相容性，耐高低溫性，一定的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

2PAN基碳纖維的生產(chǎn)工藝流程

　　PAN基碳纖維應(yīng)用廣泛，在碳纖維加工中處于主導(dǎo)地位。PAN基碳纖維的制備工藝主要有濕法紡絲?干法紡絲?干噴濕紡和熔融紡絲。其中，干噴濕紡技術(shù)作為高效紡絲技術(shù)，具備生產(chǎn)效率高?碳纖維品質(zhì)好?生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，被認(rèn)為是今后碳纖維生產(chǎn)的主流工藝，但也是碳纖維行業(yè)公認(rèn)的難以突破的紡絲技術(shù)，目前在國際上僅有美國和日本的個別公司掌握這一工藝，中國對于這項技術(shù)還未完全掌握。PAN基碳纖維的濕法紡絲生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

　　與傳統(tǒng)的金屬加工工藝相比，PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝流程需要的工藝精細(xì)程度?原材料預(yù)處理程度和設(shè)備要求程度均更復(fù)雜，資金花費更多。同時，PAN基碳纖維生產(chǎn)過程把前驅(qū)體中的無關(guān)成分全部去除，需消耗大量能源。據(jù)估計，前驅(qū)體的成本占據(jù)碳纖維材料成本的40%以上。

3國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)企業(yè)概況

　　20世紀(jì)60年代，碳纖維起源于日本，其后，日本和美國成功占據(jù)了碳纖維市場的領(lǐng)先地位。日本作為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，其生產(chǎn)的碳纖維無論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位，日本東麗公司更是世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”。

　　世界各國企業(yè)中，日本的東麗公司?東邦公司?三菱麗陽公司三家企業(yè)的小絲束碳纖維產(chǎn)能最大?產(chǎn)品力學(xué)性能品級齊全?規(guī)格多樣。其中東麗公司處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品型號規(guī)格齊全，可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域需求；產(chǎn)品性能穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度和彈性模量的離散系數(shù)均小于3%；東麗公司重視碳纖維產(chǎn)品的應(yīng)用，建立起了碳纖維?碳纖維預(yù)浸料?碳纖維無紡布?碳纖維層壓材料?碳纖維復(fù)合材料等產(chǎn)品體系；更與航空航天?建筑?汽車?環(huán)保等相關(guān)行業(yè)的公司建立合資企業(yè)或簽訂長期的戰(zhàn)略合作協(xié)議，開發(fā)并積累應(yīng)用制造技術(shù)和合作，積極拓展相關(guān)市場[17]。美歐企業(yè)以生產(chǎn)大絲束碳纖維為主，日本以生產(chǎn)小絲束碳纖維為主，后者難度更高?性能更好。在小絲束碳纖維生產(chǎn)上，日本東麗公司?東邦公司?三菱麗陽公司3家日本碳纖維企業(yè)約占全球小絲束碳纖維產(chǎn)能的50%；大絲束碳纖維上，美國的碳纖維企業(yè)約占全球大絲束碳纖維產(chǎn)能的90%。

　　我國在碳纖維上起步較早，但發(fā)展較慢，直至近些年，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)才開始迅速發(fā)展，實現(xiàn)從無到有。2009年，T300級碳纖維規(guī)?；a(chǎn)成功；2012年，T700碳纖維試產(chǎn)成功。碳纖維的產(chǎn)能提升明顯，碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈?成套設(shè)備制造等等國產(chǎn)化都取得了進(jìn)步。我國的碳纖維生產(chǎn)廠家主要有湖南東邦新材料科技有限公司?中復(fù)神鷹碳纖維公司?威海光威復(fù)合材料股份有限公司等。但是，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)與美國和日本差距較大，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)碳纖維需求，技術(shù)不成熟且產(chǎn)品質(zhì)量較差。雖然部分品種已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但性能不穩(wěn)定，難以開拓市場。原因之一是生產(chǎn)成本高。技術(shù)層面上，技術(shù)不穩(wěn)定，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品工藝路線和市場定位基本相同，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重；高端空白，低端過剩，只能走低價策略。原因之二是碳纖維生產(chǎn)?樹脂體系研發(fā)制備?預(yù)浸料生產(chǎn)?復(fù)合材料制品之間開發(fā)與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈等均存在較大問題。

　　碳纖維在民用航空業(yè)中應(yīng)用前景較大，但各國只允許少數(shù)企業(yè)供貨，與日美企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)航天級碳纖維市場不容樂觀，差距也較大。相比小絲束，大絲束價格低，且足以滿足碳纖維優(yōu)異的性能。其中，土耳其的阿克薩(AKSACA)公司于2006年開始研發(fā)碳纖維生產(chǎn)，只專注于工業(yè)級碳纖維的生產(chǎn)；日本企業(yè)也已經(jīng)開始了大絲束碳纖維的生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)工業(yè)級纖維是碳纖維的發(fā)展方向，其中，車用碳纖維的發(fā)展空間更大。

4碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用4.1汽車的輕量化

　　

　　汽車的輕量化是通過優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汽車零部件的輕量化。目前，汽車輕量化是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的主要發(fā)展趨勢之一，其在汽車上的應(yīng)用部件主要包括汽車車身?制動器襯片?燃料貯罐?座椅加熱墊?傳動軸?輪轂等部位，其次還包括汽車底盤?引擎蓋?儀表盤?座椅?座椅套墊?導(dǎo)流罩?A柱等眾多部位。

　　4.1.1汽車車身

　　碳纖維復(fù)合材料車身剛度大?質(zhì)量輕?防撞擊能力強(qiáng)，零部件整合?安裝成本低，避免了車身噴涂及環(huán)保處理的成本。英國材料實驗室研究及寶馬i3新能源汽車應(yīng)用均表明，碳纖維復(fù)合材料車身比鋼制車身質(zhì)量降低一半以上，大大提高了能源利用率；美國CSP公司生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)罩中，結(jié)構(gòu)面板采用碳纖維復(fù)合材料，使得發(fā)動機(jī)罩質(zhì)量下降明顯。

　　4.1.2制動器襯片

　　以前主要使用的石棉摩擦材料不及碳纖維復(fù)合材料耐磨性能?耐熱(最高耐熱2500℃)性能優(yōu)異，因此碳纖維復(fù)合材料逐漸替代石棉，被引入到汽車剎車片中。目前，碳纖維復(fù)合材料制動盤在賽車中的應(yīng)用已較為廣泛；西格里公司生產(chǎn)的碳纖維-陶瓷制動盤裝置，應(yīng)用于PorscheAG?911TurboGT和GTIIS車型。

　　4.1.3燃料貯罐

　　碳纖維復(fù)合材料燃料貯罐具有質(zhì)量輕?強(qiáng)度高，可多次使用等優(yōu)點。沃爾沃研發(fā)的S80新蓄電材料電動車中的蓄電材料是由多層碳纖維以及樹脂聚合物構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的電池以及電容。

　　4.1.4座椅加熱墊

　　碳纖維材料的良好導(dǎo)熱性(熱效率達(dá)96%)能夠保證熱量在座椅加熱區(qū)的均勻釋放；碳纖維在座椅中均勻分布又能保證座椅表面的平整性，從而增加使用壽命。

　　4.1.5傳動軸

　　碳纖維傳動軸能夠減輕60%的質(zhì)量。由于碳纖維復(fù)合材料的各向異性及高比強(qiáng)等特性，使得傳動軸具有更好的耐疲勞性和耐久性。豐田開發(fā)的TheDriveshaftShop碳纖傳動軸不僅質(zhì)量減少了一半，且傳動效率更快；英國GNK公司研發(fā)了碳纖維傳動軸廣泛應(yīng)用于AudiA4等車型；日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維汽車傳動軸廣泛應(yīng)用于阿斯頓馬丁?馬自達(dá)?越野?奔馳等車型。

　　4.1.6輪轂

　　輪轂的輕量化可以減輕簧下質(zhì)量，高效發(fā)揮輪胎滾動性，進(jìn)一步提升整車性能。2008年，日本W(wǎng)edsSports公司首次使用了碳纖維輪轂；2009 年，澳大利亞CarbonRevolution公司推出全碳纖維輪轂；此外，英國Kahm?英國DYMAG等公司相繼開發(fā)出了多款高性能的碳纖維復(fù)合材料輪轂產(chǎn)品。

4.2汽車用碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用歷程

　　20世紀(jì)70年代末，福特公司將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車輕量化上的研究取得了較好的效果；美國道奇蝰蛇和2014款雪佛蘭科爾維特使用碳纖維材料生產(chǎn)了發(fā)動機(jī)罩和其他部位；日本帝人公司進(jìn)一步提高了碳纖維產(chǎn)能以滿足豐田汽車公司和通用汽車公司的需求；東麗與戴姆勒股份公司合作研發(fā)奔馳碳纖維復(fù)合材料部件；德國大眾高爾夫7使用碳纖維車頂，可減重18~20磅；寶馬7系采用碳纖維材質(zhì)比老款減重230kg。在中國，江蘇奧新新能源汽車有限公司于2015年1月成功研發(fā)了我國首輛碳纖維新能源汽車；北京現(xiàn)代汽車成功研發(fā)了碳纖維發(fā)動機(jī)蓋覆蓋件等一系列碳纖維復(fù)合材料部件；奇瑞汽車開發(fā)了一款碳纖維復(fù)合材料的電動汽車。

　　碳纖維汽車首次出現(xiàn)是在1981年，邁凱倫McLarenMP4-1車型是全球首款采用碳纖維復(fù)合材料制成的汽車，被認(rèn)為是碳纖維復(fù)合材料首次正式出現(xiàn)在汽車工業(yè)領(lǐng)域。之后，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到寶馬i3?i8車型的車身設(shè)計案例，并采用全自動HP-RTM工藝(針對大批量生產(chǎn)高性能熱固性復(fù)合材料零件的新型RTM工藝技術(shù))流程，是未來碳纖維大規(guī)模工業(yè)化的趨勢。

4.3汽車用碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景

　　碳纖維在所有產(chǎn)品中基本是以聚合物基復(fù)合材料(PMC)的形態(tài)出現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料作為兩相材料是其中的一種。碳纖維的高拉伸與壓縮性能直接表現(xiàn)在高強(qiáng)度高模量上，因此在碳纖維復(fù)材中主要用作承力組件；對于模量相對較小的基體，其主要作用是傳導(dǎo)載荷。碳纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度極高，在同等強(qiáng)度下比金屬等傳統(tǒng)材料更輕。碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車及傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。2015年，新能源汽車銷量達(dá)3.3×105輛；2016年，銷量達(dá)百萬級別。隨著國家政策鼓勵，市場對新能源汽車的輕量?節(jié)能?環(huán)保等需求更高。預(yù)計2017年以后碳纖維復(fù)合材料新能源汽車占汽車行業(yè)市場的份額將進(jìn)一步增大，至2020年，碳纖維復(fù)合材料車身部件將會實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料汽車的量產(chǎn)需大規(guī)模取代汽車的主要金屬結(jié)構(gòu)件，降低材料加工成本，加快材料到產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，解決材料的回收等是需要重點考慮的問題。

5結(jié)語

　　在國家政策的支持和引導(dǎo)下，新能源汽車的開發(fā)是必然趨勢。由于碳纖維復(fù)合材料具有可塑性好?抗沖擊能力強(qiáng)?剛度高且輕量等優(yōu)點，是汽車降低油耗，減少排放，提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程最有效途徑之一。碳纖維復(fù)合材料作為新能源汽車的重要組成部分，在減重的同時又能保持較高強(qiáng)力，發(fā)展前景極其廣闊。但是，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車輕量化時，存在成本高?質(zhì)量不穩(wěn)定?量產(chǎn)困難?復(fù)合材料成形工藝周期長?組件尺寸大等問題。因此，克服這些問題，既是碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車輕量化的研發(fā)方向。

來源：期刊—合成纖維工業(yè)作者：彭孟娜，馬建偉（青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院）

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