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汽車(chē)碳纖維的低成本應(yīng)用技術(shù)

汽車(chē)碳纖維的低成本應(yīng)用技術(shù) 

汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料(CFRP)可以說(shuō)是汽車(chē)輕量化發(fā)展中的明星材料,近年來(lái),行業(yè)對(duì)于這一“黑色黃金”材料的應(yīng)用研究也在不斷發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。從車(chē)身、內(nèi)外飾系統(tǒng)向底盤(pán)、動(dòng)力總成系統(tǒng)延伸;從外覆蓋件材料向結(jié)構(gòu)件材料或結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料擴(kuò)展。但是,碳纖維的高成本仍是限制其發(fā)展的重要因素。目前,商業(yè)級(jí)的汽車(chē)碳纖維主要為PAN基碳纖維,其高成本問(wèn)題主要集中在較高的PAN 原絲生產(chǎn)成本和較長(zhǎng)的生產(chǎn)流程。因此,降低車(chē)用CFRP成本的主要路徑是降低汽車(chē)碳纖維原絲成本,尋求低成本纖維生產(chǎn)工藝以及低成本的CFRP制備工藝。

汽車(chē)碳纖維管材.jpg

低成本碳纖維技術(shù)

1. 大絲束生產(chǎn)工藝

一般48K以上的碳纖維稱(chēng)為大絲束碳纖維,大絲束碳纖維的性能優(yōu)點(diǎn)主要在以下兩方面:

1)大絲束碳纖維對(duì)PAN原絲的質(zhì)量要求相對(duì)小絲束要低,可以采用民用PAN絲。

(2)大絲束碳纖維的制造成本是小絲束的60%左右。

但是大絲束碳纖維的生產(chǎn)難點(diǎn)在于:大絲束纖維聚積,展紗效果不好,紗片難以均勻浸潤(rùn),紗片厚度和質(zhì)量很難達(dá)到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求; 在展紗過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)紗毛,導(dǎo)致亂紗和斷紗,影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品外觀,材料性能得不到有效轉(zhuǎn)換,產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。

2. 低成本碳纖維前體開(kāi)發(fā)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,PAN的價(jià)格約占碳纖維生產(chǎn)成本的50%。因此,國(guó)內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)商也開(kāi)始尋求PAN以外的更低成本的原料來(lái)制備碳纖維。美國(guó)、日本等汽車(chē)碳纖維主要制造國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了包括聚烯烴類(lèi)聚合物、木質(zhì)素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸紡織物等在內(nèi)的低成本代替材料。如:從紙漿廢液中提取的木質(zhì)素,通過(guò)熔紡和碳化制成了低成本碳纖維,生產(chǎn)成本可控制在4~5$/kg。

汽車(chē)碳纖維-1.jpg

3. 混雜碳纖維技術(shù)

將碳纖維與其他纖維進(jìn)行混雜,在性能上可以互補(bǔ),能有效降低生產(chǎn)成本。如,將碳纖維與玻璃纖維、芳綸纖維等混合,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在保持材料原本高性能的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。

4. 預(yù)氧化工藝

碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)也是造成碳纖維生產(chǎn)成本高的一個(gè)重要原因。目前,已有研究對(duì)PAN原絲進(jìn)行紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)等物理處理或采用KMnO4、C6H5COOH等化學(xué)處理降低環(huán)化溫度,縮短預(yù)氧化時(shí)間。工藝方面,可改變溫度、時(shí)間、氣體氣氛等工藝參數(shù),提升碳纖維的性能。

汽車(chē)碳纖維.jpg

高效率成型樹(shù)脂及成型工藝

碳纖維復(fù)合材料的制造成本主要由兩方面構(gòu)成。一是源于熱壓罐、自動(dòng)鋪層等成 型設(shè)備價(jià)格昂貴,二是因?yàn)閺?fù)合材料較長(zhǎng)的成型時(shí)間,造成人力物力的消耗。因此,基于高效成型的樹(shù)脂材料和新型成型工藝將是碳纖維復(fù)合材料低成本優(yōu)化的重要途徑。

環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)異的粘合強(qiáng)度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能,是碳纖維復(fù)合材料的首選。

而陶用于LCM工藝的樹(shù)脂,可以直接將樹(shù)脂均勻地涂敷在干的纖維預(yù)制件上,并通過(guò)壓強(qiáng)使樹(shù)脂織物在厚度方向上均勻浸潤(rùn)。 

“瞬間固化”環(huán)氧樹(shù)脂,其樹(shù)脂配方主要用于成套預(yù)浸料和熱進(jìn)/熱出沖壓成型工藝。雖然該工藝固化周期需要 5min,但報(bào)道稱(chēng)其制造的部件表面可達(dá)A級(jí),無(wú)需模具后處理。

另一種快速固化的環(huán)氧樹(shù)脂在140℃下僅30s就可固化,這使得1min內(nèi)復(fù)合材料成型工藝成為可能。為此,還開(kāi)發(fā)了與該樹(shù)脂配套的動(dòng)態(tài)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(yù)浸料工藝。與常規(guī)濕發(fā)壓縮成型(WCM)相比,該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以減少層壓板層間縫隙,復(fù)合材料孔隙率低于1%,性能可媲美高壓的RTM工藝,且高達(dá)66%纖維體積含量(FVC)的復(fù)合材料可以在沒(méi)有特殊處理的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

汽車(chē)碳纖維管材-2.jpg

碳釬維回收技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料的回收與再利用是降低碳纖維使用成本,提升其經(jīng)濟(jì)附加值的一種有效方法。目前,對(duì)碳纖維回收方法的研究也在不斷更新,如,高溫?zé)崃呀狻⒀趸骰卜ā⒊R界流體技術(shù)等。

文章來(lái)源:汽車(chē)新技術(shù)資訊
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