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2016-02-10

高科技纤维与应用 2016年3期

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川崎重工的铁道车辆转向架使用CFRP弹簧实现轻量化

川崎重工业向日本四国旅客铁道公司（以下称JR四国）交付了4 台采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）弹簧的铁道车辆转向架“efWING”。JR四国将在已有的两节编组的121系近郊型直流电车上，为两节车厢各配备两台该转向架，并对车辆实施更新，将在2016年6月以后作为7200系近郊型直流电车在高松至伊予西条线和多度津至琴平线上投入运营。

新型转向架将部分框架的材料从钢换成了CFRP。此外，原来的转向架利用与钢制侧梁分离独立的螺旋弹簧发挥悬挂作用，而新转向架则将侧梁与螺旋弹簧的功能整合到了弓形CFRP弹簧中。这样可大幅轻减转向架的质量，降低能源成本。

另外，CFRP弹簧还可使整个转向架产生挠曲效应，使各个车轮施加给铁轨的力保持稳定，从而提高乘坐舒适性。在曲线及线路不正的铁轨上行驶时，可抑制车轮向铁轨传递的垂向负荷减少的“轮重减载”现象，因此还具有不易脱轨的效果。JR四国于2016年2～4月在高松至伊予西条线上使用该转向架进行了行驶试验。试验证实，行驶安全性和乘坐舒适性均得到改善。

英国Sigmatex牵手英国高端自行车制造商

先进织物制造商英国Sigmatex公司与自行车制造商Orro共同开发新一代高端自行车。Orro的公司目标是为高端客户生产性能优异和外观时尚的自行车，并为此采用了最先进的高性能材料。由此打造的旗舰品牌Gold Signature甚至可以按客户需求进行喷绘。

Gold Signature大量采用了Sigmatex公司提供的创新性碳纤维宽展布（Spread Tow）产品Sigma ST，以达成对质量和强度的设计要求。Orro合作方负责人Adam Glew表示，有英国顶尖的碳纤维织物制造商的加盟，Orro必定站立在自行车行业创新的最前沿。

Sigmatex方面称，Sigma ST是一种创新的碳纤维织物，以质量轻、力学性能优异而优于传统织物。质量比传统碳纤维织物轻20％，比强度也更加优异，尤其适用于对强度、刚度和质量都有较高要求的应用领域。

美军新一代作战直升机选用碳纤维复合材料

美国国防部正在为美军研发下一代垂直起降作战飞机（VTOL），用以替代即将退役的UH-60黑鹰直升机。贝尔公司生产的V-280型直升机被纳入考量。该机型在旋翼、机舱和机尾部分大量采用了碳纤维复合材料。

V-280的研发过程集结了11 家合作伙伴，进行专业的分工。其中包括GKN航空公司（负责机尾结构）、Spirit航空系统有限公司（机身）、Eagle科技有限公司（倾转旋翼）和东丽美国公司（供应碳纤维预浸料）。

根据美国航空周刊报道，V-280首次在旋翼部位使用一种碳纤维蒙皮与蜂窝芯材构成的三明治结构，它的倾转旋翼更是采用全碳纤维制造，加上其他部件的轻量化设计，大大减轻了飞机自身的质量。

据称，V-280很可能将是世界上飞行速度最快的军用直升机，巡航时速高达280 节（约合518 km/h）。对比之下，黑鹰直升机的时速仅有150节（约合274 km/h）。“V-280保持了与前任黑鹰相同的负载，但飞行速度却达到后者的两倍。”贝尔直升机先进倾转旋翼系统副总裁Vince Tobin表示说，“如果给一家黑鹰战机施以相同的载荷，它需要在半程时停下来休息。就在黑鹰战机重新加满燃油的过程中，V-280早已到达目的地了。

V-280预计将于2017年9月首飞，成为Sikorsky/ Boeing SB-1（时速约462 km/h）飞机强有力的竞争对手。

通用高性能车型计划选装碳纤维轮毂

通用计划与澳大利亚Carbon Revolution公司合作，为旗下高性能车型提供碳纤维轮毂作为选装件，而该公司也是福特GT以及福特Mustang GT350R Shelby车型上碳纤维轮毂的供应商。福特Mustang GT350的碳纤维车轮可减少约26 kg的汽车总质量，但每个车轮的更换成本将会超过4 000美元。

通用目前正在对碳纤维轮毂做测试，未来或将首先装配到凯迪拉克V系列高性能车型上。通用研发人员William Rodgers称，凯迪拉克V系列车型（包括ATS-V、CTS-V等）或将首先成为碳纤维轮毂的装配对象，而通用也在考虑为雪佛兰科迈罗及科尔维特车型装配。“是对性能的追求驱使我们做出这项决定”，Rodgers如是说。

碳纤维轮毂在改装市场已经不是什么新鲜产品，但很少有汽车制造商为原装车配备碳纤维轮毂。通用称，每辆使用碳纤维轮毂的车型将减质量约15.87 kg，尽管昂贵，但如此程度的轻量化也是其他材料无法提供的优势。除此之外，碳纤维轮毂使得车轮的转动惯量更小，也使得车辆的簧下质量更小和动态响应更佳。

通用目前正在对碳纤维轮毂进行测试，试图找到对抗坑洼路面和磨损的办法，以及制定修复费用标准的依据。通用希望随着更多车辆使用碳纤维轮毂，这种材料的修复费用会逐步下降。

科尼赛克Agera的碳纤维轮毂

美公司研发成本3.3 美元/kg的沥青基碳纤维原丝制备工艺

美国Advanced Carbon Products LLC公司（ACP ）发布消息称研发出创新的中间相沥青基碳纤维原丝连续制备工艺，将原丝的制备价格压缩到仅有约3.3 美元/kg，并申请了专利。 ACP公司总裁市场副总裁Chris Boyer表示说，公司于2015年获得各向同性沥青的制备工艺专利，又因为各向同性沥青是中间相沥青的制备原料，进而于 2016 年年初获得中间相沥青的制备工艺专利。ACP内部把上述各向同性沥青命名为ACP10，中间相沥青命名为ACP20 。

至于降低成本的窍门所在，Boyer表示是该工艺的充分连续性，将间断时间尽可能压缩。他还表示，该工艺还能进一步优化，将成本降到3.3 美元/kg以下。当被问到以此生产出的碳纤维的质量如何，Boyer表示ACP旗下各向异性沥青的化学性能和市场上被用来生产碳纤维原丝的同类产品相近，因此他相信公司的中间相沥青也该如此。目前，ACP正在运行的是一条中间相沥青试验线，公司计划建设一条产能1×104t/a的生产线。同时，公司正在寻求商业合作伙伴，共同评估这种材料在碳纤维生产过程中的表现。

另外，ACP已经向美国橡树岭国家实验室（ORNL）发出样品用于性能评估。Boyer表示公司可生产中间相沥青质量分数在50％～90％以上的原丝产品，而世界上大多是沥青基碳纤维生产线倾向于使用质量分数在80％～90％的原丝。Boyer称公司还在同时利用沥青产品研发碳/石墨泡沫材料、特种石墨产品等。

美国Dragonplate公司研发出轻型桦木芯预浸料碳纤维板

美国复合材料工程与制造Allred ＆amp; Associates公司旗下的Dragonplate公司宣布，已经开发出了新的高模量碳纤维薄板。该材料采用了一种桦树芯，适用于工业自动化、UAVs、医疗成像以及飞机内饰等领域。此碳纤维板可承受121 ℃的温度，并可以进行深度加工，其刚性是标准碳纤维的3 倍，与金属和玻璃纤维相比，也可以大大减轻质量。

采用此种材料制成的碳纤维板的比刚度是铝或钢的8～10 倍。将此技术应用于工业自动化的机器手，例如注塑成型或包装设备，可以缩短时间周期和消除振动，并且可实现机器人小型化，所有这些都有助于成本节省。在无人机及其他空中和地面设备上的应用，可减少不必要的质量，这意味着性能的改进，尤其是在耐久性和承载能力等方面。

ORNL与RMX科技推出等离子氧化技术碳纤维制备成本下降20％

由美国橡树岭国家实验室（ORNL）和 RMX科技公司共同研发的等离子氧化技术是对碳纤维低成本制备的一次新的尝试。在生产碳纤维的步骤中，氧化过程耗时最长。“传统工艺中，分配给氧化的时间大约在80～120 min。”ORNL的合作创立者Felix Paulauskas表示说，“我们发明的这种新工艺，却能将这一时间缩短到25～35 min。”

时间的缩短并不是等离子技术的唯一好处。与传统工艺相比，等离子氧化技术的单位能耗下降了75％，使得制备成本下降了20％，但碳纤维的品质却得以保持甚至更优于前者。ORNL方面称，等离子氧化技术可以被用来生产各种级别的碳纤维，从较为低端的工业用碳纤维，到高端的航空级别碳纤维，无一不可。

Paulauskas于8 年前提出的等离子氧化的概念，并于RMX科技公司就此展开了科学验证。2014 年，RMX建造了一台1×104t的等离子氧化炉，并于次年从实验研发转向量产技术研发。“眼下我们正在与商业伙伴一起，试图推动该技术的商业化，促进碳纤维的低成本生产。”RMX科技公司总裁Rodney Grubb表示说，“通过与ORNL的合作，我们已经成功证明，新技术节省了75％的能耗，保证了碳纤维的高品质，同时设备占地面积缩小了一半。”与我们合作的一家碳纤维制造商曾说过：“等离子氧化技术不再仅仅是实验室的模型。它已经真正成为经过实践检验的商业技术。” Grubb表示说，公司已经与合作伙伴—碳纤维生产设备供应商Litzler（利兹勒）一道准备着，预计于2017年售出第一台等离子氧化炉。作为RMX科技下属子公司，4M工业氧化公司也将参与该技术的研发、认证和推广。“等离子氧化技术的商业化推广将加速碳纤维在汽车等多个行业的应用，只要这个行业有充分的对轻量化材料的需求。”RMX科技公司研发副总裁Truman Bonds表示说。

美国国家能源部的车辆技术办公室对ORNL的等离子氧化技术提供了资金支持。

东丽T800S碳纤维预浸料被选作空客A380供应原材料

日本东丽公司旗下利用高强中模碳纤维T800S生产的预浸料产品通过空客公司认证，被选为空客A380的主结构原材料。目前，东丽已经开始向空客位于德国的工厂供货。 2010年，东丽与空客签署了碳纤维预浸料长期供应协议。此次T800S碳纤维预浸料通过认证正是基于这份供应协议做出的决定。据称，这也是空客公司首次采用东丽公司的Torayca碳纤维预浸料产品。

同时，东丽还将扩大对空客公司的高性能碳纤维供应。譬如，东丽碳纤维被用于生产普惠公司PW1100G-JM发动机的风扇机匣，而PW1100GJM是空客单通道机A320neo所使用的发动机。另外，高性能东丽碳纤维还被用于生产空客A330neo机型的一级结构部件。

自从东丽碳纤维Torayca产品在1970年代被选作空客A320的二级结构原材料起，东丽公司已经为空客旗下多机型包括A320、A330、A350XWB和A380供应了高性能碳纤维产品。东丽仍将继续加大研发力度，为空客公司新一代的飞机提供有力的原材料技术支持。

东丽展出用碳纤维带提高强度的注射成型品

东丽在“2016人与车科技展”（5月25～27日于太平洋横滨国际会展中心举行）上，展出了将碳纤维和树脂制成的条带放入模具嵌入成型的“热塑性单向条带及注射混合成型技术”。与利用普通玻璃纤维增强树脂的成型品相比，弯曲强度提高了1 倍，弯曲弹性模量提高了两倍。而与整体采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制造相比成本更低。目前该技术尚在开发之中，还没有关于产品量产化的具体计划，其目标是用树脂替换金属部件以实现轻量化。

使用的碳纤维带沿同一方向排列碳纤维，用聚酰胺（PA6）组合到一起。此次展出的样品是用两片厚度为0.3 mm的碳纤维带夹着厚度为2.4 mm的PA6板（按质量比例混入45％的玻璃纤维）制成的。弯曲强度方面，普通的注射成型品为315 MPa，而开发品（样品）提高到了553 MPa。干燥状态下的弯曲弹性模量从13 GPa提高到了51 GPa。对于含有水分时的弯曲弹性模量，普通注射成型品减少高达50％，而开发品减少控制在了20％。

质量减轻50％的CFRP传动轴

日本藤仓橡胶工业公司开发了轻量化汽车传动轴。该传动轴分为两端部和中央部3 个部件，中央部使用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制成的管件。与全钢制成的现行传动轴相比，质量降低50％，从2 kg降至1 kg。

为实现轻量化，将传动轴中央部的材料换成了CFRP。此外，为了能够承受大扭矩的传递，还提高了强度。藤仓橡胶工业开发了名为“同时多层卷绕”的碳纤维预浸料卷绕方法。

CFRP制管件是通过在芯棒上卷预浸料的方法制造的。这使预浸料以3 种角度卷绕，分别是，相对于轴倾斜交叉的（±45°）角度，以及沿着轴的转动方向卷绕的（＋90°）角度。通过这样的卷绕方法层叠预浸料，使新型传动轴的扭曲强度提高了20％。

新型传动轴的两端为钢制部件（短轴）。因此，CFRP制管件与短轴之间要实施异种材料粘接。具体操作时，首先在短轴上切割出花键（细齿），压入CFRP制管件。为了掩盖短轴与CFRP制管件的粘接部，覆盖钢制外壳，并用环氧类粘合剂粘接，使强度达到了与钢制传动轴同等的水平。

藤仓橡胶工业表示，正与某汽车厂商推进相关研发。

俄罗斯将推出用于太空制造卫星零部件的碳纤维3D打印机

一个俄罗斯团队正在开发用于国际空间站（ISS）的3D打印机。设计者表示，他们的打印机将采用复合印刷材料生产的技术部件电池、天线和CubeSat卫星所需的技术部件。该项目结合了斯科尔科沃基金会常驻公司Sputnix和Anisoprint，以及莫斯科理工大学的研究成果。 Sputnix公司专业从事高科技微组件的开发，并在2014年首次推出了俄罗斯私营地球遥感卫星。Anisoprint公司则致力于生产高性能纤维复合材料。该合作项目旨在克服外太空制造生产过程中遇到的难题，如损伤、尺寸限制以及将新材料发送至轨道等。

美国人在国际空间站已经开发了当前正用于实验机载的3D打印机。2014年由NASA和美国太空制造公司生产的3D打印机使用塑料线材，能打印原型件和备用小零件。2016年4月，NASA安装了另一台由美国太空制造公司生产的增材制造设备（AMF）3D打印机。该AMF 3D打印机也能制造工具并提供维护，并对第3方开放使用，在太空3D打印物体。

俄罗斯队也不甘落后，计划将这两种材料相结合，最终将小卫星部件组合进行打印。虽然许多3D打印机使用熔化的塑料，但是他们所使用的3D打印机结合了连续碳纤维热塑性复合材料。该复合结构比常规的塑料韧性要强10 倍。

该项目的成功意味着允许更大的机载试验与目前的3D打印机登上国际空间站，以及直接从轨道上打印新技术或新零件所需的能力。

陶氏再创碳纤维粘接技术新高度

陶氏汽车系统业务部碳纤维粘接解决方案的创新成果—BETAFORCETM复合材料结构胶注射粘接技术，已经成功应用于宝马集团最新推出的全新宝马7系。

据悉，这一创新注射粘接技术的开发再次证明，通过调整开放时间和周期时间等参数，陶氏汽车系统能在不影响机械性能的条件下按照客户的特殊生产要求进行定制结构胶，帮助客户提高其装配效率。应用注射粘接技术，碳纤维部件得以更广泛地应用于多种材料的装配，有效支持了汽车制造商的轻量化策略。

注射粘接技术可用于碳纤维部件与车顶侧架的金属部件粘接。碳纤维部件内嵌于沿A柱延伸到车顶和沿D柱往下的金属外壳，这样可确保客厢在侧面碰撞或侧翻时的稳定性，并在保证最低质量、提高驾驶和操控性能、降低噪声、震动和声振（NVH）的同时，增强车辆的扭转刚度。

首架全碳纤维制造的钻石450飞机首飞

日前，世界首架全碳纤维制造的钻石DART-450飞机首飞成功，将为飞机的验证及量产铺平道路。

DART-450飞机是世界上首架全碳纤维材料制造的双座式军民两用教练机。机上配备了一个侧杆和两个弹射座椅。该机可用于特技飞行，装备了Motor Sich AI-450S涡桨发动机、5 叶的MT螺旋桨和GARMIN航电系统，最大起飞功率368 kW，最大续航时间8 h。在持续60 min的首飞测试中，飞机以111～370 km/h的指示空速在不同的高度上进行了飞行。预期最大实际空速可达463 km/h。

交通运输的变革—碳纤维超级高铁设计

随着科技的高速发展，交通运输也进入了飞速变革时代，碳纤维超级高铁设计或将使洛杉矶到旧金山的时间缩短至30 min，而这一设计竟然是一群聪明的大学生。

新的高速地面交通系统—超回路列车正在设计中，各大学通过竞争来建立最好的超回路列车舱。碳纤维超回路列车将变革交通工具，大大提高交通速度。

从洛杉矶到旧金山可能只需30 min时间。这不是科幻小说，也不是50 年后还不能实现的想法，而是有望成为现实的事情。这要归功于ElonMusk及世界各地一些聪明的大学生。早在2013年，Musk首次提出了一个全新的高速地面交通系统—超回路列车的想法。它拥有管网，可跨越数百英里（1 mile = 1.609 3 km）。为了加速超回路列车的发展，Musk呼吁各大学通过竞争来建立最好的超回路列车舱。

对于那些想在世界上创新的大学生来说这是一个梦寐以求的项目。2016年1月，德克萨斯州A＆amp;M大学主办的Design Weekend上有100多支队伍参赛竞争进入超回路列车半决赛。Carnegie Mellon大学学生的设计“可靠并令人印象深刻”，最终进入决赛。Carnegie Mellon超回路列车由50多名工程师、设计师和商学院学生之间跨学科团队创新设计，一路过关斩将，希望在竞争中取胜。

30 个不同的学生团队(包括来自Carnegie Mellon的团队)将于8月份在霍桑市SpaceX总部外的一英里（1 mile = 1.609 3 km）测试赛道上测试他们的车舱设计。

来自Carnegie Mellon的团队的设计包括一个碳纤维外壳，该外壳包围了车舱的各个组成部分。碳纤维结构体的尺寸为8×3.5×3 英尺（1 ft = 0.304 8 m）。

Carnegie Mellon大学机械工程学院研究生Siddharth Alampally说，“作为一个学生团队，这是团队成员第一次制造巨大的碳纤维外壳，而为碳纤维结构制造高品质的模具是一个大的挑战。这个结构非常大，需要耐心。此外，我们决定建立一个碳纤维复合材料结构，因为它的强度质量比非常高，我们选择树脂灌注工艺，因为这样我们就能够制造高品质的定制形状。” 车舱的其它部件包括磁悬浮，这在美国不用于任何地方的运输，因此把这些想法付诸实践是另一个大的挑战。

该团队计划在7月的最后一周完成吊舱，以便提供更多的时间来进行测试。

东丽开发省去底漆和里漆工序的汽车外板用CFRP

东丽开发出了可减少涂装工序的汽车外板用树脂基碳纤维复合材料（CFRP）成型技术“A-Coat”。只需用模具实施成型，即可获得表面品质优异的CFRP成型品。利用该技术可省去涂装工序中的底漆和里漆工序。设想用于车顶及发动机罩等。东丽在“2016人与车科技展”（5月25～27日于太平洋横滨国际会展中心举行）上展出了使用新成型技术的车顶样品。