碳纤维提供轻量化解决方案

文/本刊记者 崔书健

未来企业在产业链上的分工会更加细致，大丝束会越来越凸显，细旦化、差别化是重点发展方向

近年来，纤维材料已成为全球发展最快和最活跃的科学技术领域之一。2018年，我国化纤产量达5000万吨，占世界化纤总量的70%以上，化纤工业的强国地位初步显现。其中纤维新材料，特别是高新技术纤维的研究技术水平取得了很大进展，与发达国家先进水平的差距大幅缩小。

“通过系列产业发展规划，我国进一步明确了关键基础材料产业发展的目标和任务，为持续推动化纤行业产品结构升级、产业结构升级、技术结构升级，以及实现化纤行业科学发展和高质量发展提供方向。其中在高性能纤维材料方面，重点发展高性能碳纤维、对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、碳化硅纤维等产品。”在2019中国化纤科技大会先进复合材料及轻量化材料应用高层论坛上，中国工程院院士蒋士成强调了高性能纤维新材料尤其是先进复合材料及轻量化材料研发的重要性，并指出要整合新材料产业优势资源，鼓励上下游企业和产学研联合攻关，集中力量重点突破核心技术的产业化应用。

碳纤维助力交通工具轻量化

复合材料比强度、比刚度高，可设计性强，可实现飞机燃油效率提高20%；抗疲劳、耐腐蚀，可以增进结构效率，在民用飞机上已有大量应用，其在民用飞机主结构上的应用需求引领了航空复合材料研究和发展的趋势。但是复合材料结构的各向异性和脆性特性使其在受载变形、损伤机理和破坏形式等方面与常规的金属材料有显著差异。中国商飞北京民用飞机技术研究中心副总设计师徐吉峰表示，复材本身具有的各向异性力学性能，给设计分析工作带来困难。相比传统金属结构，复合材料在飞机上应用提出了新的技术挑战，带来了一系列待突破的关键技术，如连接分析、稳定性、损伤容限、适坠性、大开口、闪电防护、防火耐燃、防除冰、层间分析等。

碳纤维复合材料助力动车车身轻量化。

“未来飞机设计将采用突破性的机身和推进技术，减少气动阻力，节约燃料；注重提高安静环保性、舒适性；以超音速、超高音速飞行，结构高温效应明显。这就需基于先进材料的一体化结构设计，如功能复合材料要求更轻、更耐损、更耐高温；随着计算机性能提高，将实现总体、气动、结构、材料在同一框架下综合优化等。”徐吉峰如是说。

当前，高铁面临两个最大的困境，一是保证安全，这就要解决冲击，提高耐疲劳、耐腐蚀。二是提高效率，让同样的车拉更多的乘客，使车身更轻，这就需要轻量化的解决方案。中车青岛四方机车车辆股份有限公司副总工程师丁叁叁指出，轨道车辆未来的发展是要追求高速、高效、绿色、智能，研制时速600公里高速磁浮、时速400公里及以上动车组、双层动车组，这些都需要更轻更强的材料。

总之，以轻量化为核心的综合解决方案，是未来技术的基础，应重点解决与强度、刚度、疲劳、腐蚀、噪声及防火等各性能矛盾，寻找平衡—结构优化、材料优化、一体化优化；同时要提效能，以突破传统结构与材料日益突显的瓶颈，材料需轻量化、减冲击、提载重、高耐候、高可靠、高可用、高寿命、少维护，这将为CFRP技术应用推广提供难得的契机。

与传统车身材料相比，碳纤维复合材料具有优异的力学性能、灵活的结构设计以及良好的耐腐蚀性能等特点，在汽车领域有着非常广泛的应用，如车身、底盘、内饰、外饰、动力系统等。苏州华特碳纤维有限公司总经理熊飞总结了碳纤维产品在汽车应用上的六大优点：一是车身轻量化，碳纤维密度低，比低碳钢减重50%，比镁/铝合金结构减重达30%；二是集成度高，造型自由，可设计性强，实现流线型，曲面成本低，可减少零部件种类和工装投入；三是颠覆生产流程，模压和粘接工艺代替冲压和焊接，节约生产线及模、夹具的投入；四是汽车可靠性好，碳纤维高的疲劳强度（可达设计载荷的70%～80%），使车身可靠性有较大提升；五是汽车舒适度好，更高的振动阻尼，对汽车整体降噪效果提升显著，舒适性更佳；六是汽车安全性高，汽车减重以后重心下降，提升操作稳定性，碰撞吸能能力为钢的6～7倍，铝的3～4倍。

面对日益严峻的油耗法规，世界各国车企都在采取积极的措施以推动汽车产品的节能减排。预计未来3年，中国汽车轻量化市场将达到5000亿，其中新能源汽车轻量化市场350亿。那么，实现新能源汽车轻量化技术的路径是什么？国际汽车轻量化绿色科技联盟执行会长陈平生认为，需要更安全、更节能、更环保、智能制造模块化集成，通过零部件结构设计优化与CAE模拟分析、高强轻量化材料及先进制造技术量化应用，实现量产车型的轻量化。此外，他还介绍了先进复合材料在新能源量产车型上的几种应用案例，并指出，通过碳纤维复合材料技术安全评价体系、共性技术平台、产品线协同创新开发机制的建立，低成本碳纤维复合材料在汽车结构件产业化领域将迎来广阔的市场开发前景。

碳纤维在能源产业的实际应用

叶片是风机的关键部件，其长度和风机的功率成正比，功率越大，叶片越长。由于现有材料不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。基于此，江苏澳盛复合材料有限公司技术总监严兵详细对比了几种碳纤维风电应用方式，包括大克重预浸料、碳纤维织物、加固碳板等，同时列举了几种国内外碳纤维风电应用实例。他认为，综合考虑风电机组的全生命周期，碳纤维的应用前景将更加广泛。但是我们还需要正确看待碳纤维材料在应用中存在的问题，未来研究重点将放在大丝束碳纤维、工艺创新、热塑性碳纤维复合材料叶片、碳纤维复合材料的回收等方面。

碳纤维优质原丝生产细节把控。

碳纤维缠绕气瓶的应用领域主要有：航空航天用高压气瓶、呼吸器用气瓶、车用气瓶、运输用气瓶等，并已经有了商业化应用。沈阳斯林达高压容器有限公司总经理姜将主要分析了70MPa车用Ⅲ型储氢瓶、70MPa车用Ⅳ型储氢瓶的关键技术及应用优势，并概述了复合材料气瓶健康监测技术的国内外现状。在工作状态安全评价监测方面，利用微纳传感器监测复合材料压力容器在自紧、水压、冲击、爆破试验及工作过程中的状态，预期得到COPV内衬和碳纤维复合材料层的应力应变状态；在全寿命健康监测方面，利用微纳米传感器监测复合材料压力容器在全寿命使用周期内的应力应变状态，预期实现复合材料压力容器的健康状态判定。

对碳纤维未来趋势的探讨

中国制造业有巨大的潜在市场，有望引领轻量化复合材料产业发展，而复合材料在制造业中大规模应用的关键技术是低成本化。围绕低成本化的实现途径，东华大学纤维材料改性国家重点实验室副主任余木火详细介绍了其团队的研发方向与研发成果，包括CFRP车身底盘电池盒一体化结构的研究、热塑性复合材料预浸料的工业化生产及应用研发、CFRP电池盒结构的设计（低成本+自动化量产+轻量化）、电池盒专用预浸料的研发（室温储存+快速固化+阻燃）以及CFRP高铁转向架的研发等。

谈及轻量化复合材料未来发展的主要趋势，余木火表示：“一是全球碳纤维、芳纶不断扩产能，成本不断下降；二是碳纤维、芳纶制造技术不断进步，成本不断降低；三是碳纤维、芳纶性能不断提高；四是复合材料自动化量产技术发展迅猛；五是各行业开始尝试使用复合材料，在中国，风电、大型客机、高铁汽车（氢气瓶、电池盒、传动轴、轮毂、板簧）、建筑、海洋、化工等行业已走在应用前列；六是针对目标零部件，研发全产业链低成本化技术体系，将给予细分市场龙头企业很大机遇。”

碳纤维原丝的生产往往要经历原液聚合、纺丝、氧化、碳化、上浆等各道流程，而且过程中还要注意做到高纯化、致密化、细晶化、均质化以保证纤维的性能。“优质原丝是制备高性能碳纤维的首要条件，杂质缺陷最少化可提高强度，原丝、预氧丝、碳纤维均质化，可使纤维结构和性能径向分布基本均匀，没有明显的皮芯结构，缩短预氧化时间，提高效率，降低碳纤维成本。” 吉林化纤集团董事长宋德武特别强调道。

对于碳纤维未来的发展趋势，宋德武表示，未来企业在碳纤维产业链上的分工会更加细致，大丝束会越来越凸显，细旦化、差别化是重点发展方向，原丝生产将受到额外关注。基于此，他提出以下几点建议：一是支持连续生产、具有规模的碳纤维制造者，只有产业化、规模化才能促进质量进步、成本降低；二是市场化同时差别化，突出各自特性，实现高效应用、降低成本；三是完善生产、应用、检测等标准；四是工艺技术消化与加工装备能力提升，加快装备国产化速度；五是碳纤维及复材是一门复杂科学，要依靠产业基础以及市场开发，找对人、做对事；六是碳纤维产业运行需要关注安全与环保。