碳纤维复合材料低成本多用途发展展望

碳纤维复合材料主要指碳纤维增强树脂基及碳纤维增强碳基 (C/C) 复合材料, 以其低密度、高强度、高模量、耐高温、耐烧蚀、抗热震、高热导、低热膨胀、耐腐蚀、耐辐射及高摩擦磨损性能等优良性能, 在国内外航空航天领域得到广泛应用[1]。

先进树脂基复合材料在飞机上的应用已从非承力件扩大到机翼结构等主承力件, 诸如机翼、垂尾、前机身、鸭翼、腹鳍、方向舵及升降副翼等[2]。如A380飞机, 碳纤维复合材料约占35吨结构材料中的20%以上, 包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁;波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料, 包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量, 而且还可以保证不损失强度或刚度, 大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。空中客车公司日前宣布, 碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。另外, 碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如, 三菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机M R J主机翼和尾部组件, 该机型预计在2013年进入市场。

“气动热环境”是航天工程特有的工作环境之一, 碳纤维树脂基复合材料是一种为保证导弹和航天器在特殊气动热环境下正常工作的专用功能材料。C/C复合材料自问世以来, 一直受到航天航空等高科技领域的高度重视, 迄今为止仍是战略导弹弹头结构、液体火箭发电机高温部件、固体火箭发动机喷管及先进飞机刹车副的首选材料。

随着航空航天科学技术和工业的高速发展, 碳纤维复合材料的低成本是一个重要的发展趋势, 本文就实现碳纤维复合材料的低成本目标从发展高性价比碳纤维、低成本制造技术、先进质量管理及拓展应用领域等重要环节予以论述。

1 发展高性价比碳纤维

1.1 国外高性价比碳纤维发展状况

碳纤维复合材料在航空航天结构上的广泛应用强烈依赖于碳纤维成本降低方面的突破性进展, 由于碳纤维价格昂贵也阻碍其在一般工业领域中的应用。因此, 发展高性价比碳纤维已成为开拓碳纤维复合材料应用领域的重要途径。

日本东丽公司发展高性能、低价格碳纤维的如下动向值得重视: (1) 提倡规模效益。认为碳纤维生产线规模小于年产400吨是无效益可谈, 因此, 该公司及世界各大碳纤维生产商陆续建立的碳纤维生产线规模多为年产1500吨以上。 (2) 大力发展环境友好型循环碳纤维, 促进碳纤维材料的回收和利用。从飞机和其它设备中回收和循环利用使用过的碳纤维, 将其与塑料混合, 并将其制造成每千克约2000日元的材料, 这个价格比同强度的不可回收材料低30%多。循环碳纤维的年产量将从开始的几百吨增加到1000吨, 成为东丽公司的新经济增长点。 (3) 大力开发大丝束碳纤维。开发的18K和24K等大丝束碳纤维在性能与小丝束碳纤维相当的情况下, 其价格比小丝束碳纤维便宜30%~40%。美国是碳纤维生产大国, 更是消费大国, 世界碳纤维40%以上的市场在美国。美国的卓尔泰克 (ZOLTEK) 公司是世界著名的碳纤维生产大公司, 该公司采用纺织用的丙烯酸原丝开发工业级高性价比碳纤维, 比日本东丽公司同类产品价格明显降低。该公司从2004年l2月l6日开始和世界最大的风能厂家Vistas等协议, 为他们提供风电叶片用大丝束碳纤维。英国PK公司采用民用聚丙烯腈长丝 (320K单丝) 作为原纤维制成具有中等强度的碳纤维, 价格便宜, 对推广应用具有实际意义。

1.2 国产碳纤维发展状况

近年来, 由于我国对碳纤维需求日益增加, 国内碳纤维发展迅速。如:吉林石化公司与北京化工大学合作承担了国家“九五”科技攻关项目, 共同研究开发二甲基亚砜法高性能聚丙烯腈原丝生产技术, 建立500吨/年原丝和200吨/年碳纤维生产线;大连兴科碳纤维有限公司已建成380吨/年生产线, 是目前我国唯一实现碳纤维产业化的企业, 在世界排名第十一, 据专家评价该公司实际拥有年产量800吨的生产能力, 产品各项技术指标已经达到国外同类产品先进水平。另外, 上海石化公司、山东天泰碳纤维有限责任公司、兰化集团化纤厂等均有碳纤维生产项目准备实施。同国外相比, 我国国产碳纤维生产存在不少问题及差距。 (1) 我国PAN (聚丙烯腈) 碳纤维总生产能力较小, 实际生产量仅30~40吨/年, 远远不能满足国内的需要 (约5000~6000吨) , 目前我国95%的碳纤维依靠进口。 (2) 与国际先进水平相比, 国产碳纤维强度低 (仅相当于东丽公司已基本决定淘汰的T300水平) , 均匀性、稳定性差 (强度、模量、线密度的CV值均为国外产品的一倍以上) , 毛丝多 (断头率为国外产品的6倍) , 品种单一且价格昂贵 (为国外产品的1.5~3倍) , 发展水平总体落后发达国家近20~30年。 (3) 厂家、装置规模小, 技术设备落后, 经济效益差。针对以上问题, 我国已制定出发展碳纤维的方针:尽快掌握核心技术, 实现自主创新;降低碳纤维生产成本, 加强应用研究和市场开发;加快推进民用碳纤维及原丝的技术开发。

2 低成本成型技术

为实现碳纤维复合材料高性能和低成本, 必须在成型技术方面进行深入研究。在航空航天高技术领域, 碳纤维复合材料制件采用大型整体成型结构、共固化/共胶接结构、设计制造一体化技术等是主要发展方向;重点是以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型。采用国际上倡导的“无紧固件”技术, 减少后加工量和装配工作量, 从而达到在提高复合材料性能的同时降低制造成本[3]。在其它碳纤维复合材料民用领域要大力发展低成本的模压及树脂传递模塑成型工艺 (RTM) 。模压成型工艺是复合材料生产中成本较低且应用广泛的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内, 经加热、加压固化而成型的一种方法。如图1为碳纤维复合材料模压成型示意图。模压成型工艺的主要优点是:生产效率高, 便于实现专业化和自动化大批量生产;产品尺寸精度高, 重复性好;表面光洁, 无需二次修饰;能一次成型结构复杂的制品;由于可批量生产, 因此价格相对低廉。这些优点使得模压成型工艺特别适合要求批量大、精度高及互换性好的产品。

树脂传递模塑成型工艺是在模具的型腔中预先放置碳纤维 (包括嵌件等) , 闭模锁紧后, 将配好的树脂胶液在一定的温度和压力下, 从设置于适当位置的注入孔处注入模腔, 浸透纤维, 然后一起固化, 最后启模、脱模, 得到两面光滑的复合材料制品。图2所示为RTM工艺示意图。

3 应用先进有效的质量管理

国内碳纤维树脂基复合材料普遍是手工操作, 合格品率低, 制造成本高。近年来如RFI、光固化、电子束固化、纤维铺放等各种低成本制造技术应运而生。然而, 碳纤维复合材料制造过程中质量管理技术有待加强。随着制造业日新月异的发展, 客户对产品的需求种类日益增多、批量减少。多品种、小批量的生产方式越来越普遍, 因此, 针对这种生产方式的先进有效的质量管理技术需要大力发展。但是照搬国外现成的先进质量管理技术并不可取。如国内一些碳纤维复合材料生产企业在基础数据并不充分、人员统计知识还相当缺乏的情况下开始实施六西格玛质量管理, 很难取得真正的成效。我们目前需要的是真正有效并可降低成本的质量管理方法, 其实就是借鉴发达国家行之有效的质量管理方法, 结合我国生产环境、设备情况、人员情况等综合加以利用, 会取得更好的成效。国内外的实践表明, 加强质量管理, 在现有的基础条件不变的情况下以较小的投入可以得到较大的优质质量回报[4,5]。

4 拓展应用领域势在必行

毫无疑问, 拓展碳纤维复合材料的应用领域是既提高性能又降低成本的有效途径。自上世界末以来, 由于两极对抗世界格局的变化, 包括美国在内的世界强国都在强调军民结合和军民转化, 具有航空航天特色的碳纤维复合材料也与时俱进的在诸多领域中得到发展和应用。除航空、航天产品外, 碳纤维复合材料的如下应用趋势应引起注目: (1) 碳纤维复合材料驱动轴在船舶推进系统的应用;碳纤维复合材料驱动轴的主要优点是能明显地减轻驱动轴的重量, 与原型钢制轴相比, 可减重70%;此外, 碳纤维复合材料驱动轴的使用寿命长、低噪音、无腐蚀、不导电、无磁性等。德国Centa Antriebe Kirschey公司生产的碳纤维复合材料驱动轴十多年来已经应用在军舰、巡逻艇、高速渡轮、豪华游艇、赛艇及挖泥船等。 (2) 碳纤维复合材料新干线机车车头;为满足日本新干线提高列车车速, 日本川崎重工开发的碳纤维树脂基复合材料机车车头结构部件已获成功。日本新干线编组使用的机车车头, 是采用夹层结构设计, 其表面材料为碳纤维树脂基复合材料, 内部采用硬质泡沫材料作为芯材, 采用热压罐成型工艺制造。该列车车头结构部件已达到车辆减重的设计要求, 使用效果良好。 (3) 结构功能一体化医用配件;近年来, 国外主要医疗设备制造商如通用、西门子、飞利浦等公司对X光机、CT机、核磁共振机及γ刀等先进医学诊断及无创伤治疗设备已逐步使用碳纤维复合材料制造其医用床面板及相关附件。该类材料属于结构承载——低射线吸收率多功能复合材料。与传统的木材、聚碳酸酯板、胶合板等制成的医用床面板相比, 无论影像清晰度、均匀性和制件强度及刚度都有大幅度提高, 由于诊断时所用X射线剂量小, 可明显减少对患者及医生身体的伤害[6]。 (4) 碳纤维复合材料桥面板;桥面板的破损被公认为基础设施中最复杂的问题之一, 也被认为是最能发挥碳纤维复合材料特长的结构部件。因为碳纤维复合材料重量轻, 由其制成的桥面板自身重量减轻, 可降低下部结构的载荷要求或提高桥梁的通行吨位。如美国陆军使用的军用移动桥, 该桥的面板为碳纤维树脂基复合材料蒙皮和巴萨木组成的夹层结构;支撑梁亦为碳纤维复合材料;总重量比原铝合金桥减轻5.5吨, 达到50%左右, 承载能力由铝合金桥的70吨, 提高到复合材料桥的105吨。正因为碳纤维复合材料桥面板的优势非常显著, 已大量应用于美国陆军[7]。 (5) 碳纤维复合材料芯架空导线被大力推广;架空电力线路为加大档距, 传统上广泛采用钢芯铝绞线。为进一步加大输电流量, 人们谋求开发轻质、高强、低弛度、耐腐蚀、低线损的新型电缆。上世纪90年代以来, 美国、日本先后开发成功碳纤维复合材料芯架空导线, 现已在工程上应用。据分析, 碳纤维复合材料芯铝绞线的强度为普通导线的2倍, 因采用碳纤维复合材料芯比重仅为钢芯的1/4, 可降低架线铁塔负荷, 大大缩短安装工期, 提高安全性。尤其是不存在钢丝引起的磁损或发热, 输电损失小, 节能效果可观。碳纤维复合材料芯导线的开发将成为复合材料产业的一个新的经济增长点。去年年初, 我国南方雪灾给国计民生带来重大灾难和经济损失, 有些地区的输电铁塔扭曲变形甚至倒塌伤人。有鉴于此, 我国正在研发一种可加大载流量并减轻铁塔荷载的新型碳纤维复合材料芯架空导线。除了以上应用外, 碳纤维复合材料也应用在压力容器、储气罐、天线反射面、土木工程建筑、桥梁修复和补强、风力发电机大型叶片及高尔夫球杆、冲浪板、钓鱼杆及网球拍等。图3为碳纤维复合材料应用的实例图片。

5 发展对策和措施

国际碳纤维复合材料市场发展迅速, 需求量的不断增长给我国碳纤维复合材料行业的发展提供了难得的机遇。但我国碳纤维行业基础薄弱, 产业发展需要技术、人才和资金的持续投入, 而且碳纤维复合材料的应用领域对产品品质的要求非常严格。

近年来, 中国碳纤维复合材料产业有了很大进步, 已成为碳纤维复合材料应用大国。但是我国碳纤维长期依赖进口, 受治于人, 面对当前严峻的形势, 我们必须采取行之有效的措施。

(1) 坚持自主创新, 发展我国自产碳纤维。碳纤维是军需战略物资, 是国防建设、先进武器不可或缺的关键材料, 不能长期依赖进口。我国应国防工业所需的碳纤维国内自行生产, 而民用碳纤维可以从国外进口, 也可扶持自己的民用碳纤维生产企业, 并可通过自产降低进口民用碳纤维价格。

(2) 进行碳纤维复合材料低成本成型技术创新。同时, 结合我国碳纤维复合材料成型设备技术含量较低及人员技术水平欠缺的特点大力发展低成本的模压及树脂传递模塑成型工艺, 扩大碳纤维复合材料产品生产规模。

(3) 根据国内碳纤维复合材料生产特点采取行之有效的质量管理方法, 达到降低废品率, 提高生产效率, 降低成本、提高竞争力的目的, 争取更多国际订单。

(4) 大力拓展碳纤维复合材料应用领域, 新的应用领域意味着新的增长点和更广泛的市场;而且, 拓展新的领域可以使我国碳纤维复合材料生产企业在获得更大利润的同时, 在世界碳纤维复合材料制造领域占有重要的位置。

摘要：碳纤维复合材料低成本是一个主要的发展趋势。本文从发展高性价比碳纤维、制备工艺及成型技术和扩展应用领域等方面对其发展趋势进行论述。

关键词：碳纤维,碳纤维树脂基复合材料,碳/碳 (C/C) 复合材料

参考文献

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[2] 贺福, 王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京:科学出版社, 1997.

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[4] Brad Lienhart.Vacuum bags Are they Right for Your Applications.Com-posites Fabrication, 2004, 10:56～58.

[5] 王永贵, 等.现代质量管理技术在CFRP产品研制中的应用[J].玻璃钢/复合材料, 2003, 5:49～52.

[6] Patient positioning during diagnosis and treatment.JEC Composites Magazine, March-April2008 (34) :39.

[7] 孙庆宝.复合材料在基础设施工程中开发应用和技术研究 (中) [J].纤维复合材料, 2002, 9:45～48.

[8] 岳清瑞等.全国建筑物鉴定与加固第四届学术交流会技术报告[R].1998:250～255.