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汽車碳纖維的低成本應(yīng)用技術(shù)

汽車碳纖維的低成本應(yīng)用技術(shù) 

汽車碳纖維復(fù)合材料(CFRP)可以說是汽車輕量化發(fā)展中的明星材料,近年來,行業(yè)對于這一“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)用范圍也不斷擴展。從車身、內(nèi)外飾系統(tǒng)向底盤、動力總成系統(tǒng)延伸;從外覆蓋件材料向結(jié)構(gòu)件材料或結(jié)構(gòu)增強材料擴展。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)級的汽車碳纖維主要為PAN基碳纖維,其高成本問題主要集中在較高的PAN 原絲生產(chǎn)成本和較長的生產(chǎn)流程。因此,降低車用CFRP成本的主要路徑是降低汽車碳纖維原絲成本,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以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維,大絲束碳纖維的性能優(yōu)點主要在以下兩方面:

1)大絲束碳纖維對PAN原絲的質(zhì)量要求相對小絲束要低,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)難點在于:大絲束纖維聚積,展紗效果不好,紗片難以均勻浸潤,紗片厚度和質(zhì)量很難達到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求; 在展紗過程中經(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發(fā)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,PAN的價格約占碳纖維生產(chǎn)成本的50%。因此,國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)商也開始尋求PAN以外的更低成本的原料來制備碳纖維。美國、日本等汽車碳纖維主要制造國家已經(jīng)開發(fā)出了包括聚烯烴類聚合物、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。

汽車碳纖維-1.jpg

3. 混雜碳纖維技術(shù)

將碳纖維與其他纖維進行混雜,在性能上可以互補,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,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計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)過程中預(yù)氧化時間長,導(dǎo)致生產(chǎn)周期長也是造成碳纖維生產(chǎn)成本高的一個重要原因。目前,已有研究對PAN原絲進行紫外線、X射線等物理處理或采用KMnO4、C6H5COOH等化學(xué)處理降低環(huán)化溫度,縮短預(yù)氧化時間。工藝方面,可改變溫度、時間、氣體氣氛等工藝參數(shù),提升碳纖維的性能。

汽車碳纖維.jpg

高效率成型樹脂及成型工藝

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、自動鋪層等成 型設(shè)備價格昂貴,二是因為復(fù)合材料較長的成型時間,造成人力物力的消耗。因此,基于高效成型的樹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)氧樹脂因其優(yōu)異的粘合強度和模量、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工藝的樹脂,可以直接將樹脂均勻地涂敷在干的纖維預(yù)制件上,并通過壓強使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤。 

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

另一種快速固化的環(huán)氧樹脂在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,還開發(fā)了與該樹脂配套的動態(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66%纖維體積含量(FVC)的復(fù)合材料可以在沒有特殊處理的條件來實現(xiàn)。

汽車碳纖維管材-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)濟附加值的一種有效方法。目前,對碳纖維回收方法的研究也在不斷更新,如,高溫?zé)崃呀?、氧化流化床法、超臨界流體技術(shù)等。

文章來源:汽車新技術(shù)資訊
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