推动碳纤维复合材料的大规模应用

推动碳纤维复合材料的大规模应用

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Jan-Anders Manson教授与比利时鲁汶大学（KU Leuven）Ignaas Verpoest教授探讨欧洲HIVOCOMP合作项目的目标。

与道路交通有关的环境问题促使全球大部分地区对二氧化碳排放进行了立法控制。全球各个国家都因此在积极开展针对可替代动力系统及轻量化汽车的研发工作。毫无疑问，伴随着人们在轻量化方面所做的努力，金属作为汽车上最主要的结构性材料其地位逐渐受到了挑战。虽然高强度钢、铝及锰等金属也取得了新的发展，复合材料却吸引了汽车行业极大的兴趣。复合材料要在汽车行业中有所作为，技术进步还不够，还需要对整个行业目前的供应链及技术能力状况进行重新构建与配置。

机会与挑战

碳纤维复合材料在减重方面具有非常出色的潜能。这已经在新一代商用飞机上得到了验证——今天商用飞机上复合材料的用量已经超过50%。复合材料还可以带来新的设计可能。

航空业在过去许多年中开展了严肃、全面的研发工作，时至今日，碳纤维复合材料已经成为一种颇具成本效益的解决方案。这得益于几十年来在研发方面大量的投资所取得的成果。

而在汽车行业，从产量及应用方面来，这个过程都像是一个双速的发展进程。半结构件方面的替代的发展速度相对较快，而且因为结构要求不是很高，这种替代总是可能的。碳纤维不是唯一的选择，玻璃纤维（用于车身面板、保险杠等部件上），甚至是用于内饰件的天然纤维都得到了应用。在这方面，复合材料得到了快速的应用，而且达到了一定的量。

另一方面，在高产量轿车上对要求较高的金属结构件进行全面的替代目前依然面临着整个发展和成熟过程中早期的一些障碍。针对这些应用，碳纤维是最佳的选择。类似设计及使用经验、供应链容量以及价值链上合作伙伴中广泛分布的技能体系等方面都还不成熟。

如果碳纤维复合材料从促进环境发展及降低二氧化碳排放方面入手在全球范围内取得一定地位的话，它们的应用就不能单单局限于那些极限汽车或豪华汽车上。这种材料必须触及到大众市场，这就需要材料本身和工艺流程得到进一步的提升，以适合大批量生产的需求，同时还要满足产品整个寿命周期内在成本和环境方面的要求。

汽车行业的策略

复合材料行业将从两个方面来迎接这些机会。

其中一个方式就是简化所谓的“先进复合材料”技术以及加工路线，以适应高生产节奏。这种方法已经经历了多年的发展，航空行业是主要的践行者。新的预制件系统以及新的、更快的固化树脂也已进入了市场，所有这些的目标只有一个，就是大批量生产。热压罐外固化及不同类型的树脂传递成型（RTM）工艺也越来越多地应用到汽车行业中，同时也用来制造碳纤维复合材料结构件。不过，这些新技术的成本效益在投资和产品成本方面依然需要得到进一步的验证。

另外一个方式就是通过新的纤维及预制件系统采用工程复合材料，从而提高部件的某些特定属性，这要得益于在部件局部高纤维含量区域采用连续纤维的创新工艺。从这方面来说，这种方法的重点主要在于对预制件系统实现定制化，满足当前制造设备的要求，此外还在于维持较短的生产周期。今天，这种方法主要用于热塑性材料上，不过新的、固化更快的热固性树脂也在不断涌现。尽管如此，长期看来整个行业将逐渐朝热塑性复合材料转变，因为这种复合材料生产周期更快、更易于回收而且损伤容限度也更高。

HIVOCOMP联盟

今天，工业及学术领域共同携手，通过合作的方式来解决这些问题。欧盟第七届技术框架计划旗下的HIVOCOMP合作项目将汽车行业中的主要利益相关者集中到了一起。该联盟成员包括三家汽车制造商、一级供应商及材料供应商，此外还有学术机构。联盟采用合作的形式致力于开发具有成本效益的新材料及工艺解决方案的开发，此外还将研发先进的模拟工具，来推进这些解决方案在工程层面上的应用。

HIVOCOMP联盟将开发两种材料系统，这两种系统都承诺实现高性能碳纤维增强部件的高成本效益及大批量生产的可行性。

这两种系统分别为：

- 先进聚氨酯（PU）热固性基体材料，与传统基体系统相比机械性能更高，生产周期更短；

- 热塑性聚丙烯（PP）以及聚酰胺（PA）6基自增强聚酯复合材料，包含连续的碳纤维增强，与当前热塑性及热固性复合材料相比强度更高，生产周期更短。

聚氨酯树脂的进一步开发取得了巨大成果

到目前位置，聚氨酯基树脂的进一步开发已经取得了巨大的成果。树脂改进开发的第一个迭代周期已经结束，所有合作伙伴已经开始对新的树脂展开进一步的工作。与基准聚氨酯树脂相比，与加工相关的参数得到了明显的提升，比如树脂的粘度降低了，反应动力提升了——这两个参数的改进有利于缩短生产周期。

与此同时，针对自增强聚丙烯和聚酰胺复合材料，还尝试了三种不同的混合形式。层层、层内及纱内三种混合方式在强度方面都得到了提升，此外，与普通碳纤维聚丙烯复合材料相比，还获得了不同程度的增韧效果。

项目的总体概念性目标可以通过表1进行阐述。

项目组会制造六个样品，根据不同的性能和工艺要求代表了不同的批量生产的应用（图2）。这些部件将由联盟内的企业设计生产，根据它们对相应性能标准和生命周期带来的影响程度进行评估。

HIVOCOMP于2010年10月正式启动，将于2014年9月结束。有关Hybrid-SRC 及聚氨酯基复合材料的最新研究成果于去年10月在位于比利时艾沃堡亨斯迈技术中心举行的两周年联盟会议上得到了汇报。

浸润剂稳定性玻纤生产中的重要因素

针对纤维和复合材料生产所进行的浸润剂开发非常复杂也非常专业。业内对很多与浸润剂性能相关的

化工原材料结构与性质，以及工艺与化工原材料性质的关系依然知之甚少。然而，数十年的经验却令

更多先进复合材料的开发成为可能。复合材料从而快速改变着我们在驾车、物品运输以及能源生产上

的方式，或者说，它正在改变工业上消除有关最大强度与最小重量之间矛盾的方法。

浸润剂的稳定性，是玻璃纤维生产商在为其浸润剂配方挑选原材料时所考虑的一个关键问题。

浸润剂是什么？

浸润剂是一种由多种化工材料制成的混合物，用于纤维或织物的上胶（浸润），浸润剂一般（但并不

绝对）用水进行稀释。很多情况下，可以把浸润剂看做是给纤维穿上了一件“外套”，这让不同制造商所

生产的纤维存在差别。所有制造商都开发了他们自己的浸润剂专有技术（know-how），并通过这些技

术让纤维增强材料最大程度地满足其目标应用。

Michelman公司为浸润剂配方开发了成膜剂和粘结剂。该公司认为，终端应用是研发最佳浸润剂配方

的关键因素。

浸润剂的应用

在玻璃纤维的制造过程中，当玻璃纤维从漏板中流出后，需经过空气和水雾的冷却（图1）。然后，即

刻借助一个表面涂满浸润剂且连续转动的圆柱形石墨辊进行上胶涂覆。