低成本碳纖維技術(shù)

目前，國外碳纖維主要生產(chǎn)商已經(jīng)致力于開發(fā)低成本碳纖維制造技術(shù)，并尋求PAN以外的更低成本的原料來制備碳纖維。日本三菱和東麗公司開發(fā)的大絲束碳纖維是低成本制造技術(shù)的典型代表，美國也已開發(fā)出先進(jìn)的碳纖維制備技術(shù)。

在低成本原料方面，美國、日本等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。2015年瑞典的研究機(jī)構(gòu)Innventia和Swerea SICOMP也聲稱開發(fā)出了世界首創(chuàng)技術(shù)，可以基于100％軟木木質(zhì)素前體制造出重約1.8g的編織CFRP層壓板。并表示，這種材料可以用于生產(chǎn)重量輕、燃油效率高的汽車零件，但是其制造方法與其他目前使用木質(zhì)素替代前體的研究相同，還處在實(shí)驗室階段，進(jìn)入生產(chǎn)線還需時日。

圖10  Innventia和Swerea SICOMP合作開發(fā)的木質(zhì)素基碳纖維及1.8 g編織碳纖維復(fù)合材料層壓板

高效率成型樹脂及成型工藝

除纖維成本外，車用復(fù)合材料最大的挑戰(zhàn)是汽車行業(yè)高效率的生產(chǎn)預(yù)期，其中成型樹脂是決定復(fù)合材料生產(chǎn)效率的最主要影響素之一。由于優(yōu)異的粘合強(qiáng)度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，環(huán)氧樹脂通常是汽車復(fù)合材料生產(chǎn)商的首選。通過研究和開發(fā)“瞬間固化”（能夠流動和徹底浸潤纖維預(yù)制件，并在 5min之內(nèi)固化）的環(huán)氧樹脂及其配套的預(yù)成型和成型設(shè)備，從而開發(fā)高效、低成本的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為降低車用復(fù)合材料成本的主要手段之一。

2015年，美國Hexion（瀚森）和Dow Automotive Systems（陶氏汽車系統(tǒng)）先后推出了2種60s可“瞬間固化”的環(huán)氧樹脂。其中，Hexion針對樹脂傳遞模塑成型（RTM）和液體壓縮成型（LCM）工藝推出EPIKOTE TRAC06170環(huán)氧樹脂與EPIKURE TRAC06170固化劑，僅需20s樹脂注入時間（RTM或LCM）和40s固化時間就可完成復(fù)合材料成型。

而陶氏推出的用于LCM工藝的VORAFORCE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(qiáng)使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤，其還宣稱已經(jīng)與德國KraussMaffei公司和意大利Cannon SpA公司合作開發(fā)出僅需要15～20 s涂敷樹脂及30s固化，總制造時間小于60s的復(fù)合材料制備工藝。但是該工藝由于很難提供復(fù)雜零件的成型模具，對于LCM成型的部件則僅適合相對平坦或輕微輪廓部件的制造，相比之下，RTM是該樹脂最好的選擇。

2015年底，Gurit UK（英國固瑞特）也推出了“瞬間固化”環(huán)氧樹脂，但不同于其他針對RTM或濕壓縮成型工藝開發(fā)的樹脂，其樹脂配方主要用于成套預(yù)浸料和熱進(jìn)/熱出沖壓成型（hot-in/hot out press molding）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(dá)A級，無需模具后處理。

今年3月，Huntsman Advanced Materials （亨斯邁先進(jìn)材料）公司也宣布推出了一款快速固化的環(huán)氧樹脂。在此之前，亨斯邁商業(yè)化的，固化時間為 2.5min的環(huán)氧樹脂的解決方案已經(jīng)用于生產(chǎn)寶馬i系列高纖維含量的復(fù)合材料零部件，而此次推出的快速固化環(huán)氧樹脂不僅具有更快的固化速度，而且具有更高的玻璃化溫度（Tg），可承受高達(dá)150℃的工藝條件。

據(jù)亨斯邁介紹，該樹脂在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，亨斯邁還開發(fā)了與該樹脂配套的動態(tài)流體壓縮成型（dynamic fluid compression molding，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（wet-compression molding，WCM）相比，該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)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(dá)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(shí)現(xiàn)。

復(fù)合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用具有令人期待的發(fā)展前景，但其汽車行業(yè)對成本/效益要求較高，成本較高且工藝復(fù)雜的復(fù)合材料要想在汽車輕量化領(lǐng)域獲得長足發(fā)展，在其輕量化的天然優(yōu)勢之下，還必須不斷在低成本、高效率等方面加大研發(fā)投入，尋求競爭優(yōu)勢。

（來源：紡織導(dǎo)報）