碳纖維行業(yè)在過(guò)去的一年中取得了哪些成績(jī)?2018年碳纖維市場(chǎng)又將迎來(lái)哪些重大突破?從會(huì)議伊始到結(jié)束，一直在為提高應(yīng)用技術(shù)，拓寬碳纖維應(yīng)用努力著。會(huì)議的最后一天節(jié)奏稍微放緩，會(huì)上做了對(duì)碳纖維今年市場(chǎng)增長(zhǎng)情況的預(yù)測(cè)，并通報(bào)了幾項(xiàng)最新的技術(shù)成果。

 

 

        通用汽車公司的工程組經(jīng)理Mark Voss在會(huì)上做了關(guān)于碳纖維發(fā)展新型汽車應(yīng)用的演講，系統(tǒng)地闡述了這個(gè)方向?qū)?huì)面臨的挑戰(zhàn)。Voss主要研究開發(fā)體結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料，根據(jù)在Corvette車系中應(yīng)用碳纖維面板的經(jīng)驗(yàn)，他建議大家盡可能選擇熟悉的材料形式和加工技術(shù)，可控性是新型碳纖維部件的成功關(guān)鍵。要盡可能在新應(yīng)用中限制“新聞”的產(chǎn)生，就是說(shuō)要限制汽車行業(yè)的新技術(shù)和流程的數(shù)量。因?yàn)樵谔紡?fù)合材料中材料和工藝變量本來(lái)就很多，當(dāng)盲目加入熟悉度不高的新事物時(shí)，實(shí)施結(jié)果的復(fù)雜性將會(huì)被大大增加。他用一個(gè)數(shù)據(jù)作為例證，如我們?cè)贏類表面上工作時(shí)，變量會(huì)被放大100倍。

 

        Voss還強(qiáng)調(diào)了連接技術(shù)對(duì)于引入碳元件的重要性，這些碳元件必須與汽車結(jié)構(gòu)中的不同材料結(jié)合在一起。在演講中，他說(shuō)目前碳材料的成本較高讓碳復(fù)合材料的成本競(jìng)爭(zhēng)力看似很低，但建議大家高瞻遠(yuǎn)矚，對(duì)比廢鋼的成本，碳纖維才是一條明智選擇。最后他展望了對(duì)此次會(huì)議成果的期待：“我非常高興看到這個(gè)房間在未來(lái)20年帶給我們的是什么。”

 

        隨后，來(lái)自美國(guó)波士頓勒克斯研究所的Anthony Vicari以碳纖維復(fù)合材料在未來(lái)的成長(zhǎng)機(jī)會(huì)和面臨的挑戰(zhàn)為主題發(fā)表演講。首先他對(duì)碳纖維行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)告，到2020年碳纖維產(chǎn)能能達(dá)到151,000公噸(MT)/年，實(shí)際產(chǎn)量預(yù)計(jì)減少約10-20%。到2025年，碳纖維的需求預(yù)計(jì)將達(dá)到22.8萬(wàn)噸/年，其中風(fēng)能和航空業(yè)增長(zhǎng)最快。如果這些數(shù)據(jù)真的實(shí)現(xiàn)了，在2025年之前，汽車上碳纖維的利用普及率將會(huì)提高，不再為豪華車型獨(dú)享。

 

        他說(shuō)，在鐵路，建筑維修和大型海洋船舶方面對(duì)玻璃鋼(碳纖維增強(qiáng)樹脂材料)的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。因?yàn)樵阼F路上應(yīng)用時(shí)，玻璃鋼制轉(zhuǎn)向架取代鋼鐵的話，可以將鐵路車輛的重量減輕近1公噸，且耐腐蝕性很好，可以提高維護(hù)和使用壽命。他還看到了碳纖維在橋梁維修上的大市場(chǎng)，他說(shuō)目前玻璃鋼的制備和使用技術(shù)非常成熟，但基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)還沒(méi)有把目光放到這上面。這一切的激發(fā)點(diǎn)只需要等時(shí)機(jī)成熟，比如等美國(guó)LeMond復(fù)材所和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出低成本的碳纖維，再委托制造商代工生產(chǎn)，由FARO Technologies和Oxford Performance Materials等創(chuàng)新廠商開發(fā)的改進(jìn)修復(fù)技術(shù)即可完成。

 

       在風(fēng)能領(lǐng)域，碳纖維的路可能不會(huì)太順，已經(jīng)不止一位發(fā)言人指出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商正在尋找高模量玻璃纖維而不是碳纖維。美國(guó)能源部桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)子氣動(dòng)彈性主管BrandonEnnis引用市場(chǎng)信息咨詢公司MAKE提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出價(jià)格和供應(yīng)鏈問(wèn)題以及制造敏感性問(wèn)題正是風(fēng)力渦輪機(jī)制造商努力擺脫碳排放的原因。

 

        Ennis強(qiáng)調(diào)，風(fēng)能應(yīng)用需要碳技術(shù)人員從航空航天的性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向成本驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。盡管在2015年碳在4-8兆瓦的渦輪葉片中沒(méi)有什么應(yīng)用，但他說(shuō)Sandia，ORNL和蒙大拿州立大學(xué)已經(jīng)開始進(jìn)行為期兩年的聯(lián)合研究，評(píng)估具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的定制碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中應(yīng)用的商業(yè)可行性。所以他說(shuō)未來(lái)在5兆瓦以下和10兆瓦以上的渦輪機(jī)中使用一些碳材料還是可能的。

 

上圖是Sandia在會(huì)議演講中引用來(lái)自MAKE咨詢公司的數(shù)據(jù)

 

 

        2017復(fù)合材料會(huì)議召開期間，就復(fù)合材料的回收問(wèn)題成立了一個(gè)小組，小組由復(fù)合材料回收技術(shù)中心的Geoffrey Wood主持，小組成員包括通用汽車公司的Mark Voss和勒克斯研究公司的Anthony Vicari等人。

 

        Geoffrey Wood強(qiáng)調(diào)復(fù)合廢料流可以通過(guò)打開全新的市場(chǎng)，使碳纖維銷量變高，因?yàn)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料的產(chǎn)品成本將會(huì)更低。所有的專家小組成員也都認(rèn)為，隨著自動(dòng)化程度和零件加工效率的提高，未來(lái)廢鋼產(chǎn)量將會(huì)減少，復(fù)合材料行業(yè)還有很多事情要做，以便搶占更替環(huán)節(jié)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

 

        會(huì)上，眾小組成員都認(rèn)為因?yàn)槭褂米儚V，碳纖維增強(qiáng)樹脂材料對(duì)有效回收利用技術(shù)的依賴性更高。雖然目前大多數(shù)回收利用都集中在碳纖維增強(qiáng)樹脂材料加工工藝的廢料上，但是發(fā)言人指出，回收廢舊復(fù)合材料部件的需求日益增加，到本世紀(jì)20年代后期將占回收廢棄物的很大一部分。

 

        會(huì)上小組成員間的交流有很多亮點(diǎn)，現(xiàn)一一摘錄:

【來(lái)自ELG碳纖維有限公司的Frazier Barnes 】

 

        數(shù)據(jù)顯示，可回收碳纖維的市場(chǎng)可達(dá)55,000噸/年，每年可提供50,000噸回收廢料。Barnes指出，碳纖維每年預(yù)計(jì)產(chǎn)量12萬(wàn)噸，但是需求量高達(dá)2.5萬(wàn)噸/年，之間的巨大差距可由回收碳纖維來(lái)彌補(bǔ)。同時(shí)，回收碳纖維比回收金屬和塑料更具競(jìng)爭(zhēng)力。

 

        目前ELG公司在回收碳纖維上已經(jīng)做出一些成就，他們的碳回收材料已經(jīng)在美國(guó)的19輛車上進(jìn)行了6個(gè)月的道路測(cè)試。如果此次測(cè)試通過(guò)的話，每年將有20萬(wàn)輛車在車身上利用6公斤的碳回收材料。除此項(xiàng)目外，其他可商業(yè)化生產(chǎn)的項(xiàng)目包括：

 

       ①導(dǎo)軌轉(zhuǎn)向架：使用壓縮成型預(yù)浸料、80%碳回收纖維和20%原碳纖維制成的碳纖維增強(qiáng)樹脂材料導(dǎo)軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，可使切割重量減輕75%，輪對(duì)軌載荷減少40%。

 

       ②汽車油盤：使用包覆碳纖維填充熱塑性塑料的碳回收纖維制造墊坯，一次性實(shí)現(xiàn)凈形部件，與玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)相比，可節(jié)省30%的重量。

 

       ③座椅：相對(duì)于13公斤的原始金屬部件，用碳回收材料可提供重量?jī)H為2.5千克的部件。

 

       對(duì)于目前尚未解決的難題，Barnes認(rèn)為，回收碳纖維面臨的最大挑戰(zhàn)是鑒定和顯示纖維和部件的一致性。

 

 

       波音公司的目標(biāo)是零廢物制造，包括零填埋垃圾，零危險(xiǎn)廢物，零吸水量和溫室氣體排放量。Benson Tolle說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是使復(fù)合材料部件的制造變得更加有效，最大限度地“從上到下”減少?gòu)U物。

 

 

        Carbon Conversions Inc.正在用碳回收纖維生產(chǎn)五種不同系列的產(chǎn)品。Janney舉了幾個(gè)閉環(huán)復(fù)合材料制造的例子，如美國(guó)甲骨文賽車隊(duì)與碳轉(zhuǎn)換公司合作，回收了其中一艘賽車游艇，新西蘭的Core Builders Composites公司用碳回收纖維產(chǎn)品生產(chǎn)下一代船只。Trek自行車車架被Crawford Composites公司重新應(yīng)用到碳回收產(chǎn)品中建立方程式賽車。

 

       Janney還提到在2016年后期，Hexcel對(duì)他們進(jìn)行投資，資助碳轉(zhuǎn)化公司加強(qiáng)對(duì)重復(fù)利用和全生命周期收集處理方面的研發(fā)活動(dòng)。

 

       在討論階段，無(wú)論是ELG碳纖維公司還是碳轉(zhuǎn)化公司都有提到，碳回收產(chǎn)品的平整度和一致性很好，進(jìn)行后期維修處理的客戶數(shù)量已經(jīng)急劇減少。

 

 

       北野說(shuō)東麗公司位于南卡羅來(lái)納州斯巴達(dá)堡的新型碳纖維生產(chǎn)設(shè)施將于2018年開始運(yùn)營(yíng)，此前，東麗已經(jīng)在日本在線生產(chǎn)碳回收纖維設(shè)施。

 

 

       2017年碳纖維會(huì)議內(nèi)容涵蓋的技術(shù)發(fā)展跨越了碳纖維技術(shù)的全部范圍，從碳纖維前體制造到剛剛提到的回收工作。會(huì)上出現(xiàn)很多技術(shù)亮點(diǎn)，現(xiàn)一一摘錄：

 

 

        自適應(yīng)模具系統(tǒng)由來(lái)自丹麥的ADAPA公司開發(fā)，他們的與會(huì)成員ChristianRaun對(duì)此進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)使用數(shù)字控制，可用簡(jiǎn)單設(shè)備將塑料、混凝土、玻璃和復(fù)合材料成型成各種簡(jiǎn)單的雙曲線形狀。加工出產(chǎn)品也有多類，用單一的成型系統(tǒng)可加工出曲面半徑小于200毫米的曲面和面積大至6米×2米的平面板。

 

       在生產(chǎn)中的使用的工藝包括樹脂灌注處理，熱塑性塑料的熱成型，泡沫芯的成型和UV固化樹脂復(fù)合材料的成型。

 

 

        生產(chǎn)出可1分鐘快速固化預(yù)浸料的公司是索爾維公司，設(shè)計(jì)的初衷是能夠滿足自動(dòng)化加工過(guò)程和一分鐘節(jié)拍過(guò)程的需求。這種SolvaLite730預(yù)浸料使用了高性能不飽和乙烯基酯，它的性能接近于典型的環(huán)氧樹脂，但是焓低，加工速度快，室溫穩(wěn)定性好，無(wú)粘性。

 

        索爾維公司的與會(huì)代表Lewis Williams介紹了實(shí)現(xiàn)一分鐘節(jié)拍過(guò)程的關(guān)鍵:

 

        加熱過(guò)程中要預(yù)留預(yù)熱時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間;

 

        要有快速的關(guān)閉工具;

 

        整個(gè)模具表面的溫度應(yīng)一致;

 

        Williams說(shuō)這類乙烯基酯類預(yù)浸料還有很大的發(fā)展空間，索爾維將在提高性能，降低成本的方向上繼續(xù)努力。

 

        低成本碳纖維是集眾人努力產(chǎn)出的成果，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā)，美國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所負(fù)責(zé)商業(yè)化過(guò)程中所需要的數(shù)據(jù)資料。迄今為止研究發(fā)現(xiàn)的低成本碳纖維(LCCF)的質(zhì)量與工業(yè)級(jí)別的碳纖維產(chǎn)品相當(dāng)。

 

 

       丙烯腈是碳纖維的關(guān)鍵前體，之前幾乎全部是從石油中提取，但最近南方研究公司已經(jīng)設(shè)立試點(diǎn)工廠，發(fā)展非石油基的丙烯腈，他們用一種糖碳轉(zhuǎn)化的技術(shù)制備丙烯腈，南方研究公司的與會(huì)代表Amit Goyal對(duì)此進(jìn)行了介紹。

 

        預(yù)計(jì)到2019年該試點(diǎn)工廠年將產(chǎn)出0.5噸丙烯腈，南方研究公司的目標(biāo)是在2021年底前能夠有一個(gè)年生產(chǎn)量達(dá)5000噸可再生丙烯腈的商業(yè)工廠。丙烯腈的商業(yè)化生產(chǎn)預(yù)計(jì)可使成本低于一美元每噸，如果這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的話，可再生丙烯腈將使制造成本降低15%到20%。