世界知名碳纤维供应商MAICarbon公司将在2020年使德国成为世界碳纤维材料研究开发中心, 让汽车上的金属材质零部件逐步被碳纤维材料取代.
'外柔内刚' 的高强度轻质材料
1861年, 爱迪生把碳丝作为灯丝材料, 成功发光45小时, 把人类带进电灯时代.
随着灯泡中碳丝被钨丝替代, 碳丝被丢进历史角落近一个世纪.
直至20世纪50年代, 美国空军在寻找耐烧熔材料时得知碳熔点高达3727℃并具有耐高温, 高强度特性, 便将碳丝再次请进实验室, 发明了碳纤维.
碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度, 高模量纤维的新型纤维材料. 它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向堆砌而成, 经碳化和石墨化处理而形成的微晶石墨材料.
碳纤维 '外柔内刚' , 重量比金属铝小, 强度却高于钢铁, 并且在有机溶剂, 酸和碱中不溶不胀, 耐腐蚀特性突出. 它具有碳材料的固有本质特性, 兼备纺织纤维的柔软可加工性, 是新一代增强纤维.
碳纤维耐疲劳, 比热及导电性介于非金属和金属之间, 热膨胀系数小, 导电导热性能良好, 电磁屏蔽性好.
树脂, 固化剂等材料按照一定比例混合, 然后再浸润碳纤维面料, 经过一系列固化处理, 便形成碳纤维复合材料. 这种材料具有传统金属材料所没有的优点.
加厚版碳纤维布的柔韧性非常差, 几乎跟刚性材料差不多. 其原理就如同将纸片粘贴成一叠厚厚的纸堆, 纸堆就会变得坚固. 这就是碳纤维从纸般柔软到钢铁般强硬的质变过程.
东华大学材料科学与工程学院研究员, 博士生导师潘鼎在接受《中国汽车报》记者采访时说: '碳纤维抗拉强度是钢的4倍以上, 比重不到钢的四分之一. ' 因此, '越结实就越重' 的传统观念被彻底颠覆.
低密度让碳纤维更是被广泛地用于大型飞机制造. 比如, 空中客机A350与A380, 波音787均用碳纤维复合材料来降低油耗. 另外, 大型风力发电机叶片, 赛车和高端自行车车身业大量使用碳纤维复合材料, 这是碳纤维复合材料需求量增加的重要原因.
中国汽车工业咨询委员会原秘书长陈光祖在接受记者采访时说: '碳纤维弹性很好, 陷下去, 能够弹起来; 压扁了, 能够弹回去. '
碳纤维两大软肋: 高成本和难回收
'推广运用碳纤维, 技术问题不大, 最后还是价格问题. 另外, 碳纤维大量使用以后的回收是一大难题. ' 陈光祖希望业界人士系统地考虑碳纤维问题.
碳纤维与环氧树脂结合成复合材料. 这种复合材料继承了碳纤维本身的比强度, 比模量, 耐疲劳强度和吸能抗震性等一系列优点, 同时继承了环氧树脂配方设计灵活多样等特点. 与铝合金结构件相比, 碳纤维复合材料减重效果可达20% 至40% . 与钢类金属件相比, 碳纤维复合材料的减重效果可达60% 至80% .
应用碳纤维复合材料, 能够减轻整车重量, 更对汽车制造工艺产生深刻影响.
随着碳纤维复合材料在汽车上的用量增加, 汽车制造四大工艺冲压, 焊接, 涂装和总装将发生变化. 比如, 冲压将被模压和锻造工艺替代; 整车组装将不再需要那么多焊接; 有些汽车甚至基本上不再需要涂装; 整车变成几十个模块, 组装节奏将会变得非常快. 这样一来, 总装线投入成本随之下降. 因此, 碳纤维复合新材料的大规模应用会降低汽车制造行业准入门槛.
碳纤维与一种塑料聚合树脂结合在一起, 变成工业喜爱的坚硬且轻便的化合物材料. 但是, 在生产过程中, 每一片化合物材料都由工人手动拆分, 很浪费.
如果有人能够从垃圾填埋场分离出碳纤维, 就可以回收碳纤维. 碳纤维制造过程消耗大量能量. 使用可回收碳纤维, 还可以节省不少能量.
关键是碳纤维并不像铝那样可以简单熔化和再塑型. 碳纤维化合物以长而精准的碳纤维排列获得强度, 再通过聚合物黏合在高温和高压下成型. 一旦成型, 大多数坚硬的聚合物将无法通过熔化, 燃烧或化学溶解获得有价值的纤维.
在国际上, 有的企业通过燃烧聚合物进行碳纤维回收, 有的企业以化学处理方法回收碳纤维. 无论用哪种方法, 回收的碳纤维都比全新碳纤维大大减弱了承重能力. 因此, 回收的碳纤维经常用于网球拍和高尔夫球杆这样的重轻量, 轻强度的产品生产. 它仍旧是一种很好的材料, 却并不比铝和低成本化合物材料表现更好.
碳纤维在汽车上的应用现状和前景
汽车用碳纤维材料, 可以有效降低自身重量, 同时能大幅度减少油耗, 降低污染和提升制动性能.
成本高是碳纤维复合材料在汽车上批量应用的重要制约因素. 碳纤维复合材料成本高, 主要表现在两个方面: 一是碳纤维复合材料生产成本高, 二是碳纤维复合材料原材料价格成本高. 当前, 市场上每公斤碳纤维价格在120元人民币以上, 是玻璃纤维价格的10倍以上.
中德智能制造联盟零部件专业委员会主任路东在接受记者采访时说: '碳纤维在飞机上用得较多. 汽车使用碳纤维, 可以实现轻量化, 但意义不大. 其主要问题是合算不合算. 碳纤维应用在汽车上, 价格很高. 仅一根碳纤维大梁, 价格就超过3万元. 连宝马, 奔驰等高端品牌汽车, 都很少用碳纤维. 因为国内高档汽车不多, 单价在15万元以上的汽车很少, 所以, 碳纤维在国内汽车上推广应用前途很有限. '
'我们的汽车碳纤维产品正处在试用阶段. 很多厂家都在试用我们的碳纤维大梁, 碳纤维传动轴, 碳纤维保险杠和碳纤维车门. 碳纤维产品不生锈, 重量轻, 能耗低, 耐疲劳, 安全性好. 汽车工业推广应用碳纤维产品, 最大难题是价格很高. 中低端汽车用不起碳纤维产品. 高端汽车用少量碳纤维产品. ' 海内最大民用碳纤维生产企业中复神鹰碳纤维有限责任公司销售经理李怀京认为, 汽车工业能否推广应用碳纤维, 很难说.
'没有碳纤维, 汽车工业没法发展. ' 潘鼎语出惊人.
陈光祖说: '汽车轻量化发展, 首先经历过车身钢板变薄. 之后, 铝合金变得时髦, 还有重量比铝合金更小的镁合金, 最后用碳纤维. 碳纤维肯定能够在汽车上推广应用. 生物纤维环保, 可回收, 应用前景广大, 要有时间表, 有步骤. '
潘鼎接着阐述道: '碳纤维已经在汽车和飞机上用得相当多了. 碳纤维虽然价格高一点, 但是碳纤维大梁, 碳纤维保险杠已经用得很好. 宝马汽车是用碳纤维用得最好的汽车, 是汽车上用碳纤维的成功典型. 它重量轻, 省油, 排污少. 碳纤维在汽车上的应用前景广阔. '
进一步谈及汽车用碳纤维的好处, 陈光祖指出: '飞机上铝合金已经改成碳纤维了. 汽车工业爱上新材料. 新型汽车发展是从发展新材料开始的. 推广应用碳纤维是汽车工业发展方向. 现在有成本问题. 汽车发动机盖用碳纤维, 核心好处不是减轻重量, 而是更加安全. 不少厂家已经把发动机金属盖改成碳纤维盖了. 车门隔板过去用塑料, 现在改成生物纤维, 可以保证安全, 可以降解, 无害. 美国车身用碳纤维材料, 甚至骨架都用碳纤维, 不用焊接, 而是用高强度粘结剂粘结, 再用铆钉固定. 推广应用碳纤维, 技术问题不大, 最后还是价格问题. '
山东大学材料科学与工程学院教授朱波在接受记者采访时说: '在发展碳纤维方面, 我们以技术开发为主, 为板簧, 盖, 壳和保险杠等零部件企业提供技术支持. 发展碳纤维, 工艺没有问题, 已经有成功案例. 碳纤维推广应用前景总体不错, 需要用户支持. 批量小, 成本就高. 自动化水平提高, 批量增加, 就能解决成本问题. 原材料成本不是大问题. '
