世界知名碳纖維供應商MAICarbon公司將在2020年使德國成為世界碳纖維材料研究開發中心, 讓汽車上的金屬材質零部件逐步被碳纖維材料取代.
'外柔內剛' 的高強度輕質材料
1861年, 愛迪生把碳絲作為燈絲材料, 成功發光45小時, 把人類帶進電燈時代.
隨著燈泡中碳絲被鎢絲替代, 碳絲被丟進曆史角落近一個世紀.
直至20世紀50年代, 美國空軍在尋找耐燒熔材料時得知碳熔點高達3727℃並具有耐高溫, 高強度特性, 便將碳絲再次請進實驗室, 發明了碳纖維.
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度, 高模量纖維的新型纖維材料. 它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向堆砌而成, 經碳化和石墨化處理而形成的微晶石墨材料.
碳纖維 '外柔內剛' , 重量比金屬鋁小, 強度卻高於鋼鐵, 並且在有機溶劑, 酸和堿中不溶不脹, 耐腐蝕特性突出. 它具有碳材料的固有本質特性, 兼備紡織纖維的柔軟可加工性, 是新一代增強纖維.
碳纖維耐疲勞, 比熱及導電性介於非金屬和金屬之間, 熱膨脹係數小, 導電導熱性能良好, 電磁屏蔽性好.
樹脂, 固化劑等材料按照一定比例混合, 然後再浸潤碳纖維面料, 經過一系列固化處理, 便形成碳纖維複合材料. 這種材料具有傳統金屬材料所沒有的優點.
加厚版碳纖維布的柔韌性非常差, 幾乎跟剛性材料差不多. 其原理就如同將紙片粘貼成一疊厚厚的紙堆, 紙堆就會變得堅固. 這就是碳纖維從紙般柔軟到鋼鐵般強硬的質變過程.
東華大學材料科學與工程學院研究員, 博士生導師潘鼎在接受《中國汽車報》記者採訪時說: '碳纖維抗拉強度是鋼的4倍以上, 比重不到鋼的四分之一. ' 因此, '越結實就越重' 的傳統觀念被徹底顛覆.
低密度讓碳纖維更是被廣泛地用於大型飛機製造. 比如, 空中客機A350與A380, 波音787均用碳纖維複合材料來降低油耗. 另外, 大型風力發電機葉片, 賽車和高端單車車身業大量使用碳纖維複合材料, 這是碳纖維複合材料需求量增加的重要原因.
中國汽車工業諮詢委員會原秘書長陳光祖在接受記者採訪時說: '碳纖維彈性很好, 陷下去, 能夠彈起來; 壓扁了, 能夠彈回去. '
碳纖維兩大軟肋: 高成本和難回收
'推廣運用碳纖維, 技術問題不大, 最後還是價格問題. 另外, 碳纖維大量使用以後的回收是一大難題. ' 陳光祖希望業界人士系統地考慮碳纖維問題.
碳纖維與環氧樹脂結合成複合材料. 這種複合材料繼承了碳纖維本身的比強度, 比模量, 耐疲勞強度和吸能抗震性等一系列優點, 同時繼承了環氧樹脂配方設計靈活多樣等特點. 與鋁合金結構件相比, 碳纖維複合材料減重效果可達20% 至40% . 與鋼類金屬件相比, 碳纖維複合材料的減重效果可達60% 至80% .
應用碳纖維複合材料, 能夠減輕整車重量, 更對汽車製造工藝產生深刻影響.
隨著碳纖維複合材料在汽車上的用量增加, 汽車製造四大工藝衝壓, 焊接, 塗裝和總裝將發生變化. 比如, 衝壓將被模壓和鍛造工藝替代; 整車組裝將不再需要那麼多焊接; 有些汽車甚至基本上不再需要塗裝; 整車變成幾十個模組, 組裝節奏將會變得非常快. 這樣一來, 總裝線投入成本隨之下降. 因此, 碳纖維複合新材料的大規模應用會降低汽車製造行業准入門檻.
碳纖維與一種塑料聚合樹脂結合在一起, 變成工業喜愛的堅硬且輕便的化合物材料. 但是, 在生產過程中, 每一片化合物材料都由工人手動拆分, 很浪費.
如果有人能夠從垃圾填埋場分離出碳纖維, 就可以回收碳纖維. 碳纖維製造過程消耗大量能量. 使用可回收碳纖維, 還可以節省不少能量.
關鍵是碳纖維並不像鋁那樣可以簡單熔化和再塑型. 碳纖維化合物以長而精準的碳纖維排列獲得強度, 再通過聚合物黏合在高溫和高壓下成型. 一旦成型, 大多數堅硬的聚合物將無法通過熔化, 燃燒或化學溶解獲得有價值的纖維.
在國際上, 有的企業通過燃燒聚合物進行碳纖維回收, 有的企業以化學處理方法回收碳纖維. 無論用哪種方法, 回收的碳纖維都比全新碳纖維大大減弱了承重能力. 因此, 回收的碳纖維經常用於網球拍和高爾夫球杆這樣的重輕量, 輕強度的產品生產. 它仍舊是一種很好的材料, 卻並不比鋁和低成本化合物材料表現更好.
碳纖維在汽車上的應用現狀和前景
汽車用碳纖維材料, 可以有效降低自身重量, 同時能大幅度減少油耗, 降低汙染和提升制動性能.
成本高是碳纖維複合材料在汽車上批量應用的重要制約因素. 碳纖維複合材料成本高, 主要表現在兩個方面: 一是碳纖維複合材料生產成本高, 二是碳纖維複合材料原材料價格成本高. 當前, 市場上每公斤碳纖維價格在120元人民幣以上, 是玻璃纖維價格的10倍以上.
中德智能製造聯盟零部件專業委員會主任路東在接受記者採訪時說: '碳纖維在飛機上用得較多. 汽車使用碳纖維, 可以實現輕量化, 但意義不大. 其主要問題是合算不合算. 碳纖維應用在汽車上, 價格很高. 僅一根碳纖維大梁, 價格就超過3萬元. 連寶馬, 平治等高端品牌汽車, 都很少用碳纖維. 因為國內高檔汽車不多, 單價在15萬元以上的汽車很少, 所以, 碳纖維在國內汽車上推廣應用前途很有限. '
'我們的汽車碳纖維產品正處在試用階段. 很多廠家都在試用我們的碳纖維大梁, 碳纖維傳動軸, 碳纖維保險杠和碳纖維車門. 碳纖維產品不生鏽, 重量輕, 能耗低, 耐疲勞, 安全性好. 汽車工業推廣應用碳纖維產品, 最大難題是價格很高. 中低端汽車用不起碳纖維產品. 高端汽車用少量碳纖維產品. ' 海內最大民用碳纖維生產企業中複神鷹碳纖維有限責任公司銷售經理李懷京認為, 汽車工業能否推廣應用碳纖維, 很難說.
'沒有碳纖維, 汽車工業沒法發展. ' 潘鼎語出驚人.
陳光祖說: '汽車輕量化發展, 首先經曆過車身鋼板變薄. 之後, 鋁合金變得時髦, 還有重量比鋁合金更小的鎂合金, 最後用碳纖維. 碳纖維肯定能夠在汽車上推廣應用. 生物纖維環保, 可回收, 應用前景廣大, 要有時間表, 有步驟. '
潘鼎接著闡述道: '碳纖維已經在汽車和飛機上用得相當多了. 碳纖維雖然價格高一點, 但是碳纖維大梁, 碳纖維保險杠已經用得很好. 寶馬汽車是用碳纖維用得最好的汽車, 是汽車上用碳纖維的成功典型. 它重量輕, 省油, 排汙少. 碳纖維在汽車上的應用前景廣闊. '
進一步談及汽車用碳纖維的好處, 陳光祖指出: '飛機上鋁合金已經改成碳纖維了. 汽車工業愛上新材料. 新型汽車發展是從發展新材料開始的. 推廣應用碳纖維是汽車工業發展方向. 現在有成本問題. 汽車發動機蓋用碳纖維, 核心好處不是減輕重量, 而是更加安全. 不少廠家已經把發動機金屬蓋改成碳纖維蓋了. 車門隔板過去用塑料, 現在改成生物纖維, 可以保證安全, 可以降解, 無害. 美國車身用碳纖維材料, 甚至骨架都用碳纖維, 不用焊接, 而是用高強度粘結劑粘結, 再用鉚釘固定. 推廣應用碳纖維, 技術問題不大, 最後還是價格問題. '
山東大學材料科學與工程學院教授朱波在接受記者採訪時說: '在發展碳纖維方面, 我們以技術開發為主, 為板簧, 蓋, 殼和保險杠等零部件企業提供技術支援. 發展碳纖維, 工藝沒有問題, 已經有成功案例. 碳纖維推廣應用前景總體不錯, 需要用戶支援. 批量小, 成本就高. 自動化水平提高, 批量增加, 就能解決成本問題. 原材料成本不是大問題. '
