材料回收:碳纤维复合材料不溶不熔,以前只能靠填埋或粉碎进行回收,不环保而且资源浪费,需要在回收热固性树脂的同时,最大限度的保持纤维强度,将碳纤维进行回收利用。
产业衔接:产、学、研结合不够紧密,没有明确定位、合理分工,基础研究和技术开发研究的有机衔接不够.企业规模小而分散,轻量化技术开发能力薄弱,研发人才短缺,工艺水平落后。
强强联手研发已然成为行业主流
因为需求增加,在汽车行业的应用成为各大碳纤维厂商加紧研发的重点,相关碳纤维复合材料生产技术不断获得新的突破。
碳纤维是将丙烯等纤维在无氧状态下“蒸烤”炭化制成。把碳纤维在平面上排列或编织成片,再用树脂加固之后才能成为CFRP。飞机等使用的CFRP在成型时,要在专用釜中加热加压,使构件硬化。这样做虽然可以获得极高的强度,但成型需要若干小时,而且成本高昂。宝马i3使用的CFRP采用了无须加压加热的新工艺——RTM(树脂传递模塑),即把预成型的碳纤维布放入模具,高压注入树脂,使纤维与树脂结合,可在10分钟以内成型。
为实现汽车车轮的的轻量化和高强化,三菱丽阳与车轮生产厂家ENKEI公司共同开发CFRP与铝合金相粘接的车轮,CFRP压缩成型时间可缩短至10分钟左右。日本CFRP生产厂家UCHIPA公司导入了CFRP自动化生产线,包括热固性树脂预浸料压制成型、热塑性树脂RTM成型和热塑性树脂预浸料压制成型,共3种成型方法,并与兰博基尼公司在名古屋大学内设立研究所,批量生产汽车部件和无人直升机叶片等。
日本东丽、丰田和东京大学等已经在联手开发全面采用碳纤维的汽车,推进加工技术等的研究,预计最早到2020年,重量减轻6成、安全性更高的新能源汽车将全面投入实际应用。
目前,不少汽车生产工厂直接与碳纤维制造商合作以便制造可用的零部件。如赢创同江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)与帝人集团东邦特纳克斯(Toho Tenax)共同研发CFRP;荷兰皇家昙卡草坪(TenCate)与日本东丽达成了长期供应协议;东丽与戴姆勒(Daimler)达成共同研发协议,为梅赛德斯—奔驰研发CFRP部件。
国内碳纤维及车用碳纤维复材发展现状
我国碳纤维消费量大,进口依赖度高,碳纤维产业经历了产品从无到有的阶段,目前产品规模和质量都有待进一步改善。全球产能一半以上都集中在日本和美国,我国的产能占比十分有限。2014年全球碳纤维产能约14.3万吨左右,我国产量仅3200吨。从需求角度看,我国碳纤维消费量很大,消费规模仅次于美国和西欧,占到全球比重的23%,企业对进口的依存度很高。对目前的碳纤维产业来说,技术攻关和产能增量都刻不容缓。
据了解,目前在碳纤维领域走在前头的主要为日本的三家企业,包括三菱丽阳、东丽公司以及帝人公司,这三家公司基本垄断了全球60%的碳纤维的供应。国内碳纤维生产企业有中石油吉林碳纤维厂、中石化、中国航天、威海拓展等。
“碳纤维在民用和军用领域的需求每年都在增加,国内产线也一直在上,但是真正能够实现稳定化生产的没有几家。而以最早做碳纤维的吉林化纤为例,虽然这些年公司也一直在发展,但和日本相比,两者的碳纤维发展水平至少还相差30年左右。”业内专家表示。
虽然我国碳纤维技术与国外差距较大,但我国车用碳纤维复材领域正在迅速发展。2014年5月,中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”项目研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备,能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备,效率达到56件/天,并分别采用APA6及PCB吨热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。
2015年2月,由烟台鼎立汽车部件有限公司自主研制的我国第一台碳纤维复合材料车身,通过国家汽车技术检测中心的检测,车身强度完全符合甚至超过国家检测标准。这台车身与普通用钢材制造的传统大型客车相比,总体重量减少了40%—60%,因此在消耗同样油量或电量的情况下,车辆可多行驶150公里,经济效益显著。由于碳纤维抗拉强度高达3500MPa以上,是钢材的5—10倍,因此较传统车型也更加坚固安全。据了解,这种碳纤维大客车车身生产线将于今年在该公司正式投产,预计年产量1万台,年可实现销售收入30亿元。
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