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碳纖維應對多重挑戰的創新技術

來源:中國棉紡織協會 發布時間:2017年07月20日
針對碳纖維生產成本太高這一問題,目前業內分別采用了改性瀝青、木質素制備、聚烯烴制備、高強PANCF原絲、節能加工能源等方面技術來降低成本。日本三菱公司采用裂解輪胎冷凝物為原料制備優質瀝青,規模化生產廉價高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。美國橡樹嶺國家實驗室從紙漿廢液中提取木質素,經過熔紡和碳化合成每公斤低至4-5美金的低成本碳纖維。陶氏化學將聚乙烯等纖維在無氧狀態碳化后,將碳纖維平面排列或編織成片,用樹脂加固后制成碳纖維材料,成本降低了一半。東麗公司采用高與超高分子量混合聚合體,用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲,創新工藝可提高紡速百倍以上,制備了高強、高模且低成本的PANCF原絲。美國ORNL用新型微波等離子源碳化技術高速制備低成本碳纖維;寶馬利用成本僅3美分/kwh水力發電能源制碳纖維,成本降低到20%。

  為縮短生產循環周期,當前有高壓樹脂傳遞模塑成型技術(HP-RTM)、熱塑性基體材料預浸料技術及短周期RTM工藝。寶馬與西格里合作開發新型環氧樹脂,固化時間僅為2min和5min,通過采用壓力高達2900psi(203kg/cm2),注射速率為200g/s的HP-RTM技術,樹脂系統、工藝和模具設計正確組合,實現了“一分鐘循環周期”。通用汽車公司與帝人公司聯合采用短時間可進行交聯或固化的熱塑性基體材料預浸料復合材料加工技術。戴姆勒公司和東麗工業采用“短周期RTM”工藝,也大幅縮短了碳纖維材料循環周期。

  在優化材料設計及工藝開發方面,目前行業內采用了SMC成型加工技術、快速鋪層技術、3D打印技術、碳纖維連接技術、模塊化制造創新技術。戴姆勒公司和克萊斯勒公司通過重疊加料,將碳纖維和玻纖SMC材料技術相結合,零件數量減少,重量減輕的同時剛度提高22%。在快速鋪層技術方面,目前有一種三維預成型創新技術,這是為層壓復合材料生產織物層的新方法,采用類似尼龍搭扣的形式在Z軸方向以鉤-環鎖扣將相鄰織物層進行連接。與原來復雜、耗時、需勞動密集型手工鋪層并且低強度高成本的Z-pins嵌入全厚度縫合三維預成型技術不同的是,這種新型鉤-環搭接的“互鎖型”技術可進行自動化操作更方便快捷,巡回周期低至90s,其撕裂強度可提高近1倍,耐壓強度提升20%,剪切強度提高15%、沖擊強度提升近1倍。直接成產成本降到一半,間接成本也低至原來的三分之一。

  美國橡樹嶺國家實驗室用熔融沉積3D打印技術將碳素纖維顆粒打印為一體式汽車底盤。剛度提高了5-7倍且強度是原來的3倍,提升汽車零部件性能的同時大幅減少了加工時間。在碳纖維連接技術上,目前有集散板熔融、震動熔融、超聲波熔融一體加熱、加壓連接法。通過一體化加工,增加結合部位碳纖維體積分數,提高了強度避免了開裂。在模塊化制造方面,采用自動化加工方法,將多個金屬部件轉變為模塊化復合材料部件,車身零部件數量降至1/10。既減重又縮短了生產循環周期。此外,我國也研發出碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型關鍵技術,中科院寧波材料所在復合材料體系、設計技術、熱壓成型工藝、液態成型工藝、連接技術以及關鍵裝備等方面都取得重要成果。

  為解決碳纖維材料難以回收的問題,目前有碳纖維材料碎料回用技術和碳纖維溶出回用技術。寶馬用將廢棄的航天工業碳纖維部件切碎后,重新制成碳纖維材料用于汽車零部件制造。英國諾丁漢大學應用超臨界流體溶解性,用低成本溶劑溶解碳纖維材料中的環氧樹脂,可實現碳纖維材料的完全提取。(cnita)

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