蘆長椿

（全國化纖新技術開發(fā)推廣中心，北京 100020）

低成本碳纖維復合材料在乘用車上的應用

蘆長椿

（全國化纖新技術開發(fā)推廣中心，北京 100020）

碳纖維增強復合材料（CFRP）可以減輕乘用車體質量，改善燃油效率，減少CO2的排放，但碳纖維高昂的成本制約了它的廣泛應用。簡介了低成本碳纖維（LCCF）的研究與開發(fā)動向以及木質素基和聚烯烴基碳纖維技術快速進入商業(yè)化的的態(tài)勢。

低成本碳纖維；復合材料；乘用車；應用

0 引言

提高燃油效率是汽車輕量化研究極具戰(zhàn)略性的任務，亦將促進新一代纖維增強復合材料的研究和使用。預計2015～2020年間，CFRP在汽車市場需求的年增長率約在30%[1]。

從復合材料的應用考量，乘用車大體分為4 類，即特種級別的汽車如賽車，可100%使用CFRP，以性能為先，無須顧忌成本，此類車的年需求數(shù)量全球不足萬輛；次為中級車（或稱超豪華級），該級別車對復合材料的選擇，是基于市場因素下取價格與成本的平衡；三是高附加值車型（或稱豪華級）數(shù)量約占市場的4%～5%，其對CFRP成本顯示出極強的敏感性，在滿足性能的前提下力求低成本；而大量無結構特性要求的量產車型占絕對的市場份額，其輕量化對材料的選擇，無疑是低成本碳纖維（LCCF）及其復合材料，并已顯現(xiàn)出越來越清晰的利用生物可再生資源的趨勢[2]。

LCCF的開發(fā)與市場拓展面臨著如下的挑戰(zhàn)：

⑴ 合理的生產規(guī)模。

⑵ 可替代原絲的選擇以及應用研究與設計，有可能降低碳纖維27%～38%的成本。諸如采用熔法原絲工藝，即可將能耗從418 MJ/kg降至23 MJ/kg，CO2排放從48.4 kg/kg減至2.2 kg/kg，生產速度從200 m/min提高到1 800 m/min，投資從28.6美元/kg降至8.8 美元/kg。

⑶ 運轉成本和運轉效率的優(yōu)化，碳纖維運轉成本和效率涉及能耗、輔助工程、零部件供給和消耗、人力成本以及碳纖維加工工藝（諸如斷絲等）和安全危害風險的應對。

利用LCCF復合材料可降低汽車質量的50%，提高燃油效率35%，同時不會影響乘用車的性能和行車安全性。美國國家能源部的研究報告認為，CFRP可以減輕汽車質量的70%。通常，每減輕汽車車體質量10%，即可降低油料消耗量的4%～5%。以美國為例，每天行駛于路上的乘用車數(shù)量在8.8×106輛，如每輛車使用增強復合材料頂替鋼材，以車體質量減輕10%計算，全年將可節(jié)省2.273×1010L的燃料油品。

乘用車輕量化催生新一代高性能/質量比材料的開發(fā)，近年來LCCF取材于可再生資源的研究趨勢日漸清晰，一個集工業(yè)企業(yè)、研究院所和國家實驗室于一體，潛在的提高能源效率的開發(fā)方式在北美和歐洲地區(qū)出現(xiàn)，引起了業(yè)界的普遍關注，如圖1所示[3]。國內有龐大的汽車產業(yè)，LCCF及其復合材料的需求以及日益增長的環(huán)境意識亦會促使我們的發(fā)展理念和技術理念的更新。

1 LCCF的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

CFRP的密度、強力和模量較之于傳統(tǒng)鋼材顯示出了巨大的優(yōu)勢，給傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇。美國福特GT、道奇Viper和雪佛蘭Z-06型轎車已使用CFRP，并以數(shù)千輛的規(guī)模投放市場，但仍認為CFRP目前還不能大量用于乘用車的輕量化。

圖1 生物源碳纖維與可再生能/能源效率技術鏈

碳纖維苛刻的制造工藝及其增強復合物材料昂貴的成本，制約了它在汽車輕量化方面的廣泛使用。傳統(tǒng)碳纖維生產中95%的原絲選用PAN纖維。碳纖維成本構成大體是PAN原絲占51%，輔助工程成本占18%，人力成本占10%，折舊占12%，其他成本占9%。

原絲的選擇是LCCF生產重要的影響因素，目前已投入實驗性開發(fā)的LCCF原絲包括紡織級PAN原絲、木質素原絲、聚烯烴原絲以及PAN-木質素混合原絲等。圖2為LCCF研究中影響成本的諸多技術因素。

1.1 木質素基碳纖維(LBCF)

木質素是地球上僅次于纖維素的第二大蘊藏量最為豐富的可再生資源。亦是制漿造紙工業(yè)的副產品，全球每年可利用的木質素約在2×108t，價格低廉，目前的平均售價約在1.1 美元/kg。碳纖維原絲用的木質素需要一段或多段的提純，通常其品質需滿足如下的要求即：

? 在250 ℃條件下，揮發(fā)物質量分數(shù)＜5%。

? 灰分質量分數(shù)＜10-0.4。

? 直徑＞1 μm的不熔融顆粒物＜2.5×10-0.4。

? 木質素質量分數(shù)≥99%

圖2 LCCF生產的成本制約因素

利用木質素原絲制備碳纖維包括如下幾個關鍵工序：即①木質素粉末的洗滌與干燥，②木質素粉末料造粒，③木質素紡絲成形工藝，④氧化，⑤碳化。木質素原絲制備可采用熔噴法（MB）工藝，實驗室生產裝置的幅寬600 mm，纖維網單絲直徑控制在10～20 μm，面密度230 g/m2。

使用熔法紡絲工藝制備原絲時，卷繞速度在1 500 m/min，纖維直徑10 μm。

經過改性處理的木質素原絲可以明顯提升穩(wěn)定化處理速度。一般情況下LBCF的得率理論上為90%，實際上可做到55%。使用木質素原絲的碳纖維石墨化程度較高，碳纖維的強度與模量比設定的指標要高，即強度比1 724 MPa指標要高70%，模量比172 GPa的要求高20%。

木質素原絲的提純成本很低約1.1 美元/kg。實驗性生產中，木質素原絲成本1.1 美元/kg。LCCF的氧化采用2～4 段工藝，氧化成本在1.65美元/kg，后續(xù)的碳化工序成本1.54 美元/kg，表面處理工序成本0.22 美元/kg，卷繞工序成本0.33 美元/kg。LCCF的總成本可以控制在6.27 美元/kg。目前已商業(yè)化LBCF品質最好的水平，即強度達到1.07 GPa，模量83 GPa。

瑞典Innventia公司使用100%的亞硫酸鹽漿木質素原料，制備碳纖維的商業(yè)化生產線已在實施中，其木質素原料源于6.5×105t/a的制漿工廠，擬建3.3×104t/a木質素裝置以制取1.6×104t/a的低成本LBCF。

美國ORNL國家試驗室與GrafTech公司合作開發(fā)的LBCF生產工廠也在實施中，LBCF用作生產耐高溫熱絕緣材料[4]，100%LBCF熱絕緣材料性能如表1。

LBCF商業(yè)化生產裝置的設計產能6 250 t/a，木質素原絲生產能力1×104t/a。木質素原料價格0.55 美元/kg，LBCF的計劃成本9.28 美元/kg。LBCF商業(yè)化生產裝置主要包括：

? 木質素供給系統(tǒng)。

? 木質素造粒裝置。

?木質素原絲制備，采用熔噴法非織造布方法，制得的纖維網面密度1 500 g/m2（如圖3）。

? 碳化裝置（使用溫度＞1 000 ℃）。

? 穩(wěn)定化，處理時間2 h。

? 熱處理工序的化學得率控制約在45%。

表1 LBCF耐高溫熱絕緣材料性能

LBCF生產工廠并設實驗中心，主要試驗設備設置包括木質素造粒設備、木質素處理制備、木質素熔噴（MB）纖維網設備、穩(wěn)定化裝置、碳化裝置、復合材料試驗臺等。

1.2 聚烯烴基碳纖維

聚烯烴屬長鏈高聚物，碳質量分數(shù)高達86%。具有可回收再利用性，低成本特征明顯。聚烯烴原絲采用熔法成形，比濕法工藝運轉成本低，且原絲產品呈多樣化（即絲束、纖維網等）。

聚烯烴原絲及其加工技術，較之于傳統(tǒng)PAN基碳纖維的得率（50%）要高，達到65%～80%。聚烯烴基碳纖維成本較之于傳統(tǒng)碳纖維可降低20%，耗能效率提升，CO2排放可減少50%[5]。聚烯烴基碳纖維技術特征如表2。

聚烯烴原絲品質，一般強度要＞1 380 MPa，模量在138 GPa。制備碳纖維的得率理論上65%～80%，實際得率不低于60%。聚烯烴基碳纖維的強度＞2 620 MPa，模量≮207 GPa。應用研究顯示，聚烯烴基碳纖維復合材料的品質可以適應乘用車市場的需要，其低密度和優(yōu)良的斷裂強度亦可用在風能透平。道化學-福特汽車合作開發(fā)的聚烯烴基碳纖維商業(yè)化生產線預計2017年將投入運行，聚烯烴基碳纖維成本可控制在11～15.4 美元/ kg水平。

圖3 木質素原絲熔噴法紡絲裝置

表2 聚烯烴基碳纖維技術特征

1.3 紡織級PAN原絲制備LCCF

用作碳纖維的紡織級PAN原絲力學性能，通常強度要＞3 447 MPa，模量在207 GPa，理論上得率68%，實際僅達到40%～50%。開發(fā)中的紡織級PAN基碳纖維成本可控制在10.21～12.65 美元/ kg，原絲成本約6.38 美元/kg。

Zoltek公司開發(fā)的“Panex-35”系列碳纖維，即采用紡織級PAN原絲制備的低成本碳纖維，并已商業(yè)化生產供給市場。如表3。

表3 紡織級PAN原絲制備的碳纖維性能

SGL公司利用紡織級PAN原絲制備低成本高強度碳纖維也取得了成功，產品用于航天領域。該高強低成本碳纖維的強度達4 480～4 830 MPa，模量241～262 GPa，成本在22～26.4 美元/kg。傳統(tǒng)普通PAN原絲成本基本約在5.21 美元/kg，紡織級PAN原絲成本在3.87 美元/kg，即原絲成本下降了25%[6]。

1.4 利用可再生資源的LCCF技術

100%LBCF已成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產。選用可再生資源，諸如木質素、納米纖維素等與傳統(tǒng)PAN組分混合的原絲加工LCCF的研究亦取得了進展。

1.4.1 PAN/木質素混合組分原絲制碳纖維

Zoltex公司與Weyerhaeuser合作開發(fā)的木質素質量分數(shù)35%的PAN/木質素基碳纖維，2013年已實現(xiàn)了商業(yè)化生產，LCCF強度達到2.8 GPa，模量210 GPa，伸長1.3%，成本11 美元/kg。

該產品的木質素原料取之于制漿造紙工業(yè)黑液。原料黑液經沉淀、過濾、酸化處理（H2SO4），再過濾、洗滌和干燥制得木質素粒料。

PAN/木質素混合組分原絲制備，選用濕法紡絲工藝，原絲組分比例即L/P為15/85或25/75或35/65，而商業(yè)化生產的LCCF原絲組分比例L/P為45/55。

1.4.2 PAN/木質素/NCC混合組分的原絲制碳纖維

納米晶纖維素（NCC）是納米纖維素系列的一個品種，納米纖維素系取材于木材及生物質資源的可再生聚合物材料。近年來納米晶纖維素及其復合材料的應用研究取得巨大的進展，美國Georgia技術學院使用納米晶纖維素與PAN的混合組分的纖維做原絲，NCC組分的質量分數(shù)為1%，納米纖維素的技術特性如表4。

表4 多組分原絲選用的納米纖維素性能比較

PAN/木質素/NCC多組分的原絲制備采用凝聚紡絲工藝，紡絲液的配制即首先將NCC分散于DMA中，后將其注入PAN/DMA溶液，組分配比即PAN/木質素/NCC為67/30/3，成型的牽伸倍率分別是9%、16%和20%。

1.4.3 生物基原絲制低成本碳纖維的研究[7]

美國Iowa州立大學利用生物可再生原絲生產低成本碳纖維已進入批量試驗。生物基原絲為PLA、木質素丁酸酯和木質素與PLA的接枝共聚物的混合體。生物基原絲制LCCF的加工工藝基本由以下幾個工序組成，即木質素原料提純→木質素化學改性→木質素丁酸酯合成→木質素與PLA接枝共聚物制備。而物料混合十分重要，目的是獲取均一的適宜熔法紡絲成形的物料。通過熔法制得原絲，經穩(wěn)定化和碳化過程獲取LCCF。生物可再生原絲制得的碳纖維，較之于傳統(tǒng)PAN基碳纖維成本降低幅度在37%～49%。

2 低成本碳纖維開發(fā)與乘用車輕量化市場

汽車的燃油效率和CO2排放關系著人類生存環(huán)境的改善。2020年歐洲汽車的CO2排放標準擬定為95 g/km，美國標準在114 g/km。以奧迪汽車為例2015的CO2排放量在120 g/km，要達到95 g/ km擬定水平，需減輕汽車車體質量的50%。

乘用車輕量化的研究已經告知我們，采用高性能鋼材可以降低車體質量的5%～25%，使用鋁材可以降低車體質量的40%，使用CFRP可降低車體質量的20%～60%。從燃油效率角度考量，每減輕100 kg車體質量，百公里的耗油量亦可節(jié)省0.3 L/100 km[8]。

2015年世界碳纖維市場，貯能用途CFRP的碳纖維價格在33～44 美元/kg，航空用66～88 美元/ kg，航天用176 美元/kg，風能透平用22 美元/kg。美國橡樹林國家實驗室（ORNL）認為乘用車碳纖維的成本不能高過11～15.4 美元/kg，歐共體開發(fā)中的LCCF成本亦擬定在11.88～13.86 美元/kg范圍。

1990年代，美國橡樹林國家實驗室即開始了低成本碳纖維（LCCF）的開發(fā)與應用研究，在探索可替代碳纖維原絲的新材料和先進的制造工藝，開發(fā)大容量和LCCF領域取得了進展，亦向人們展現(xiàn)了乘用車和卡車的輕量化潛力。

巴斯夫公司熔法PAN原絲可降低碳纖維成本的30%；Zoltek公司使用紡織級PAN原絲制備的LCCF（Panex）已投放市場，該公司PAN-木素基LCCF亦已商業(yè)化生產；道化學聚烯烴基低LCCF預計2017年進行商業(yè)化運行；橡樹林實驗室（ORNL）和GrafTech公司合作建設的100%木質素基LCCF生產工廠，設計產能6 250 t/a的生產線項目也已在實施中。

過去的十幾年間，LCCF的開發(fā)和應用研究取得了長足的進步，LCCF生產呈快速進入商業(yè)化生產形勢，碳纖維的成本亦將從平均價格水平的44美元/kg非常接近LCCF的成本11～15.4 美元/kg的預期。

我國是碳纖維使用和生產的重要國家，2013年碳纖維產能達到1.8×104t/a，實際產量3 000 t。設備開工率僅20%，眾多的國內碳纖維企業(yè)實際上仍處在試驗階段，研究與開發(fā)力量相對薄弱。碳纖維品質低下和不正常的成本結構，致使這些企業(yè)在開拓市場方面遇到了前所未有的困難。近來黑龍江天順科技公司在5 t/a規(guī)模的試驗設備上成功制得T700級碳纖維，成本控制在200 元/kg（相當于30 美元/kg）這是國內碳纖維技術上的不小進步。

我國是汽車生產大國也是汽車消費大國，預計2020年汽車產能將突破4×107輛/a。汽車輕量化牽系著碳纖維及其復合材料的市場。靜下心來考量，國內沒有賽車的品牌，亦還沒有超豪華級車型的設計能力，無結構特性要求的量產車型占據(jù)著絕大的市場，無疑國內汽車輕量化需要的是LCCF及其復合材料[7]。隨著LCCF的商業(yè)化生產，未來5 年，LCCF及其復合材料將進入應用拓展時期。從目前國內碳纖維企業(yè)的研發(fā)狀況看，還不可能提供LCCF技術及相關產品，在應對量產汽車輕量化市場的變化上，我們亦會面臨一個十分困難的境況。

3 結語

目前全球CFRP市場規(guī)模在1×1010美元，預計2020年將躍升到4×1010美元。其間汽車用CFRP市場份額會有30%的年增長率。無結構特性要求的量產汽車市場將面臨提高燃油效率的挑戰(zhàn)，也將催生LCCF的研究與開發(fā)[9]。

國內LCCF的研究與開發(fā)投入不多，相關的應用研究基本上是空白狀態(tài)，開展高性能/質量比纖維材料的研究是市場的需求，也是日益惡化的公共環(huán)境的要求。

[1] Dr.Tilo Hauke. What outlook for prepregs in the automotive industry[J]. SGL GmbH. JEC. Composites, 2014, 86(2): 37-39.

[2] Moriyuki. Toray Businese Strategy for Carbon Fibers Composites Materials[EB/OL]. [2012-09]. Toray Industies Inc. Japan. http://www.toray.com.

[3] Renewable Low cost Carbon Fibers for Lighweight Vehicles Summary Report. US. Department of EnergyManufcature Initiative. Luly. 2013[EB/OL]. http://www.eere.gov.

[4] Cliff Eberie. Cmmerialization of New Carbon Fiber Materials Based Sustainable Resources for Energy Applications. March. 2013. OAK Ridge. National Laboratory[EB/OL]. http://www.ornl.com.

[5] Scale up of Novel Low Cost Carbon Fibrts Leading to High Volume Commercial Launch. Dow Chemical Company. Ford Motor. 2012[EB/OL]. http://www.dow.com.

[6] C.David. Development of Low Cost Strength Commercial Textile Precursor(PAN-MA). June. 2014. Oak Ridge National Laboratory[EB/OL]. http://www.ornl.com.

[7] 羅益鋒. 全球高性能纖維技術的最新進展[J]. 紡織導報, 2016, (1): 58-66.

[8] Hendrik Mainka. Lignin-An Alternative Precursors for Ssustainable and Cost Effective Automotive Carbon Fibers[J]. Volkswagen AG. Germany. Journal of Materials Reseach and Technology, 2015, (4):283-296.

[9] 江蘇奧新新能源汽車有限公司. 電動汽車復合材料輕量化技術的應用和發(fā)展[C]. 第21屆中國國際化纖會議, 2015.

The application of low-cost carbon fiber composites in passenger vehicle

LU Chang-chun

( Chemical Fiber New Tech Development Center, Beijing 100020 China )

Carbon fiber composites can reduce the weight of passenger vehicle, increase vehicle fuel economy and reduce the carbon dioxide emissions. However, high cost of carbon fiber hinders the extensive application of the carbon fiber composites. This article briefly introduces the R&D trend of low-cost carbon fiber and status in rapid commercialization of lignin-based and polyolefin-based carbon fiber.

low cost carbon fiber; composites; passenger vehicle; application

TQ342.742; U465.6

A

1007-9815（2016）02-0014-05

定稿日期:2016-03-18

蘆長椿（1941-），男，北京人，高級工程師，長期從事纖維新材料研究開發(fā)和相關信息研究，(電子信箱) changchunlu8@163.com。