羅益鋒

(全國特種合成纖維信息中心，北京 100028)

0 前言

目前仍在全球蔓延的新型冠狀病毒及嚴(yán)峻的國際形勢，改變了世界碳纖維(CF)及其復(fù)合材料(CFRP)的市場分配格局，加速了我國CF產(chǎn)業(yè)鏈追趕國外先進(jìn)國家的進(jìn)程。與疫情相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備供不應(yīng)求，而世界民用飛機(jī)市場卻出現(xiàn)低迷，但軍用飛機(jī)等與國防軍工相關(guān)的產(chǎn)業(yè)卻快速發(fā)展。另外，當(dāng)前氣候變化對全球的影響愈來愈突顯，各國比任何時(shí)候都認(rèn)識到控制碳排放的重要性。我國已向世界宣告2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年達(dá)到碳中和的時(shí)間表，從而極大地推動節(jié)能減排和環(huán)保相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如新能源汽車、高鐵和其他交通運(yùn)輸工具的輕量化和節(jié)能化等。此外，全球正處于第五期地震活躍期，而且將持續(xù)很長時(shí)間，為此各種建筑物及重要設(shè)施的耐震補(bǔ)強(qiáng)，更顯重要。

雖受到眾多不利因素影響，但我國CF產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅沒有減緩，反而加速發(fā)展了。本文介紹全球CF及CFRP工藝技術(shù)高效化、節(jié)能化、規(guī)?；偷统杀净募夹g(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用新進(jìn)展，供參考和借鑒。

1 碳纖維及其原絲發(fā)展新形勢和新動態(tài)

1.1 國內(nèi)

1.1.1 碳纖維及其原絲

由于前述原因，我國首次出現(xiàn)了碳纖維供不應(yīng)求的局面，大企業(yè)繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，而新加入的企業(yè)不斷出現(xiàn)，使我國的布局趨于合理化。中復(fù)神鷹公司在西寧首條6 000 t/a聚丙烯腈基碳纖維(PAN-CF)生產(chǎn)線及配套原絲生產(chǎn)線，已于2020年12月試車成功，2022年將達(dá)到1萬t/a的總產(chǎn)能。光威復(fù)材公司在包頭的1萬t/a PAN-CF及其配套原絲項(xiàng)目一期工程(2 000 t/a)，在2022年投產(chǎn)，并應(yīng)用于風(fēng)電葉片上。

寶武鋼鐵集團(tuán)除利用其副產(chǎn)瀝青研發(fā)瀝青基碳纖維(P-CF)外，最近收購了浙江精功集團(tuán)的PAN-CF業(yè)務(wù)部，并發(fā)展下游CFRP產(chǎn)業(yè)鏈。其中精功科技公司完成了首條千噸級PAN-CF生產(chǎn)線國產(chǎn)化，成為我國首家擁有PAN基和瀝青基CF的廠家，類似日本三菱化學(xué)，對產(chǎn)品互補(bǔ)應(yīng)用有利。藍(lán)星纖維有限公司的1 600t/a 50K PAN-CF及3 400 t/a原絲生產(chǎn)線將滿負(fù)荷生產(chǎn)，并探索在淄博再上一條新生產(chǎn)線。

近一年來，網(wǎng)上頻繁報(bào)道開工籌建碳纖維的消息，其中河南碳纖維工業(yè)研究院先后在甘肅張掖和新疆霍爾果斯籌建萬噸PAN-CF生產(chǎn)線，但未見有后續(xù)行動。廣東金輝碳纖維材料科技有限公司投資30億元在廣東茂名分階段興建5萬t/a PAN原絲、2萬t/a CF及4萬t/a CFRP生產(chǎn)線。最近該公司在淄博化工園區(qū)投資22億元，將利用天辰齊翔公司的丙烯腈原料，建設(shè)10萬t/a高性能CF的PAN原絲廠。杭州超探公司在浙江龍游縣將興建1萬t/a PAN-CF及2 500 t/a C/C復(fù)合材料及碳素制品生產(chǎn)線等，總投資32億元。

根據(jù)廣州賽奧公司的初步統(tǒng)計(jì)，2020年我國PAN-CF的進(jìn)口量為30 351 t，國產(chǎn)量為18 500 t，總需求量為48 851 t，而2021年進(jìn)口量為33 064.56 t，產(chǎn)量24 302 t，消費(fèi)量52 549.07 t?？上驳氖抢^光威復(fù)材、常州中簡和吉林化纖三家CF及原絲公司上市后，中復(fù)神鷹公司也在科創(chuàng)板首發(fā)過會。

在通用級和中間相瀝青基碳纖維(MP-CF)方面，經(jīng)過多年前赴后繼的艱苦攻關(guān)，取得了突破性進(jìn)展。在這期間，高等院校等起到了關(guān)鍵作用，天津大學(xué)在呼和浩特建有500 t/a通用級P-CF生產(chǎn)企業(yè)，同時(shí)與內(nèi)蒙古慶華集團(tuán)騰格里精細(xì)化工有限公司合作開展中間相瀝青的中試研究，為研發(fā)高性能MP-CF打基礎(chǔ)。在MP-CF方面，湖南大學(xué)東映碳材料科技有限公司的20噸/a中試線產(chǎn)品質(zhì)量、性能水平和產(chǎn)品穩(wěn)定性，居國內(nèi)領(lǐng)先水平(圖1)。

北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所等，也在早期與企業(yè)合作生產(chǎn)P-CF。目前無論石油基還是煤基，或者通用級和中間相P-CF，與日本、美國差距仍較大。

1.1.2 復(fù)合材料

我國PAN-CF龍頭企業(yè)之一——光威復(fù)材公司，已形成PAN原絲及CF、通用新材料(系列樹脂、混雜纖維等)、新能源材料、復(fù)合材料及精密機(jī)械五大板塊產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品。

圖1 湖南東映碳材料的MP-CF及應(yīng)用

在CFRP成型工藝的改進(jìn)方面，我國也取得了長足的進(jìn)步，快速固化劑的應(yīng)用，使成型時(shí)間縮短至2～5 min。在非熱壓罐成型技術(shù)方面，液體成型技術(shù)的LCM工藝我國起步較晚，與國外差距較大，然而在液體成型工藝低成本化、高整體化方面發(fā)展很快。中國航空制造技術(shù)研究院在成型工裝設(shè)計(jì)、預(yù)制體縫合、整體成型化工藝、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型等方面均取得了技術(shù)突破，在RTM法制作多墻整體翼面結(jié)構(gòu)、研制2 m正弦波紋梁、用RFI工藝縫合技術(shù)生產(chǎn)帽型加筋壁板等方面，均通過了試驗(yàn)考核；在使用CC300/BA9913 CF預(yù)浸料及00A成型工藝研制30 mm厚板結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)部孔隙率小于1.5%，無損檢測合格，總體質(zhì)量優(yōu)良。這些重要技術(shù)的突破，對發(fā)展高性能軍機(jī)無疑起到技術(shù)保障作用。

我國對CFRP結(jié)構(gòu)部件和C/C剎車片復(fù)合材料的研發(fā)，對我國空中飛車、懸空軌道車、高鐵的進(jìn)一步提速等，同樣起到技術(shù)和材料支撐作用。

在新能源汽車方面，為確保鋰電池充一次電能續(xù)航500 km以上，目前需要重達(dá)800～1 000 kg的電池堆。因此，汽車結(jié)構(gòu)材料的輕量化和CFRP化是迫切需求，需要進(jìn)一步降低大絲束PAN-CF及其結(jié)構(gòu)件的成本。

氫燃料電池汽車的快速推進(jìn)，促進(jìn)了相配套的CF纏繞超高壓儲罐、車載高壓氫氣瓶及電極材料等的發(fā)展。 我國目前CFRP高壓容器的耐壓性與國際水平仍有較大差距，雖然我國已建成多個(gè)加氫站，但儲氫罐最高耐壓只有70 MPa，只能充35～40 MPa；而國外車載氫氣瓶耐壓高達(dá)80～90 MPa。

在風(fēng)能方面，世界著名風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)維斯塔斯(Vestas)已分別與光威復(fù)材、奧神新材等公司合作，這推動了我國CF的發(fā)展。

在光伏領(lǐng)域，隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，單晶硅和多晶硅爐子的C/C復(fù)材保溫材料的需求大增。目前，C/C復(fù)材生產(chǎn)商已有金博股份公司和中天火箭公司兩個(gè)上市公司。湖南碳谷新材料公司和泛碳新材料公司是C/C復(fù)材生產(chǎn)行業(yè)的后起之秀。

在舊葉片回收利用方面，我國已開始起步；而CFRP回收再利用，國內(nèi)已形成上海交大合作企業(yè)和重慶宸晟新材料公司集中處理。

1.2 國外

1.2.1 東麗公司

東麗公司根據(jù)全球疫情及應(yīng)對氣候變化對碳纖維產(chǎn)業(yè)的影響，對其公司發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了調(diào)整。由于疫情影響，世界航空業(yè)務(wù)需求急劇下滑，預(yù)計(jì)到2024～2025年其收益才能逐步恢復(fù)到500億元水平。因此，東麗公司從2020年6月暫停了在美國南卡州一條2 000 t/a小絲束PAN-CF生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2022年后再恢復(fù)運(yùn)行。

近年來全球氣候變化對環(huán)境的影響愈來愈大，各國都加大了對碳排放的控制力度，加速發(fā)展新能源，從而推動了大絲束PAN-CF的大發(fā)展。東麗公司預(yù)測全球風(fēng)電市場約以年4%增長，特別是海上大型風(fēng)電葉片需求量將快速增長，2020年其需求比2019年增長134%，而2021年預(yù)計(jì)比2020年增長116%。東麗公司下屬美國Zoltex公司，在匈牙利的工廠正逐步增設(shè)5 000 t/a的大絲束CF產(chǎn)能，屆時(shí)其總產(chǎn)能將占世界60%的份額，2022年預(yù)計(jì)比2019年將增長13%。同時(shí)，東麗公司正探討在墨西哥也擴(kuò)大大絲束PAN-CF的產(chǎn)能，因?yàn)槠涑杀靖偁幜Ω摺?/p>

Zoltek 公司生產(chǎn)的CF非卷曲織物及其上漿制品，應(yīng)用于船舶、雙軸和三軸等(圖2)。

圖2 Zoltek的CF系列產(chǎn)品

此外，燃料電池電極用碳纖維紙及擴(kuò)散層織物、氫能源高壓容器、X-射線攝影裝置用箱子需求量的增長，也推動了大絲束PAN-CF的發(fā)展。

1.2.2 帝人公司

帝人公司在德國的子公司抓住新冠疫情的急速蔓延對X光機(jī)及人工呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備需求擴(kuò)大的機(jī)會，及時(shí)開拓該領(lǐng)域CF的需求。

帝人碳素歐洲公司則抓住歐洲電子制造業(yè)近年來的需求增長，以及醫(yī)療設(shè)備復(fù)合電纜用的高級CF增強(qiáng)塑料母粒的需求，將在德國的6 mm短切CF“Tenax-E HT C604”(圖3)的產(chǎn)能提高40%。這種CFRP母粒具有優(yōu)良的力學(xué)性能和導(dǎo)電性，深受歐洲用戶的青睞。

圖3 Tenax-E HT C604短切PAN-CF

帝人公司還生產(chǎn)Tenax非卷曲織物(DRNF)和Tenax編織纖維(DRBF)，用于Tenax Dry Reinforcements(DR)，作為空客A320neo的機(jī)翼阻流板(圖4)。

圖4 A320neo機(jī)翼阻流板

Tenax DRNF和DRBF通過高度自動化的樹脂轉(zhuǎn)移模塑(RTM)法，比通用熱壓罐法具有更高生產(chǎn)效率和組件集成化。Tenax DRNF是根據(jù)最終部件的結(jié)構(gòu)需要，將CF長絲束進(jìn)行單向鋪平，并以不同角度和層數(shù)進(jìn)行層疊，從而比通用機(jī)織物具有更優(yōu)良的CF取向性，使其性能達(dá)到航空級熱固型單向預(yù)浸料的水平。Tenax DRBF是作為中空填料應(yīng)用于阻流板部件中，這些材料都取得了空客公司在該特定領(lǐng)域應(yīng)用的各自認(rèn)證。Tenax DRNF和DRBF的組合，達(dá)到了Spirit AeroSystems對飛機(jī)組件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，如高效加工性、生產(chǎn)效率和成本經(jīng)濟(jì)性。

目前帝人公司正全力加速開發(fā)飛機(jī)中游和下游的應(yīng)用，并配合開發(fā)更高強(qiáng)度和拉伸模量的中間材料，其目標(biāo)是到2030年左右的年銷售額達(dá)到9億美元。此外，帝人在越南的子公司“帝人碳越南”的CF預(yù)浸料廠，已于2020年11月開始試運(yùn)行，主要面向一般產(chǎn)業(yè)和體育休閑用品，如高爾夫球桿和網(wǎng)球拍，今后可能向風(fēng)電葉片拓展。

1.2.3 三菱化學(xué)公司(MCC)

該公司通過其子公司瑞士三菱化學(xué)先進(jìn)材料公司，2020年8月取得了位于Wischhafen的兩家德國碳纖維回收公司CFK Valley Stare Recycling和carboNXT。 CFK擁有收集CFRP包括預(yù)浸料等廢料的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)擁有回收CF成為有用材料的先進(jìn)技術(shù)，并由carboNXT進(jìn)行銷售。

早在2020年MCC還取得了徳國的預(yù)浸料公司c-m-p及瑞士的回收公司Minger，將為用戶提供采用該回收產(chǎn)品的解決方案。

1.2.4 4M公司

美國4M公司利用其等離子體預(yù)氧化專利技術(shù)，與PAN原絲合作方德國Dralon公司，共同生產(chǎn)大直徑工業(yè)級CF。兩家公司共同開發(fā)的低成本紡織級原絲，可生產(chǎn)出大直徑CF，預(yù)氧化時(shí)間只有52 min，今后將繼續(xù)改進(jìn)其性能，優(yōu)化該材料及生產(chǎn)工藝。但迄今大直徑CF還未規(guī)?；a(chǎn)，因?yàn)橛贸Ｒ?guī)預(yù)氧化工藝，其預(yù)氧化時(shí)間很長、能耗較大，而且容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷而影響性能。該新工藝可實(shí)現(xiàn)從原絲到CF全生產(chǎn)過程的低成本和更好產(chǎn)品性能，且提高了批量生產(chǎn)能力。

1.2.5 Sigmatex公司

英國Sigmatex公司是一家在設(shè)計(jì)制造CF織物至復(fù)合材料方面居世界領(lǐng)先的企業(yè)，與位于倫敦的Hypetex公司合作，在CF上色技術(shù)方處于領(lǐng)先地位。最近兩家合作，將為現(xiàn)有和新用戶提供美觀且有獨(dú)特色澤CF的解決方案。Hypetex公司的獨(dú)特上色工藝加上Sigmatex公司的織造花紋，將為顧客的全產(chǎn)業(yè)提供CF的附加視覺感受，并保留其主要質(zhì)量和性能指標(biāo)。

2 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的新形勢和新技術(shù)

2.1 航空業(yè)

東麗公司的CFRP產(chǎn)品受2020年度飛機(jī)減產(chǎn)的影響比較大，銷售收入下降。帝人公司面向美國飛機(jī)的CF增強(qiáng)熱塑性樹脂(CFRTP)的兩種中間材料，取得了世界知名的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料廠Collins Aerospace的認(rèn)定；一種是熱塑性復(fù)合材料織物“Tenax TPWF”和CFRTP層壓板“Tenax TPCL”(圖5)。樹脂基體均采用高耐熱、耐沖擊和耐疲勞的聚醚醚酮(PEEK)。

圖5 Tenax TPWF 和TPCL

東麗公司的CFRP部件制造銷售子公司TCM(東麗碳魔力)，開發(fā)了將電動飛機(jī)內(nèi)部電池等所散發(fā)的熱從機(jī)體表面釋放出去的“表面冷卻技術(shù)”，同時(shí)因采用CFRP外殼和鋁芯材的混雜結(jié)構(gòu)部件，使冷卻功能和機(jī)體輕量化兩種技術(shù)實(shí)用化。

東麗公司與德國Lilium公司達(dá)成協(xié)議，為其提供CFRP，用于機(jī)身、機(jī)翼、螺旋槳和其他結(jié)構(gòu)件。Lilium公司正開發(fā)全電動垂直起降飛機(jī)，目標(biāo)是在2025年初交付空中飛行器，以減少城市交通擁堵、噪聲和污染。

無人機(jī)是CFRP的另一航空應(yīng)用領(lǐng)域，日本近年來的開發(fā)應(yīng)用非?；钴S。千葉市的Liberaware公司生產(chǎn)的自動巡回型無人機(jī)“IBIS”(圖6)，可以進(jìn)行監(jiān)視自動化服務(wù)。日本SENSYN公司生產(chǎn)的無人機(jī)(圖7)，可在狹小空間、封閉空間和工廠高處等檢查工作，減少了人工作業(yè)的危險(xiǎn)。

圖6 自動巡回型無人機(jī)IBIS的模型飛機(jī)及顯示飛行

圖7 SENSYN無人機(jī)

此外，無人機(jī)在產(chǎn)業(yè)用服務(wù)方面,日本Teladolon公司已正式開展高空結(jié)構(gòu)物的超聲波無損檢查。在歐洲煉油廠,搭載超聲波傳感器的UT無人機(jī)(圖8)成功地對煙囪進(jìn)行非破壞檢查。日本自律控制系統(tǒng)研究所(ACSL)將在一兩年內(nèi)把物流PF2無人機(jī)(圖9)實(shí)用化。

圖8 搭載超聲波傳感器的UT無人機(jī)

圖9 ACSL的產(chǎn)業(yè)用PF2無人機(jī)

2.2 風(fēng)電葉片

美國Zoltek公司是全球知名的風(fēng)電葉片供應(yīng)商，50K Panax 35 PAN-CF年用量已超過2萬t，主要由匈牙利和墨西哥廠生產(chǎn)。其CFRP主梁板材(圖10)是由拉擠成型工藝制成的，鋪設(shè)葉片時(shí)簡便，使葉片外形更狹窄、更輕、更長、更剛硬、更強(qiáng)。

圖10 作為葉片結(jié)構(gòu)件的預(yù)固化CFRP主梁板材

圖11對比了CFRP葉片與全玻璃纖維葉片的長度與質(zhì)量的關(guān)系。

圖11 兩種不同材料葉片的長度與質(zhì)量的關(guān)系

2.3 汽車

帝人公司在葡萄牙的Inapal公司新設(shè)了面向汽車的CFRP部件的RTM設(shè)備，使部件注射成型時(shí)間僅20 s，并減重約30%。

三菱化學(xué)公司的CFRP片材模塑物(SMC)已開始供給豐田GR雅力士汽車，應(yīng)用于車頂部件(圖12)。SMC中的片材，是用長數(shù)厘米的短碳纖維分散于樹脂中，制成片狀的中間基材，通過壓制成型，只需2～5 min就可加工成CFRP部件。其與連續(xù)碳纖維浸漬于樹脂中制得的預(yù)浸料中間基材相比，可以形成復(fù)雜形狀的部件。其力學(xué)性能接近于均質(zhì)，因此更容易利用以往的部件設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度化。

圖12 豐田GR雅力士汽車的CFRP頂部組件

2017年，三菱化學(xué)公司的SMC用于豐田普銳斯混合動力汽車的門背骨架，及 “LC500”和“LC500h”雷克薩斯汽車的車門內(nèi)材和后備箱內(nèi)材。

日產(chǎn)汽車公司為加速CFRP在汽車上的應(yīng)用，開發(fā)了可將部件開發(fā)時(shí)間縮短約50%的模擬技術(shù)，并通過有效利用C-RTM(壓縮樹脂轉(zhuǎn)移模塑)技術(shù)，使部件成型時(shí)間可縮短80%(圖13)。

圖13 日產(chǎn)汽車公司利用C-RTM技術(shù)使部件成型時(shí)間可縮短80%

每輛汽車有兩三萬個(gè)部件，隨著發(fā)動機(jī)和電動機(jī)并用的混合動力車的快速發(fā)展和安全裝置的強(qiáng)化及智能化，部件數(shù)量有增多趨勢，為此其輕量化是重要課題。而輕量化還要與低成本化同時(shí)達(dá)成，為此簡化制造工藝、縮短成型時(shí)間是緊迫任務(wù)。目前CFRP主要應(yīng)用于高檔車和運(yùn)動車。

日產(chǎn)汽車公司所開發(fā)的模擬技術(shù)，是將透明模具和溫度傳感器組合起來，可以看到模具內(nèi)所浸漬的CF在樹脂中的流動情況。通過所試制的C-RTM工法，在CFRP制作中心柱增強(qiáng)方面，就可基于模擬結(jié)果在模具內(nèi)配置最適合形狀的波紋或溝槽，成型時(shí)間從以往的10 min縮短至2 min。

2.4 剎車片

大絲束PAN-CF已廣泛應(yīng)用于各種剎車和制動材料領(lǐng)域，Zoltek公司生產(chǎn)的Pyron預(yù)氧化纖維、PANEX 30纖維和PANEX 35纖維，可用于制作不同領(lǐng)域的剎車片。上述3種纖維的密度和碳含量各為1.40 g/cm3、67%，1.75 g/cm3、99.9%和1.81 g/cm3、95%。

C/C剎車片可使飛機(jī)更輕量化，具有更長的使用壽命，比鋼制剎車片的冷卻速率快得多，且轉(zhuǎn)向快。當(dāng)汽車使用C/C剎車片時(shí)，具有減重、使用壽命長和優(yōu)良的制動功率。

韓國DACC碳公司生產(chǎn)的電梯用碳纖維-陶瓷復(fù)合材料制動組件，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、高溫制動性能，優(yōu)良的耐磨性及優(yōu)良的抗熱沖擊性。圖14為電梯的結(jié)構(gòu)、緊急剎車裝置，其剎車片便是C/SiC剎車片。剎車片有3D型和2D型兩種，CF在SiC中呈縱向和橫向排布。

圖14 DACC碳公司電梯配套CF復(fù)材產(chǎn)品

2.5 氫燃料電池部件及儲氫高壓容器

目前發(fā)展較快的是汽車用燃料電池的CF電極材料，及CF纏繞高壓氣瓶和供氫站用高壓儲氫裝置，后者內(nèi)壓比前者至少高10～20 MPa。

東麗公司看好氫燃料電池新能源汽車快速發(fā)展的市場，因此除在日本和德國外，正探討在中國等新設(shè)與燃料電池相關(guān)CFRP部件的生產(chǎn)基地。東麗公司在德國的子公司正建設(shè)第二工廠，在匈牙利也準(zhǔn)備直接建設(shè)新廠。

在氫燃料儲存器方面，日本JFE容器公司最近開始銷售氫氣站用大容量、普及型的1型蓄壓器(圖15)，耐久性能為55萬次供氫，而以往產(chǎn)品為12萬次。其母公司JFE鋼公司與該公司自2015年便共同推進(jìn)其市場化，2018年上市的高性能輕量型2型蓄壓器，耐壓更高。該公司最近與Dolonworks公司共同開發(fā)氫燃料電池?zé)o人機(jī)用高壓氫容器(圖16)。2020年12月在日本首次取得特別許可，自2021年1月起氫燃料電池?zé)o人機(jī)可進(jìn)行空中飛行。氫燃料電池?zé)o人機(jī)所塔載的高壓氣體容器，從150 m高空掉下時(shí)，可確保其安全性，因此獲得了日本高壓氣體安全協(xié)會的評價(jià)認(rèn)可。

圖15 JFE容器公司面向氫氣站的1型蓄壓器

圖16 JFE與Dolonworks共同開發(fā)的氫燃料電池?zé)o人機(jī)用高壓氫容器

2.6 木質(zhì)公寓耐震補(bǔ)強(qiáng)

日本風(fēng)險(xiǎn)投資企業(yè)——設(shè)計(jì)與創(chuàng)新公司與北海道大學(xué)木材工學(xué)研究室，共同開發(fā)了用CFRP低成本進(jìn)行木制公寓的耐震補(bǔ)強(qiáng)。壽命20年以上的木制公寓，防震性能難以滿足使用要求，以往作為CFRP板的耐震補(bǔ)強(qiáng)，是用環(huán)氧樹脂粘合劑將它粘貼至混凝土或鋼結(jié)構(gòu)物上。而該公司卻用小螺釘貼附上去的方法，只要在柱子上用小螺釘將CFRP板固定這么簡單的工序，就可大幅度提高防震性能。試驗(yàn)顯示，即使超過極限耐力的地震使木制部件材料先遭破壞，而CFRP也可以邊遭破壞邊吸收地震能(圖17)。

圖17 設(shè)計(jì)與創(chuàng)新公司的CFRP補(bǔ)強(qiáng)法

帝人公司開發(fā)CFRP和木材集成的新型建材“LIVELY WOOD”,用它作為梁材時(shí)，剛性是木材的2倍，抗彎性能和設(shè)計(jì)自由度均可提高。

2.7 海洋石油設(shè)備修補(bǔ)技術(shù)

東麗公司和三井海洋開發(fā)公司共同開發(fā)了用CFRP修補(bǔ)各種海洋石油設(shè)備的新技術(shù)，包括浮體式海洋石油、天然氣生產(chǎn)儲存裝運(yùn)設(shè)備(FPSO)及浮體式海洋石油、天然氣貯存裝運(yùn)設(shè)備(FSO)。東麗擁有在狹小作業(yè)現(xiàn)場可以施工的CFRP真空成型技術(shù)。該新型修補(bǔ)技術(shù)采用高強(qiáng)高模CF制的特殊織物，與以往的鋼材修補(bǔ)法相比，搬運(yùn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備和材料容易，用人少，施工時(shí)間短，同時(shí)也可最大限度減小發(fā)生火災(zāi)的概率。

2.8 CFRP與木纖維增強(qiáng)樹脂混雜復(fù)合材料

美國赫氏(Hexcel)公司與捷克NaCa公司合作，將CF增強(qiáng)預(yù)浸料與木纖維增強(qiáng)樹脂相組合得到混雜復(fù)合材料，用于開發(fā)賽車用背板(圖18)，比典型的注射成型樹脂部件輕40%。

圖18 賽車用輕量混雜復(fù)合材料背板

2.9 低成本CFRP混雜成型技術(shù)

近期，東麗公司開發(fā)了將CF單向帶在注射成型機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)樹脂熔融、成型一體化的混雜注射成型技術(shù)，與一般的混雜成型技術(shù)相比，成本可降低70%。當(dāng)CFRP與鋼部件性能同等時(shí)，約可減重20%，可應(yīng)用于電動汽車電池箱、減震器(圖19)、車門內(nèi)沖擊梁、車頂骨架、電氣電子設(shè)備筐體等。這不但使汽車輕量化，而且使汽車重心降低，提高了行駛安全性。

圖19 汽車座椅(里面)的減震器成型品

2.10 CFRTP與超細(xì)纖維配合復(fù)合材料

圖20 超細(xì)鈦酸鉀纖維的復(fù)合材料片材貼附至CFRTP產(chǎn)品

日本大冢化學(xué)公司將含超細(xì)鈦酸鉀纖維的復(fù)合材料片材貼附至CFRTP部件上，形成光滑的表面(圖20)。超細(xì)鈦酸鉀纖維長度為10～20 μm，纖維直徑為0.3～0.6 μm，具有高強(qiáng)度、高剛性，可用于塑料補(bǔ)強(qiáng)材料、汽車用剎車片摩擦調(diào)整劑、精密濾材等；其纖維含有率為20%～30%時(shí)，復(fù)合材料片材尺寸穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)束語

總之，國外碳纖維產(chǎn)業(yè)受疫情的影響較大，而我國卻迎來大發(fā)展的機(jī)遇，在當(dāng)前嚴(yán)峻的國際形勢下，迫使我國加速碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，開發(fā)針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的“量身定制”系列產(chǎn)品，并使產(chǎn)業(yè)布局更趨合理，在此基礎(chǔ)上做大做強(qiáng)，預(yù)期到2030前我國有望發(fā)展成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國和消費(fèi)國。