世界知名碳纖維供應(yīng)商MAICarbon公司將在2020年使德國(guó)成為世界碳纖維材料研究開發(fā)中心，讓汽車上的金屬材質(zhì)零部件逐步被碳纖維材料取代。
“外柔內(nèi)剛”的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料
1861年，愛迪生把碳絲作為燈絲材料，成功發(fā)光45小時(shí)，把人類帶進(jìn)電燈時(shí)代。
隨著燈泡中碳絲被鎢絲替代，碳絲被丟進(jìn)歷史角落近一個(gè)世紀(jì)。
直至20世紀(jì)50年代，美國(guó)空軍在尋找耐燒熔材料時(shí)得知碳熔點(diǎn)高達(dá)3727℃并具有耐高溫、高強(qiáng)度特性，便將碳絲再次請(qǐng)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)明了碳纖維。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)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(jī)纖維沿纖維軸向堆砌而成、經(jīng)碳化和石墨化處理而形成的微晶石墨材料。
碳纖維“外柔內(nèi)剛”，重量比金屬鋁小，強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且在有機(jī)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(zhì)特性，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。
碳纖維耐疲勞，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)電導(dǎo)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，然后再浸潤(rùn)碳纖維面料，經(jīng)過一系列固化處理，便形成碳纖維復(fù)合材料。這種材料具有傳統(tǒng)金屬材料所沒有的優(yōu)點(diǎn)。
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(huì)變得堅(jiān)固。這就是碳纖維從紙般柔軟到鋼鐵般強(qiáng)硬的質(zhì)變過程。
東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師潘鼎在接受《中國(guó)汽車報(bào)》記者采訪時(shí)說：“碳纖維抗拉強(qiáng)度是鋼的4倍以上，比重不到鋼的四分之一。”因此，“越結(jié)實(shí)就越重”的傳統(tǒng)觀念被徹底顛覆。
低密度讓碳纖維更是被廣泛地用于大型飛機(jī)制造。比如，空中客機(jī)A350與A380、波音787均用碳纖維復(fù)合材料來(lái)降低油耗。另外，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、賽車和高端自行車車身業(yè)大量使用碳纖維復(fù)合材料，這是碳纖維復(fù)合材料需求量增加的重要原因。
中國(guó)汽車工業(yè)咨詢委員會(huì)原秘書長(zhǎng)陳光祖在接受記者采訪時(shí)說：“碳纖維彈性很好，陷下去，能夠彈起來(lái)；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(yùn)用碳纖維，技術(shù)問題不大，*還是價(jià)格問題。另外，碳纖維大量使用以后的回收是一大難題。”陳光祖希望業(yè)界人士系統(tǒng)地考慮碳纖維問題。
碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合成復(fù)合材料。這種復(fù)合材料繼承了碳纖維本身的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞強(qiáng)度和吸能抗震性等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)繼承了環(huán)氧樹脂配方設(shè)計(jì)靈活多樣等特點(diǎn)。與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比，碳纖維復(fù)合材料減重效果可達(dá)20％至40％。與鋼類金屬件相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果可達(dá)60％至80％。
應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，能夠減輕整車重量，更對(duì)汽車制造工藝產(chǎn)生深刻影響。
隨著碳纖維復(fù)合材料在汽車上的用量增加，汽車制造四大工藝沖壓、焊接、涂裝和總裝將發(fā)生變化。比如，沖壓將被模壓和鍛造工藝替代；整車組裝將不再需要那么多焊接；有些汽車甚至基本上不再需要涂裝；整車變成幾十個(gè)模塊，組裝節(jié)奏將會(huì)變得非?？?。這樣一來(lái)，總裝線投入成本隨之下降。因此，碳纖維復(fù)合新材料的大規(guī)模應(yīng)用會(huì)降低汽車制造行業(yè)準(zhǔn)入門檻。
碳纖維與一種塑料聚合樹脂結(jié)合在一起，變成工業(yè)喜愛的堅(jiān)硬且輕便的化合物材料。但是，在生產(chǎn)過程中，每一片化合物材料都由工人手動(dòng)拆分，很浪費(fèi)。
如果有人能夠從垃圾填埋場(chǎng)分離出碳纖維，就可以回收碳纖維。碳纖維制造過程消耗大量能量。使用可回收碳纖維，還可以節(jié)省不少能量。
關(guān)鍵是碳纖維并不像鋁那樣可以簡(jiǎn)單熔化和再塑型。碳纖維化合物以長(zhǎng)而*的碳纖維排列獲得強(qiáng)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(shù)堅(jiān)硬的聚合物將無(wú)法通過熔化、燃燒或化學(xué)溶解獲得有價(jià)值的纖維。
在國(guó)際上，有的企業(yè)通過燃燒聚合物進(jìn)行碳纖維回收，有的企業(yè)以化學(xué)處理方法回收碳纖維。無(wú)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(jīng)常用于網(wǎng)球拍和高爾夫球桿這樣的重輕量、輕強(qiáng)度的產(chǎn)品生產(chǎn)。它仍舊是一種很好的材料，卻并不比鋁和低成本化合物材料表現(xiàn)更好。
碳纖維在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景
汽車用碳纖維材料，可以有效降低自身重量，同時(shí)能大幅度減少油耗、降低污染和提升制動(dòng)性能。
成本高是碳纖維復(fù)合材料在汽車上批量應(yīng)用的重要制約因素。碳纖維復(fù)合材料成本高，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)成本高，二是碳纖維復(fù)合材料原材料價(jià)格成本高。當(dāng)前，市場(chǎng)上每公斤碳纖維價(jià)格在120元人民幣以上，是玻璃纖維價(jià)格的10倍以上。
中德智能制造聯(lián)盟零部件專業(yè)委員會(huì)主任路東在接受記者采訪時(shí)說：“碳纖維在飛機(jī)上用得較多。汽車使用碳纖維，可以實(shí)現(xiàn)輕量化，但意義不大。其主要問題是合算不合算。碳纖維應(yīng)用在汽車上，價(jià)格很高。僅一根碳纖維大梁，價(jià)格就超過3萬(wàn)元。連寶馬、奔馳等高端品牌汽車，都很少用碳纖維。因?yàn)閲?guó)內(nèi)*汽車不多，單價(jià)在15萬(wàn)元以上的汽車很少，所以，碳纖維在國(guó)內(nèi)汽車上推廣應(yīng)用前途很有限。”
“我們的汽車碳纖維產(chǎn)品正處在試用階段。很多廠家都在試用我們的碳纖維大梁、碳纖維轉(zhuǎn)動(dòng)軸、碳纖維保險(xiǎn)杠和碳纖維車門。碳纖維產(chǎn)品不生銹、重量輕、能耗低、耐疲勞，安全性好。汽車工業(yè)推廣應(yīng)用碳纖維產(chǎn)品，*難題是價(jià)格很高。中低端汽車用不起碳纖維產(chǎn)品。高端汽車用少量碳纖維產(chǎn)品。”海內(nèi)*民用碳纖維生產(chǎn)企業(yè)中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司銷售經(jīng)理李懷京認(rèn)為，汽車工業(yè)能否推廣應(yīng)用碳纖維，很難說。
“沒有碳纖維，汽車工業(yè)沒法發(fā)展。”潘鼎語(yǔ)出驚人。
陳光祖說：“汽車輕量化發(fā)展，首先經(jīng)歷過車身鋼板變薄。之后，鋁合金變得時(shí)髦，還有重量比鋁合金更小的鎂合金，*用碳纖維。碳纖維肯定能夠在汽車上推廣應(yīng)用。生物纖維環(huán)保，可回收，應(yīng)用前景廣大，要有時(shí)間表，有步驟。”
潘鼎接著闡述道：“碳纖維已經(jīng)在汽車和飛機(jī)上用得相當(dāng)多了。碳纖維雖然價(jià)格高一點(diǎn)，但是碳纖維大梁、碳纖維保險(xiǎn)杠已經(jīng)用得很好。寶馬汽車是用碳纖維用得*的汽車，是汽車上用碳纖維的成功典型。它重量輕、省油、排污少。碳纖維在汽車上的應(yīng)用前景廣闊。”
進(jìn)一步談及汽車用碳纖維的好處，陳光祖指出：“飛機(jī)上鋁合金已經(jīng)改成碳纖維了。汽車工業(yè)愛上新材料。新型汽車發(fā)展是從發(fā)展新材料開始的。推廣應(yīng)用碳纖維是汽車工業(yè)發(fā)展方向?，F(xiàn)在有成本問題。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋用碳纖維，核心好處不是減輕重量，而是更加安全。不少?gòu)S家已經(jīng)把發(fā)動(dòng)機(jī)金屬蓋改成碳纖維蓋了。車門隔板過去用塑料，現(xiàn)在改成生物纖維，可以保證安全，可以降解，無(wú)害。美國(guó)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(qiáng)度粘結(jié)劑粘結(jié)，再用鉚釘固定。推廣應(yīng)用碳纖維，技術(shù)問題不大，*還是價(jià)格問題。”
山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授朱波在接受記者采訪時(shí)說：“在發(fā)展碳纖維方面，我們以技術(shù)開發(fā)為主，為板簧、蓋、殼和保險(xiǎn)杠等零部件企業(yè)提供技術(shù)支持。發(fā)展碳纖維，工藝沒有問題，已經(jīng)有成功案例。碳纖維推廣應(yīng)用前景總體不錯(cuò)，需要用戶支持。批量小，成本就高。自動(dòng)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。”
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