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碳纤维复合材料市场增长迅速 |
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| http://cn.newmaker.com
5/7/2010 10:56:00 PM
国际塑料商情
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Richard Stewart
除了航空航天、赛车和高端运动制品外，碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料在许多新的制造领域的应用正逐渐增多，在这些领域内，材料成本是其次，性能、高强度和轻质才是主要的考虑因素。
碳纤维复合材料在航空业有着很长的应用历史，因为它们相对于铝合金具有显著的强度、刚度和重量优势。波音787客机一半的重量都是碳纤维复合材料，这使得飞机更坚固、更轻、更节油。
据航空咨询公司AeroStrategy调查，航空航天业占有碳纤维最大的市场份额：21%。2008年，在航空业对复合材料的需求中，CFRP占据了37%，玻纤增强塑料（GRP）占据了35%。波音和空客几乎占据了碳纤维需求量的60%。
AeroStrategy公司说，其他主要的使用CFRP的行业有工业（15%）、运动制品（14%）、风能（11%）和汽车（10%）。
供大于求
Lucintel公司在报告《碳纤维市场的增长机遇（2009-2013）》中指出，过去五年，全球碳纤维市场的增长百分比已经达到两位数，预计仍将继续增长，但增速会变缓，即从2008年的15亿美元增长到2014年的25亿美元。预计今年将增长1.8%，这主要是因为商用飞机和风能市场需求的增加。Lucintel说，碳纤维市场预计将随着经济的复苏在2010年以后反弹。
Lucintel看到：“从碳纤维供应商看来，过去六个月需求量随着全球经济的恶化已出现了明显下滑。同时，供应已经增加到一定程度，一些供应商现在有充足的碳纤维供应量。”
报告指出，主要的碳纤维生产商认为需求将会继续疲软，直到全球经济出现好转。
采用GFM的粘合剂和碳纤维及玻纤制成的混合预成型坯。
汽车行业
汽车行业使用的碳纤维复合材料一直比较少，主要是在高端汽车和赛车上。日本碳纤维制造商东丽（Toray）公司开发了一种碳纤维加工工艺，据说将为轻质低油耗汽车的大量生产开拓一条道路。
这种工艺结合了专有的树脂传递成型（RTM）技术和改进的树脂浸渍及固化技术，据说可以将CFRP部件的成型周期从160分钟缩短到10分钟。
CFRP部件比钢质部件轻50%，在碰撞中安全性能为后者的1.5倍。东丽公司开发CFRP汽车部件的项目得到了日本政府下属的新能源和工业技术机构的支持。
今年早些时候，东丽公司参股德国CFRP汽车和卡车部件生产商ACE公司，以扩大其在欧洲的汽车业务。东丽计划到2015年左右将CFRP汽车部件的销售额提高到500亿日元（约5.1亿美元）。
瑞典丝束展开（spread tow）碳纤维织物生产商Oxeon报道，其新的TeXtreme使F1赛车的车身板重量减轻25-30%。丝束展开的纤维技术使得12k或更大丝束制成的TeXtreme织物，可以取代由1k、3k和6k的碳纤维丝束制成的传统织物。
大丝束碳纤维的生产
碳纤维的原料
大多数碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）原丝制得的，首先PAN被拉成丝然后在高温氧气中加热。这一过程可以防止材料的燃烧，制得的纤维中碳原子紧密结合在一起，并用防护性浸润剂进行处理和涂覆，然后纺成不同粗细的纱。除了PAN，原丝也可以用沥青和纤维素制得。
碳纤维根据拉伸模量（纤维断裂瞬间的临界拉力）分类。低模量纤维的拉伸模量低于24 GPa（1 GPa=109 Pa）。而超高模量碳纤维德拉伸模量最高可达1000 GPa，因此它们的强度是钢的10倍，而重量轻5倍。（钢的拉伸模量为20 GPa。）
据美国田纳西州Oak Ridge国家实验室的交通材料研究组的现场技术经理C. David Warren介绍，在传统的碳纤维生产过程中，原丝的生产占总成本的51%。该实验室正在开发一种低成本的原丝，该原丝来自于造纸和乙醇生产过程中的副产品木质素和其他材料。
低成本碳纤维
Oak Ridge实验室的原丝项目还包括用聚烯烃制成的饮料瓶制备碳纤维。他说，“该工艺的问题是，需要一个昂贵的化学处理过程，这样一来就不经济了。” 但是该实验室最近实现了一项突破，并启动了一个正式的研究计划。
“我们很怀疑问题是否真的已经解决——那将是革命性的。” Warren说。他认为，如果成功，这项技术将会把碳纤维的生产成本降低三分之二。
美国的卓尔泰克（Zoltek）公司一直走在碳纤维商业化的前沿，公司总裁兼CEO Zsolt Rumy说，他们一直在努力提高原丝的生产效率，以提高碳纤维的生产能力，降低成本。他认为，碳纤维的价格在最近几个月，由于一些原因已经有所降低。
“最近，碳纤维行业产能的增加提高了供应量，而主要的航空项目的推迟和全球经济危机使得需求有所下降。” Rumy说，“另外，我们发现商品价格下降了，丙烯腈和能源成本的下降明显，它们是碳纤维生产过程中投入最大的两项成本。” Rumy不认为近期碳纤维价格会有较大变化，但他说波音787梦幻飞机的进展将开始消耗碳纤维产能。
“几千磅的碳纤还是比较容易买到的，而10万磅（约45吨）以上的长期合同所能找到的货源是很少的。实际上，我们可能是唯一可以做到这一点的公司。”Zoltek目前的年产能为2900万磅（13150吨）。Rumy说，他们可以在六个月内迅速建成新的碳纤维生产线并投入运营，以满足市场需求。
“我们可以快速改变丙烯酸纤维织物生产厂，使其在非常短的时间内开始生产原丝。例如，最近我们在墨西哥收购了一家丙烯酸纤维织物工厂，并让其在一年之内开始生产原丝。”他继续说，“Zoltek已经大大提高了单向和多向纤维织物的产能，并开发了一种更容易灌注的碳纤维织物。我们相信适合灌注的碳纤维织物将促使采用玻纤织物进行灌注的客户转而使用碳纤。”
ASC公司为美国Vought飞机公司生产的超大高压釜：内径9.14米、长23.2米
风能行业
全球风能行业正飞速增长，并消耗着越来越多的复合材料。风机有各种尺寸。大功率风机叶片的长度超过40米，而且将来会越来越长，以提高风机的能源产生效率。
制造商发现风机叶片越来越长，与玻纤相比，碳纤维复合材料的刚度优势超出了它们的成本差异。
Zoltek认为，碳纤维行业近期的增长动力来自于风能市场以及CNG储罐和航空业。Rumy认为风能行业的基础仍然强劲，年增长率将继续保持在20-25%。他说，Zoltek开发了一种低成本的预浸料，用于风机叶片中局部重量较大的部件的制造。
自动化生产
在先进复合材料的生产中，自动化铺带机（ATL）和纤维铺放系统（FPS）用于降低人工铺放的成本。CNC铺带机可以自动将树脂预浸渍的连续纤维带放到模具上。纤维铺放系统用CNC引导头将预浸渍的连续碳纤维原丝铺放在心轴上制成部件。
美国的MAG公司生产自动化加工系统，例如Viper®纤维铺放系统，该系统可进行纤维带铺放和纤维缠绕，由先进的计算机控制。Viper可以作7轴运动，非常适合带曲面的飞机结构的制造，例如整流罩、管道和机身部件，以及压力容器、锥形外壳和风机叶片、加强杆和C型通道。该公司还生产Charger®系列纤维带铺放机。
法国的FPS和ATL生产商Forest-Liné开发了一种CAM软件TapeLay®软件包，与CATIA V5®共同用于单双曲面复合材料部件的制造，Forest-Liné提供的全自动铺层系统可用来切割或在凹下或凸起的部件上铺放50-150毫米宽的预浸料。
美国的Entec复合材料机械公司隶属于Zoltek。该公司说，他们开发了第一台数控纤维缠绕机和第一个原型模拟软件FiberGrafiX™。Entec的纤维缠绕设备简化了50k的商品级碳纤维原丝的缠绕，提高了缠绕速度，可以快速铺放大量纤维。
预成型坯的生产
复合材料中的增强织物一般是通过缝编加入到预成型坯中的。
德国领先的直升机制造商Eurocopter和几个合作伙伴开发了一种预成型坯生产技术，采用先进的缝编技术和新型热粘接工艺将无卷曲的多轴向织物连接在一起。该工艺通过减少人工操作，降低了制造成本，同时提高了制品的重复性和复杂部件的生产灵活性。
此外，美国的V2复合材料公司开发了一种专利的不脱散的缝编技术，减少了多轴向织物的脱散现象。该公司专业采用其独特的V-Locktm缝编技术来设计和生产定制的增强织物。V-lock还防止了边缘的磨损，使得多轴向织物比传统缝编织物更稳定。
“纳米缝编”预成型坯
麻省理工大学（MIT）的工程师们正利用碳纳米管将几层碳纤维材料“缝编”在一起，这可能会使飞机外壳和其他产品的强度提高10倍，而增加的成本微不足道。MIT航空航天学院的Brian L. Wardle教授说，传统缝编技术要使用较大的针，从到会对碳纤维织物造成损坏，而碳纳米管解决了这一问题。
“纳米缝编”织物的每个碳纤维层上都排列着几亿根正交的碳纳米管，层间的聚合物“胶”采用热处理工艺融化。
Wardle解释说，碳纳米管融化时被吸入到聚合物中，填充在碳纤维周围的空隙内，从而将纤维层“缝编”在一起。既然纳米管比碳纤维小1000倍，那么它们就不会引起损伤。他认为，复合材料中只要含有1%不到的纳米管，性能就可以得到巨大的提高，而成本只会增加百分之几。
美国的GFM公司正在开发一种低能耗的碳纤维预成型粘合剂。除了专有的粘合剂外，该公司还生产各种机械设备，包括用于预浸料和干材料的超声切割、处理和成型的机械。 
碳纤维工业用部件比金属更坚固也更轻
GFM公司研发经理Dan Buckley说：“低能耗的碳纤维粘合剂已经处于最后的开发阶段，其化学成分比较复杂，采用厌氧固化系统。”
新型粘合剂在150°F（65.5℃）左右固化，因此可以在大气压力下进行处理。抽真空并升温后固化过程就启动了。
Buckley在复合材料加工和相关领域拥有多项专利，是塑料工程学会复合材料分会的创建者之一。他认为，随着树脂转移和真空灌注工艺的逐渐普及，干性增强材料的需求将会增长。另外，碳纤维预浸料和CFRP用织物的需求也会增长。
复合材料的设计软件
计算机设计软件在高性能复合材料复杂结构的生产中起着重要作用。美国的VISTAGY公司提供专业的工业设计软件和服务，并促进了复合材料在航空、高性能汽车、船艇和风能行业的使用率。
VISTAGY的FiberSIM®是一套全面的软件组合，可用于整个复合材料设计过程，从概念、层压板定义和和制造到模拟、性能优化、文件形成和制造。
“复合材料具有多种潜在优势，但复合材料较金属等传统材料更加复杂。”VISTAGY公司总裁兼CEO Steve Luby说，“因此如果想要开发出复合材料的最大价值，必须要拥有正确的工具和方法论。讽刺的是，当制造商利用复合材料获得了巨大的效能后，他们却用得少了。”
工艺的创新
电热碳纤维模具获得了2008年JEC的工艺类创新奖，该模具充分利用了碳纤维的导电性。德国的多特蒙德应用科学及艺术大学和Fibretech复合材料公司共同开发了这一技术。评委说，该技术的创新点在于碳纤维的排列方式。虽然只有一个方向的纤维可以获得电能，但垂直方向的纤维也可以导电。
模具由蜂窝芯材和两层碳纤维制成的两个外壳构成。评委说，该模具是为大型部件的生产而开发的，模具在热固化过程中具有很高的机械和尺寸稳定性，确保了成型部件的尺寸精度。多特蒙德大学为该技术创建了一个许可系统，并提供全套的生产系统。
另一种创新产品Econoclavetm 2×4是美国ASC公司开发的高压釜，直径为2英尺（62 cm），长4英尺（122 cm），用于研发机构和大学中的小规模生产。
Econoclave 3x5是另一种较大的高压釜，尺寸为3 ft×5 ft（91 cm×152 cm）。2006年该公司曾经为美国的Vought飞机公司生产过一个内径为9.14米、长23.2米的高压釜。
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