策劃/執(zhí)行 本刊記者 寧翠娟

近兩年來國(guó)內(nèi)碳纖維的發(fā)展取得了可喜的成績(jī)。1月8日，在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司、東華大學(xué)和江蘇鷹游紡機(jī)有限公司共同完成的“干噴濕紡千噸級(jí)高強(qiáng)/百噸級(jí)中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲了2017年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。近日該公司再傳喜訊，其T1000級(jí)碳纖維工程化取得突破性進(jìn)展，完全自主研發(fā)的百噸級(jí)T1000碳纖維生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)且運(yùn)行平穩(wěn)。

而在國(guó)際上，碳纖維的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用也在2017年得到了極大的發(fā)展，來年市場(chǎng)的普及化有望進(jìn)一步提高，但不可否認(rèn)我們?nèi)匀幻媾R挑戰(zhàn)。2017年年末在查爾斯頓舉行的CompositesWorld年度碳纖維會(huì)議上，一場(chǎng)來自碳纖維相關(guān)巨頭公司的對(duì)話對(duì)于行業(yè)未來的發(fā)展頗具啟發(fā)。

在應(yīng)用領(lǐng)域的成長(zhǎng)與挑戰(zhàn)

對(duì)于碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，通用汽車公司工程組經(jīng)理Mark Voss系統(tǒng)地闡述了該領(lǐng)域?qū)?huì)面臨的挑戰(zhàn)。Mark Voss主要研究開發(fā)體結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料，根據(jù)他在Corvette車系中應(yīng)用碳纖維面板的經(jīng)驗(yàn)，他建議，盡可能選擇熟悉的材料形式和加工技術(shù)，可控性是新型碳纖維部件成功的關(guān)鍵。并且盡可能在新應(yīng)用中限制“新聞”的產(chǎn)生，也就是說限制汽車行業(yè)的新技術(shù)和流程的數(shù)量。因?yàn)樵谔紡?fù)合材料中，材料和工藝的變量本來就很多，當(dāng)盲目地加入熟悉度不高的新事物時(shí)，實(shí)施結(jié)果的復(fù)雜性將會(huì)被大大擴(kuò)大。他用一個(gè)數(shù)據(jù)作為例證，當(dāng)我們?cè)贏類表面上工作時(shí)，變量會(huì)被放大100倍。

Mark Voss還強(qiáng)調(diào)了連接技術(shù)對(duì)于引入碳元件的重要性，這些碳元件必須與汽車結(jié)構(gòu)中的不同材料結(jié)合在一起。此外，目前碳材料的成本較高，使得碳復(fù)合材料的成本競(jìng)爭(zhēng)力看似很低，但是，他建議大家高瞻遠(yuǎn)矚，考慮一下廢鋼的成本，那么選擇碳纖維終究是一條明智的路?！拔曳浅Ｆ诖吹竭@個(gè)房間里的人，在未來20年帶給我們的是什么。”他在發(fā)言的最后說道。

美國(guó)波士頓勒克斯研究所的Anthony Vicari報(bào)告了碳纖維行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，到2020年，碳纖維產(chǎn)能預(yù)計(jì)達(dá)到15.1萬噸/年，實(shí)際產(chǎn)量預(yù)計(jì)減少約10%～20%。到2025年，碳纖維的需求預(yù)計(jì)將達(dá)到22.8萬噸/年，其中風(fēng)能和航空業(yè)增長(zhǎng)最快。如果這些數(shù)據(jù)真的實(shí)現(xiàn)了，那么在2025年之前，汽車上碳纖維的利用普及率將會(huì)提高，不再為豪華車型獨(dú)享。

他還說道，鐵路、建筑維修和大型海洋船舶領(lǐng)域?qū)ΣＡт摚ㄌ祭w維增強(qiáng)樹脂材料）的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。在鐵路領(lǐng)域，如果用玻璃鋼制的轉(zhuǎn)向架取代鋼鐵的話，可以將鐵路車輛的重量減輕近1 噸，并且耐腐蝕性很好，可以提高維護(hù)和使用壽命。此外，碳纖維在橋梁維修上也有大市場(chǎng)，目前玻璃鋼的制備和使用技術(shù)非常成熟，但基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)還沒有把注意力放到這上面。這一切的激發(fā)點(diǎn)只需要等時(shí)機(jī)成熟，比如等美國(guó)LeMond復(fù)材所和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出低成本的碳纖維，再委托制造商代工生產(chǎn)，或是等由FARO Technologies和Oxford Performance Materials等創(chuàng)新廠商開發(fā)出的改進(jìn)修復(fù)技術(shù)。

在風(fēng)能領(lǐng)域，碳纖維的路可能不會(huì)太順，已經(jīng)不止一位發(fā)言人指出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商正在尋找高模量玻璃纖維而不是碳纖維。美國(guó)能源部桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)子氣動(dòng)彈性主管Brandon Ennis引用市場(chǎng)信息咨詢公司MAKE提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出價(jià)格、供應(yīng)鏈以及制造敏感性問題正是風(fēng)力渦輪機(jī)制造商努力擺脫碳排放的原因。

Brandon Ennis強(qiáng)調(diào)，風(fēng)能應(yīng)用需要碳技術(shù)人員從航空航天的性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向成本驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。盡管2015年，碳在4兆瓦～8兆瓦的渦輪葉片中沒有什么應(yīng)用，但是Sandia、ORNL和蒙大拿州立大學(xué)已經(jīng)開始為期兩年的聯(lián)合研究，他們正在評(píng)估具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的定制碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中應(yīng)用的商業(yè)可行性。所以，未來在5兆瓦以下和10兆瓦以上的渦輪機(jī)中使用一些碳材料還是可能的。

復(fù)合材料回收可打開全新市場(chǎng)

因?yàn)槭褂米儚V，碳纖維增強(qiáng)樹脂材料對(duì)有效回收利用技術(shù)的依賴性更高。雖然目前大多數(shù)回收利用都集中在碳纖維增強(qiáng)樹脂材料加工工藝的廢料上，但是隨著回收廢舊復(fù)合材料部件的需求日益增加，到21世紀(jì)20年代后期，其將占回收廢棄物的很大一部分。就復(fù)合材料的回收問題，Mark Voss和Anthony Vicari等人成立了一個(gè)討論組，由復(fù)合材料回收技術(shù)中心的Geoffrey Wood主持。

Geoffrey Wood強(qiáng)調(diào)復(fù)合廢料流可以通過打開全新的市場(chǎng)，使碳纖維銷量變高，因?yàn)檫@將使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的產(chǎn)品成本更低。隨著自動(dòng)化程度和零件加工效率的提高，未來廢鋼產(chǎn)量將會(huì)減少，復(fù)合材料行業(yè)需要做更多事情，以便搶占更替環(huán)節(jié)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

數(shù)據(jù)顯示，可回收碳纖維的市場(chǎng)可達(dá)5.5萬噸/年，每年可提供5萬噸回收廢料。ELG碳纖維有限公司的Frazier Barnes指出，碳纖維每年預(yù)計(jì)產(chǎn)量12萬噸，但是需求量高達(dá)22.5萬噸/年，巨大的差距可由回收碳纖維來彌補(bǔ)。同時(shí)，回收碳纖維比回收金屬和塑料更具競(jìng)爭(zhēng)力。

使用再生纖維的鐵路轉(zhuǎn)向架，圖片來源：哈德斯菲爾德大學(xué)。

目前ELG公司在回收碳纖維上已經(jīng)取得了一些成就，其碳回收材料已經(jīng)在美國(guó)的19輛車上進(jìn)行了6個(gè)月的道路測(cè)試。如果此次測(cè)試通過的話，每年將有20萬輛車在車身上利用6公斤的碳回收材料。

除此項(xiàng)目外，其他可商業(yè)化生產(chǎn)的項(xiàng)目包括：（1）導(dǎo)軌轉(zhuǎn)向架，使用壓縮成型預(yù)浸料，使用80%碳回收纖維和20%原碳纖維制成的碳纖維增強(qiáng)樹脂材料導(dǎo)軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，可使切割重量減輕75%，輪對(duì)軌載荷減少40%；（2）汽車油盤，使用包覆碳纖維填充熱塑性塑料的碳回收纖維制造墊坯，一次性實(shí)現(xiàn)凈形部件，與玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）相比，可節(jié)省30%的重量；（3）座椅，相對(duì)于13公斤的原始金屬部件，用碳回收材料可提供重量?jī)H為2.5公斤的部件。

對(duì)于目前尚未解決的難題，F(xiàn)razier Barnes認(rèn)為，回收碳纖維面臨最大的挑戰(zhàn)就是鑒定和顯示纖維與部件的一致性。

波音公司的目標(biāo)是零廢物制造，包括零填埋垃圾、零危險(xiǎn)廢物、零吸水量和零溫室氣體排放量。來自波音公司的Tia Benson Tolle說：“實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是使復(fù)合材料部件的制造變得更加有效，最大限度地從上到下減少?gòu)U物?！?/p>

碳轉(zhuǎn)化公司正在用碳回收纖維生產(chǎn)五種不同系列的產(chǎn)品。碳轉(zhuǎn)化公司的Mark Janney列舉了幾個(gè)閉環(huán)復(fù)合材料制造的例子，比如美國(guó)甲骨文賽車隊(duì)與碳轉(zhuǎn)換公司合作，回收了其中一艘賽車游艇；新西蘭的Core Builders Composites公司用碳回收纖維產(chǎn)品生產(chǎn)下一代船只；Trek自行車車架被Crawford Composites公司重新應(yīng)用到碳回收產(chǎn)品中建立方程式賽車等。

在2016年后期，Hexcel對(duì)碳轉(zhuǎn)化公司進(jìn)行投資，資助其加強(qiáng)對(duì)重復(fù)利用和全生命周期收集處理方面的研發(fā)活動(dòng)。此外，ELG碳纖維公司和碳轉(zhuǎn)化公司都提到，碳回收產(chǎn)品的平整度和一致性很好，進(jìn)行后期維修處理的客戶數(shù)量已經(jīng)急劇減少。

據(jù)日本東麗工業(yè)株式會(huì)社的北野介紹，東麗位于南卡羅來納州斯巴達(dá)堡的新型碳纖維生產(chǎn)設(shè)施將于2018年開始運(yùn)營(yíng)，此前，東麗已經(jīng)在日本在線生產(chǎn)碳回收纖維設(shè)施。

前沿技術(shù)亮點(diǎn)

自適應(yīng)模具系統(tǒng)

自適應(yīng)模具系統(tǒng)由丹麥的ADAPA公司開發(fā)，據(jù)其與會(huì)代表Christian Raun介紹，該系統(tǒng)使用數(shù)字控制，可用簡(jiǎn)單設(shè)備將塑料、混凝土、玻璃和復(fù)合材料成型成各種簡(jiǎn)單的雙曲線形狀，并且加工出的產(chǎn)品種類多，用單一的成型系統(tǒng)可加工出曲面半徑小于200毫米的曲面和面積大至6米×2米的平面板。在生產(chǎn)中使用的工藝包括：樹脂灌注處理、熱塑性塑料的熱成型、泡沫芯的成型和UV固化樹脂復(fù)合材料的成型。

可一分鐘快速固化的預(yù)浸料

生產(chǎn)出可一分鐘快速固化預(yù)浸料的公司是索爾維公司，其設(shè)計(jì)的初衷是能夠滿足自動(dòng)化加工過程和一分鐘節(jié)拍過程的需求。這種SolvaLite 730預(yù)浸料使用了高性能不飽和乙烯基酯，性能接近于典型的環(huán)氧樹脂，但是焓低、加工速度快、室溫穩(wěn)定性好和無粘性。

Lewis Williams認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)一分鐘節(jié)拍過程的關(guān)鍵是：加熱過程中要預(yù)留預(yù)熱時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間；要有快速的關(guān)閉工具；整個(gè)模具表面的溫度應(yīng)一致。同時(shí)，他也認(rèn)為，這類乙烯基酯類預(yù)浸料還有很大的發(fā)展空間，索爾維將在提高性能、降低成本的方向上繼續(xù)努力。

低成本碳纖維

低成本碳纖維是集眾人努力產(chǎn)出的成果，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā)，美國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料制造研究所負(fù)責(zé)商業(yè)化過程中所需要的數(shù)據(jù)資料。迄今為止，研究發(fā)現(xiàn)的低成本碳纖維（LCCF）的質(zhì)量與工業(yè)級(jí)別的碳纖維產(chǎn)品相當(dāng)。

可再生丙烯腈

丙烯腈是碳纖維的關(guān)鍵前體，之前幾乎全部是從石油中提取，但最近南方研究公司已經(jīng)設(shè)立試點(diǎn)工廠，發(fā)展非石油基的丙烯腈，其用一種糖碳轉(zhuǎn)化的技術(shù)制備丙烯腈，南方研究公司的與會(huì)代表Amit Goyal對(duì)此進(jìn)行了介紹。

預(yù)計(jì)到2019年，該試點(diǎn)工廠年將產(chǎn)出0.5噸丙烯腈，南方研究公司的目標(biāo)是在2021年底前，能夠有一個(gè)年生產(chǎn)量達(dá)5000噸的可再生丙烯腈商業(yè)工廠。丙烯腈的商業(yè)化生產(chǎn)預(yù)計(jì)可使成本低于1美元/噸，如果這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的話，可再生丙烯腈將使制造成本降低15%～20%。