袁 帥，鄭 莉，楊雪嘉，李 璐，游 立

綜述

碳纖維3D編織技術(shù)及其在新能源領(lǐng)域應(yīng)用綜述

袁 帥，鄭 莉，楊雪嘉，李 璐，游 立

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

經(jīng)3D編織技術(shù)制成的碳纖維復(fù)合材料，因其獨(dú)特的高強(qiáng)高模優(yōu)異性能，在新能源、航天、船舶、軍工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文從特性與分類、3D編織技術(shù)、材料制備工藝以及國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家等方面介紹了碳纖維3D編織技術(shù)，并探討了該技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來(lái)應(yīng)用方向。

碳纖維 3D編織技術(shù) 新能源

0 引言

碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的優(yōu)良性能，制備成復(fù)合材料之后應(yīng)用廣泛。碳纖維通過(guò)3D編織技術(shù)形成的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，一方面可整體異型制件、具有優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性，另一方面它打破了層板復(fù)合材料易分層開裂、側(cè)面強(qiáng)度低、抗沖擊力差的缺點(diǎn)。[1]

1 碳纖維

1.1 碳纖維材料特性

碳纖維，一種碳含量在90%以上的微晶石墨集合體，具有高強(qiáng)度高模量低密度輕質(zhì)量的特點(diǎn)。它的強(qiáng)度是鋼鐵的16倍，楊氏模量是傳統(tǒng)玻璃纖維的2～3倍。作為新一代纖維，它兼具纖維的柔軟性與碳材料耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕等本征固有屬性。碳纖維復(fù)合材料，由金屬、陶瓷、樹脂等基體與碳纖維復(fù)合制作而成，其中樹脂碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量位居現(xiàn)今工程材料之首。

表1 碳纖維及其它材料性能對(duì)比

1.2 碳纖維材料分類

根據(jù)不同原材料，達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的碳纖維材料，可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維三類。其中，PAN基碳纖維因其綜合性能最好、價(jià)格適中、生產(chǎn)難度低、品種多占據(jù)絕對(duì)主要地位，份額達(dá)90%以上，其次是瀝青基碳纖維約占6～8%，黏膠基碳纖維產(chǎn)量最低。

表2 三類原材料碳纖維對(duì)比

根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維可按照絲束大小進(jìn)行分類，可分為大絲束碳纖維（工業(yè)級(jí)碳纖維）和小絲束碳纖維（宇航級(jí)碳纖維）兩類。通常大于等于48000（48 K）根/束可稱之為大絲束碳纖維，主要有50、60、120、240、360 K等；反之稱為小絲束碳纖維，主要有1、3、12、24 K等，是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品[1]。

表3 兩類絲束碳纖維對(duì)比

2 3D編織技術(shù)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3D編織技術(shù)是二十一世紀(jì)最重要的紡織技術(shù)，它具有4點(diǎn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。第一，理論上可以制成任意厚度的3D預(yù)制件，且明顯區(qū)別于層板結(jié)構(gòu)，其在厚度方向可以進(jìn)行增強(qiáng)。第二，通過(guò)該技術(shù)編織的材料不受形狀規(guī)則影響可制成異型整體件。第三，預(yù)制件的紗線結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性。第四，該技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，可與碳纖維等高性能材料兼容。[2]

2.2 編織工藝

3D編織技術(shù)在二維編織的基礎(chǔ)上，將相同方向排列的纖維相互交織構(gòu)成網(wǎng)狀的整體結(jié)構(gòu)，再將交織面拉緊形成無(wú)縫連接，從而獲得三維結(jié)構(gòu)。目前最常用編織方式包括極線編織、斜線編織、正交線編織和繞鎖線編織4種，編織形式有方形編織和圓形編織2種。[3]

從編織方法來(lái)統(tǒng)計(jì)，主流的為二步法3D編織和四步法3D編織。其中二步法編織必須有編織紗和軸紗兩個(gè)紗線系統(tǒng)，編織紗根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡在軸紗間交互編織，而軸紗保持靜止并被編織紗打緊，從而制成預(yù)制件。由于紗線的一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)分為兩步，經(jīng)兩步后恢復(fù)初始狀態(tài)，故而稱作二步法。四步法編織的紗線系統(tǒng)既可以是編織紗一個(gè)也可以是軸紗和編織紗兩個(gè)。其編織紗的攜紗器沿z形軌跡在橫向和縱向間運(yùn)動(dòng)，沿斜向穿行于紗線系統(tǒng)內(nèi)部直至邊界后返回內(nèi)部至初始位置，軸紗則均勻分布在編織紗中間并被圍繞。由于紗線的一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)分為z形運(yùn)動(dòng)、斜向穿行、邊界停頓、返回原位四步，故而被稱作四步法。[4-5]

3 3D編織碳纖維復(fù)合材料

3D編織碳纖維復(fù)合材料的制備過(guò)程大致為：根據(jù)所需要的結(jié)構(gòu)形狀采用3D編織技術(shù)將纖維束織成預(yù)型件，將此作為增強(qiáng)骨架進(jìn)行浸膠固化而直接制成3D編織復(fù)合材料。

圖1 3D編織及市場(chǎng)上已有的碳纖維制品

3D編織需要專門的自動(dòng)化編織機(jī)，使用CAD/CAML軟件提前進(jìn)行碳纖維束的排列布局設(shè)計(jì)，并對(duì)3D編織軌跡實(shí)行動(dòng)態(tài)模擬，即可根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化3D編織。預(yù)型件制作完成后，采用RTM或RFI液體樹脂成型工藝浸膠固化，可方便地與其他結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)共固化的整體成型，不僅提高了產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量，還簡(jiǎn)化了成型工藝，有效地降低了生產(chǎn)成本。圖2所示為用編織預(yù)型件與RTM成型的飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件。

圖2 用3D編織與RTM成型的直升機(jī)起落架

4 碳纖維3D編織機(jī)設(shè)備廠家

在國(guó)際上，歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均有不同程度的3D編織機(jī)技術(shù)成果，但由于3D織機(jī)的高技術(shù)含量和制造難度，國(guó)外相關(guān)企業(yè)很少對(duì)外出售設(shè)備。尤其是高技術(shù)含量的錐形編織、管狀結(jié)構(gòu)的編織以及其他異性結(jié)構(gòu)的編制設(shè)備。企業(yè)大多數(shù)以生產(chǎn)3D編織終端產(chǎn)品供應(yīng)相關(guān)需求客戶為盈利來(lái)源，如美國(guó)的3Tex公司和BRM公司，或者直接將產(chǎn)品應(yīng)用于企業(yè)自己的產(chǎn)品內(nèi)部如通用GE。

目前，國(guó)內(nèi)包括天津工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、國(guó)防科大在內(nèi)的多所高校都有自行研制的三維編織設(shè)備。天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，建成了國(guó)內(nèi)唯一的集材料設(shè)計(jì)、多向編織、液體模塑成型、材料性能表征等為一體的先進(jìn)紡織復(fù)合材料的研究開發(fā)平臺(tái)，研究成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。備受矚目的“神十一”，其中的重要部件使用的3D編織增強(qiáng)材料，出自該研究所之手。[6]東華大學(xué)孫以澤團(tuán)隊(duì)與行業(yè)龍頭企業(yè)合作，提出了無(wú)接頭扣環(huán)繩纜、多層復(fù)合繩纜、特種管類編織物等多類型特種編織物自動(dòng)編織技術(shù)，研制了五大類特種編織機(jī)成套裝備，實(shí)現(xiàn)了成型工藝參數(shù)精確調(diào)控、產(chǎn)品精確成型和高性能化，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外空白，其研制裝備占據(jù)了國(guó)內(nèi)25%以上的市場(chǎng)份額。北京柏瑞鼎科技有限公司與北京航空航天大學(xué)劉振國(guó)團(tuán)隊(duì)形成了產(chǎn)學(xué)研用一體的合作模式，其業(yè)務(wù)基本上涵蓋了三維編織的整個(gè)技術(shù)工藝鏈。佛山慈慧通達(dá)科技有限公司、徐州恒輝編織機(jī)械有限公司、浙江本發(fā)科技有限公司等均有各具特色的3D編織設(shè)備。

5 碳纖維3D編織技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 風(fēng)力發(fā)電

5.1.1風(fēng)電葉片

據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來(lái)5年風(fēng)電市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)率為4%，其蓬勃發(fā)展為碳纖維市場(chǎng)帶來(lái)機(jī)遇。隨著風(fēng)輪直徑的不斷擴(kuò)大，碳纖維3D編制技術(shù)用于風(fēng)電葉片領(lǐng)域已是必然之選。風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度從100米增長(zhǎng)到125米甚至更長(zhǎng)，既容易變形又不利于發(fā)電效率，通過(guò)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高的大絲束碳纖維可解決這一難題。風(fēng)電設(shè)備制造巨頭VESTAS在大梁結(jié)構(gòu)上采用了革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將從前作為整體成型的主梁主體受力部分拆分為拉擠梁片標(biāo)準(zhǔn)件的組合過(guò)程，降本增效。在此領(lǐng)先的新型工藝下，國(guó)內(nèi)碳纖維供應(yīng)商如光威復(fù)材與VESTAS已于2019年開始合作，標(biāo)志著碳纖維的需求又將實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)展。

表4 風(fēng)電葉片大梁的制備工藝

5.1.2漂浮式平臺(tái)

著眼于未來(lái)技術(shù)，碳纖維3D編織技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域同樣大有可為。目前海上風(fēng)電主要集中在近海的淺水，采用陸上風(fēng)電思路制作固定塔筒。但隨著近海資源的消耗，技術(shù)可能帶領(lǐng)我們涉足深海區(qū)域，這就需要開發(fā)出新型漂浮式平臺(tái)，如何固定這些平臺(tái)，可能會(huì)為碳纖維帶來(lái)新的應(yīng)用機(jī)遇。

5.2 新能源汽車

5.2.1 車身輕量化

根據(jù)新能源汽車技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃，其車身重量在2030年預(yù)計(jì)整體比2015年減輕35%。其輕量化總體技術(shù)思路也已明確，即按照高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復(fù)合材料的順序逐步過(guò)渡。

3D編織碳纖維材料是最為理想的輕量化材料，它的重量為鋼結(jié)構(gòu)的1/3～1/6，拉伸輕度是同類鋼結(jié)構(gòu)的7～8倍。它可替代鋼材制造車身和底盤，使得整車重量減少40%～60%，還可以提高燃油效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。[7]

表5 汽車企業(yè)碳纖維應(yīng)用發(fā)展情況

5.2.2電池箱

新能源汽車的電池模板依靠電池箱連接至車身，并通常設(shè)計(jì)安裝在車體的下部，因而電池箱需要面臨潮濕、灰塵大、車輛運(yùn)行振動(dòng)沖擊強(qiáng)等較為惡劣工作環(huán)境。碳纖維材料所具有的高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕性完全可以滿足電池箱的使用要求。電池箱作為新能源汽車的心臟，隨著行業(yè)需求和產(chǎn)能不斷提高，必將帶動(dòng)碳纖維長(zhǎng)足發(fā)展。

技術(shù)上而言，使用T300-3K和T300-12K兩種碳纖維編織布混合，十層織布與樹脂結(jié)合形成的復(fù)合材料用于制作電池箱體。使用金屬緊固件來(lái)連接電池箱體與電池模塊，部分采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)緊固件與碳纖維材料，并通過(guò)緊固件埋入碳纖維材料的深度控制模塊與箱體之間最高承受的拉伸強(qiáng)度。[8]

5.2.3 燃料電池儲(chǔ)氫

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在未來(lái)30年內(nèi)，我國(guó)儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)有望達(dá)到3234億元規(guī)模，我國(guó)很可能成為全球最大的車載儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)。當(dāng)前主流新能源燃料電池車儲(chǔ)氫技術(shù)依然為在35MPa或70MPa壓力的儲(chǔ)氫瓶中儲(chǔ)備氫燃料。具有優(yōu)良耐高溫、抗沖擊性能的碳纖維材料作為儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)膽，是氫氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域的關(guān)鍵部件。然而，目前該類碳纖維50%依賴進(jìn)口，極大地阻礙了我國(guó)燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)能釋放。加快材料復(fù)雜工藝研發(fā)盡快釋放產(chǎn)能，同時(shí)提高產(chǎn)品穩(wěn)定性確保高壓容器安全可靠，是目前碳纖維材料供應(yīng)商亟需開展的重要工作。

5.3 新能源船舶

放眼國(guó)際船舶技術(shù)，碳纖維材料具有應(yīng)用前景。相比于鋁合金船，碳纖維材料建造的同尺寸的船其船身重量與油耗可減少約30%。更輕的船體重量、更低的油耗，使得排放量低、航行速度快，既提高了安全性又能節(jié)能環(huán)保。在2021年的美國(guó)棕櫚灘國(guó)際游艇展上，瑞典X Shore公司推出了一款26英尺全電動(dòng)、碳纖維船體的電動(dòng)游艇Eelex 8000，以6～8節(jié)的較低航速航行時(shí)，航行可達(dá)數(shù)百海里，最大航速可達(dá)35節(jié)。該電動(dòng)艇在業(yè)界處于先進(jìn)地位，是我國(guó)船舶技術(shù)發(fā)展的方向之一。

6 結(jié)語(yǔ)

碳纖維3D編織技術(shù)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景可觀。風(fēng)電葉片、車身輕量化作為該技術(shù)應(yīng)用較為成熟的領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)加快技術(shù)工程化、生產(chǎn)規(guī)模化步伐，成為碳纖維行業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可從深海海域漂浮式平臺(tái)、儲(chǔ)氫容器、電池箱體、新能源船舶等方向著手，開展技術(shù)與質(zhì)量攻關(guān)，碳纖維先進(jìn)材料必將在我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

[1] 孫其永. 縫合連接三維編織復(fù)合材料彎曲性能研究[D]. 天津工業(yè)大學(xué), 2008.

[2] 楊紅娜. 三維編織復(fù)合材料接骨板的力學(xué)性能研究與設(shè)計(jì)[D]. 天津工業(yè)大學(xué), 2002.

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[5] 徐焜, 許希武. 三維五向矩形編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 40(2): 6.

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[8] 張曉紅, 周鋒, 馮奇,等. 車用動(dòng)力電池碳纖維箱體的設(shè)計(jì)研究[J]. 上海汽車, 2014(9): 3.

Overview of carbon fiber 3D weaving technology and its application in new energy field

Yuan Shuai, Zheng Li, Yang Xuejia, Li Lu, You Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TB3223

A

1003-4862（2022）10-0118-04

2022-02-21

袁帥（1988-），女，工程師。研究方向：新能源材料。E-mail: yuanshuai66@qq.com