碳纖維行業(yè)在過去的一年中取得了哪些成績?2018年碳纖維市場又將迎來哪些重大突破?從會議伊始到結(jié)束，一直在為提高應(yīng)用技術(shù)，拓寬碳纖維應(yīng)用努力著。會議的最后一天節(jié)奏稍微放緩，會上做了對碳纖維今年市場增長情況的預(yù)測，并通報了幾項最新的技術(shù)成果。

 

 

        通用汽車公司的工程組經(jīng)理Mark Voss在會上做了關(guān)于碳纖維發(fā)展新型汽車應(yīng)用的演講，系統(tǒng)地闡述了這個方向?qū)媾R的挑戰(zhàn)。Voss主要研究開發(fā)體結(jié)構(gòu)先進復(fù)合材料，根據(jù)在Corvette車系中應(yīng)用碳纖維面板的經(jīng)驗，他建議大家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的成功關(guān)鍵。要盡可能在新應(yīng)用中限制“新聞”的產(chǎn)生，就是說要限制汽車行業(yè)的新技術(shù)和流程的數(shù)量。因為在碳復(fù)合材料中材料和工藝變量本來就很多，當盲目加入熟悉度不高的新事物時，實施結(jié)果的復(fù)雜性將會被大大增加。他用一個數(shù)據(jù)作為例證，如我們在A類表面上工作時，變量會被放大100倍。

 

        Voss還強調(diào)了連接技術(shù)對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。在演講中，他說目前碳材料的成本較高讓碳復(fù)合材料的成本競爭力看似很低，但建議大家高瞻遠矚，對比廢鋼的成本，碳纖維才是一條明智選擇。最后他展望了對此次會議成果的期待：“我非常高興看到這個房間在未來20年帶給我們的是什么。”

 

        隨后，來自美國波士頓勒克斯研究所的Anthony Vicari以碳纖維復(fù)合材料在未來的成長機會和面臨的挑戰(zhàn)為主題發(fā)表演講。首先他對碳纖維行業(yè)發(fā)展預(yù)測數(shù)據(jù)進行報告，到2020年碳纖維產(chǎn)能能達到151,000公噸(MT)/年，實際產(chǎn)量預(yù)計減少約10-20%。到2025年，碳纖維的需求預(yù)計將達到22.8萬噸/年，其中風能和航空業(yè)增長最快。如果這些數(shù)據(jù)真的實現(xiàn)了，在2025年之前，汽車上碳纖維的利用普及率將會提高，不再為豪華車型獨享。

 

        他說，在鐵路，建筑維修和大型海洋船舶方面對玻璃鋼(碳纖維增強樹脂材料)的需求將繼續(xù)增長。因為在鐵路上應(yīng)用時，玻璃鋼制轉(zhuǎn)向架取代鋼鐵的話，可以將鐵路車輛的重量減輕近1公噸，且耐腐蝕性很好，可以提高維護和使用壽命。他還看到了碳纖維在橋梁維修上的大市場，他說目前玻璃鋼的制備和使用技術(shù)非常成熟，但基礎(chǔ)設(shè)施市場還沒有把目光放到這上面。這一切的激發(fā)點只需要等時機成熟，比如等美國LeMond復(fù)材所和橡樹嶺國家實驗室開發(fā)出低成本的碳纖維，再委托制造商代工生產(chǎn)，由FARO Technologies和Oxford Performance Materials等創(chuàng)新廠商開發(fā)的改進修復(fù)技術(shù)即可完成。

 

       在風能領(lǐng)域，碳纖維的路可能不會太順，已經(jīng)不止一位發(fā)言人指出，風力發(fā)電機制造商正在尋找高模量玻璃纖維而不是碳纖維。美國能源部桑迪亞國家實驗室的轉(zhuǎn)子氣動彈性主管BrandonEnnis引用市場信息咨詢公司MAKE提供的數(shù)據(jù)進行分析，提出價格和供應(yīng)鏈問題以及制造敏感性問題正是風力渦輪機制造商努力擺脫碳排放的原因。

 

        Ennis強調(diào)，風能應(yīng)用需要碳技術(shù)人員從航空航天的性能設(shè)計轉(zhuǎn)向成本驅(qū)動的設(shè)計。盡管在2015年碳在4-8兆瓦的渦輪葉片中沒有什么應(yīng)用，但他說Sandia，ORNL和蒙大拿州立大學已經(jīng)開始進行為期兩年的聯(lián)合研究，評估具有成本競爭力的定制碳纖維復(fù)合材料在風力渦輪機葉片中應(yīng)用的商業(yè)可行性。所以他說未來在5兆瓦以下和10兆瓦以上的渦輪機中使用一些碳材料還是可能的。

 

上圖是Sandia在會議演講中引用來自MAKE咨詢公司的數(shù)據(jù)

 

 

        2017復(fù)合材料會議召開期間，就復(fù)合材料的回收問題成立了一個小組，小組由復(fù)合材料回收技術(shù)中心的Geoffrey Wood主持，小組成員包括通用汽車公司的Mark Voss和勒克斯研究公司的Anthony Vicari等人。

 

        Geoffrey Wood強調(diào)復(fù)合廢料流可以通過打開全新的市場，使碳纖維銷量變高，因為碳纖維增強復(fù)合材料的產(chǎn)品成本將會更低。所有的專家小組成員也都認為，隨著自動化程度和零件加工效率的提高，未來廢鋼產(chǎn)量將會減少，復(fù)合材料行業(yè)還有很多事情要做，以便搶占更替環(huán)節(jié)的領(lǐng)導地位。

 

        會上，眾小組成員都認為因為使用變廣，碳纖維增強樹脂材料對有效回收利用技術(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樹脂材料加工工藝的廢料上，但是發(fā)言人指出，回收廢舊復(fù)合材料部件的需求日益增加，到本世紀20年代后期將占回收廢棄物的很大一部分。

 

        會上小組成員間的交流有很多亮點，現(xiàn)一一摘錄:

【來自ELG碳纖維有限公司的Frazier Barnes 】

 

        數(shù)據(jù)顯示，可回收碳纖維的市場可達55,000噸/年，每年可提供50,000噸回收廢料。Barnes指出，碳纖維每年預(yù)計產(chǎn)量12萬噸，但是需求量高達2.5萬噸/年，之間的巨大差距可由回收碳纖維來彌補。同時，回收碳纖維比回收金屬和塑料更具競爭力。

 

        目前ELG公司在回收碳纖維上已經(jīng)做出一些成就，他們的碳回收材料已經(jīng)在美國的19輛車上進行了6個月的道路測試。如果此次測試通過的話，每年將有20萬輛車在車身上利用6公斤的碳回收材料。除此項目外，其他可商業(yè)化生產(chǎn)的項目包括：

 

       ①導軌轉(zhuǎn)向架：使用壓縮成型預(yù)浸料、80%碳回收纖維和20%原碳纖維制成的碳纖維增強樹脂材料導軌轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，可使切割重量減輕75%，輪對軌載荷減少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，一次性實現(xiàn)凈形部件，與玻璃纖維增強塑料(GFRP)相比，可節(jié)省30%的重量。

 

       ③座椅：相對于13公斤的原始金屬部件，用碳回收材料可提供重量僅為2.5千克的部件。

 

       對于目前尚未解決的難題，Barnes認為，回收碳纖維面臨的最大挑戰(zhàn)是鑒定和顯示纖維和部件的一致性。

 

 

       波音公司的目標是零廢物制造，包括零填埋垃圾，零危險廢物，零吸水量和溫室氣體排放量。Benson Tolle說，實現(xiàn)這一目標的關(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”減少廢物。

 

 

        Carbon Conversions Inc.正在用碳回收纖維生產(chǎn)五種不同系列的產(chǎn)品。Janney舉了幾個閉環(huán)復(fù)合材料制造的例子，如美國甲骨文賽車隊與碳轉(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。

 

       Janney還提到在2016年后期，Hexcel對他們進行投資，資助碳轉(zhuǎn)化公司加強對重復(fù)利用和全生命周期收集處理方面的研發(fā)活動。

 

       在討論階段，無論是ELG碳纖維公司還是碳轉(zhuǎn)化公司都有提到，碳回收產(chǎn)品的平整度和一致性很好，進行后期維修處理的客戶數(shù)量已經(jīng)急劇減少。

 

 

       北野說東麗公司位于南卡羅來納州斯巴達堡的新型碳纖維生產(chǎn)設(shè)施將于2018年開始運營，此前，東麗已經(jīng)在日本在線生產(chǎn)碳回收纖維設(shè)施。

 

 

       2017年碳纖維會議內(nèi)容涵蓋的技術(shù)發(fā)展跨越了碳纖維技術(shù)的全部范圍，從碳纖維前體制造到剛剛提到的回收工作。會上出現(xiàn)很多技術(shù)亮點，現(xiàn)一一摘錄：

 

 

        自適應(yīng)模具系統(tǒng)由來自丹麥的ADAPA公司開發(fā)，他們的與會成員ChristianRaun對此進行了介紹。該系統(tǒng)使用數(shù)字控制，可用簡單設(shè)備將塑料、混凝土、玻璃和復(fù)合材料成型成各種簡單的雙曲線形狀。加工出產(chǎn)品也有多類，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)中的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。

 

 

        生產(chǎn)出可1分鐘快速固化預(yù)浸料的公司是索爾維公司，設(shè)計的初衷是能夠滿足自動化加工過程和一分鐘節(jié)拍過程的需求。這種SolvaLite730預(yù)浸料使用了高性能不飽和乙烯基酯，它的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，無粘性。

 

        索爾維公司的與會代表Lewis Williams介紹了實現(xiàn)一分鐘節(jié)拍過程的關(guān)鍵:

 

        加熱過程中要預(yù)留預(yù)熱時間和運行時間;

 

        要有快速的關(guān)閉工具;

 

        整個模具表面的溫度應(yīng)一致;

 

        Williams說這類乙烯基酯類預(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。

 

        低成本碳纖維是集眾人努力產(chǎn)出的成果，美國橡樹嶺國家實驗室進行研發(fā)，美國先進復(fù)合材料制造研究所負責商業(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)級別的碳纖維產(chǎn)品相當。

 

 

       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)立試點工廠，發(fā)展非石油基的丙烯腈，他們用一種糖碳轉(zhuǎn)化的技術(shù)制備丙烯腈，南方研究公司的與會代表Amit Goyal對此進行了介紹。

 

        預(yù)計到2019年該試點工廠年將產(chǎn)出0.5噸丙烯腈，南方研究公司的目標是在2021年底前能夠有一個年生產(chǎn)量達5000噸可再生丙烯腈的商業(yè)工廠。丙烯腈的商業(yè)化生產(chǎn)預(yù)計可使成本低于一美元每噸，如果這個數(shù)據(jù)實現(xiàn)的話，可再生丙烯腈將使制造成本降低15%到20%。