探秘碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合技術(shù)

本刊記者 陳金燦

碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料已成為生產(chǎn)大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選。

寶馬i8車頂部分及乘員艙結(jié)構(gòu)采用了高強度且輕量化的CFRP碳纖維增強復(fù)合材料。

對于碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料可能很多人還覺得陌生，但是一提到前不久寶馬推出的首款新能源跑車i8時卻是眾所周知。其最大的亮點就是i8的整個乘員艙的結(jié)構(gòu)由多層碳纖維復(fù)合材料拼合而成。輕量化和高強度是它最大的特點，使用這種材料可以大幅降低車身的重量，有效提升車輛的續(xù)航能力。

用于加工該類織物的碳纖維多軸向經(jīng)編機是紡織織造設(shè)備領(lǐng)域前沿科技的代表，雖然市場潛力巨大，但是碳纖維多軸向經(jīng)編機為國際尖端技術(shù)，此前一直被德國企業(yè)壟斷，并且價格高昂，單機臺價格不低于1600萬人民幣。據(jù)江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心蔣高明教授介紹，在我國桐鄉(xiāng)地區(qū)針對該類機型與卡爾邁耶利巴簽訂了將近1個億的訂單，足見其存在巨大的市場需求量。

自主創(chuàng)新 打破國際壟斷

德國卡爾邁耶集團生產(chǎn)的碳纖維多軸向經(jīng)編機在世界市場上一直處于領(lǐng)導(dǎo)地位。由于碳纖維多軸向經(jīng)編機的制造難度大，產(chǎn)品附加值高等特點，國外設(shè)備制造商一直對我國進行技術(shù)封鎖，并且價格高昂。

為打破國際壟斷，提升本國設(shè)備的市場競爭力。去年江蘇省常州市第八紡織機械有限公司聯(lián)合常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司、北京航空航天大學(xué)、北京航空制造工程研究所，歷時5年，成功研發(fā)出擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，制造出中國第一臺碳纖維多軸向經(jīng)編機，并獲得授權(quán)專利34項，整機性能達到國際先進水平，降低了碳纖維生產(chǎn)成本近七成。

“該機的核心技術(shù)之一為‘展纖技術(shù)’，這是加工輕薄型碳纖維織物的關(guān)鍵技術(shù)?！睋?jù)蔣高明介紹，展纖技術(shù)即通過加熱、牽拉、擠壓等方式使碳纖維絲束展開、展平，形成紗片，可將12K的碳纖維絲束展寬至10mm以上，超過了國外機型平均8mm的展纖寬度，可生產(chǎn)面密度在100-300g/m2的多層無屈曲輕質(zhì)高強復(fù)合材料增強體。常州八紡機研發(fā)的碳纖維多軸向經(jīng)編機性能達到國際先進水平，而價格僅為進口同類機型的一半，大幅降低了高性能碳纖維預(yù)制體的加工成本。

繼常州八紡機之后，大有“青出于藍”的江蘇潤源控股集團有限公司也推出了自主設(shè)計研發(fā)的碳纖維多軸向經(jīng)編機，并對展纖機構(gòu)實行了深入改進，每個帶寬的紗線采用雙組加熱展纖機構(gòu)，進一步鞏固了展纖效果；同時，還對整個帶寬的紗線進行張力調(diào)節(jié)，使紗線張力更為均勻。另外，全新的小車鋪紗裝置，可將紗線損耗降至2%以下，實現(xiàn)精準、平行、無彎曲地鋪紗，這些都為確保織物的平整度和輕薄度提供了有力保障。

碳纖維多軸多向經(jīng)編復(fù)合材料以其綜合性能受到業(yè)界廣泛關(guān)注。

國產(chǎn)碳纖維多軸向經(jīng)編機的成功研發(fā)，打破國外技術(shù)壟斷，填補國內(nèi)紡織機械空白，也為民族工業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

高精尖領(lǐng)域市場潛力巨大

碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料因其具有輕質(zhì)、高強、高模、耐高溫、耐腐蝕和抗分層、抗蠕變、抗沖擊等優(yōu)良性能，成為高端應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)選材料，在航空、航天裝備的輕量化、小型化和高性能化上起到了重要的積極作用，并越來越廣泛地應(yīng)用到航空航天、風(fēng)力發(fā)電、清潔能源汽車、交通輕量化等領(lǐng)域。

據(jù)蔣高明介紹，如果將碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料用于戰(zhàn)斗機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼等部位的話，與金屬結(jié)構(gòu)材料相比可使重量減輕31.5%左右，并可減少61.5%左右的零件，減少61.3%左右的緊固件。民用航空領(lǐng)域中，在波音787型客機上，該材料的比例更是達到50%以上，我國C919飛機上也使用大量該類材料以保證在不損失材料強度和剛度，確保飛行安全的前提下，減輕機身重量，可節(jié)省20%的燃料。

另外，在強調(diào)綠色能源和可持續(xù)發(fā)展的背景下，世界各國都對風(fēng)能的開發(fā)利用表現(xiàn)出了高度重視，碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料已成為大型風(fēng)力發(fā)電葉片材料的首選。

韓國南方電力公司(SSP)和三星重工聯(lián)合開發(fā)了7兆瓦，單只葉片長度為83.5m的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。其整體結(jié)構(gòu)選擇碳纖玻纖混編材料制造，并且在梁帽、翼緣和葉片根部等對材料強度和剛度要求較高的部位采用碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料進行加固，以保證葉片運行的穩(wěn)定性、安全性和耐久性。我國的連云港中復(fù)集團也生產(chǎn)出6兆瓦、75m的葉片，東方汽輪機有限公司也生產(chǎn)出5兆瓦、60m的葉片，在這些產(chǎn)品中，均大量采用碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料，其輕質(zhì)高強和腐蝕耐候性強等特點將使其在未來的大型、超長風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

電動汽車，作為新興的清潔能源交通工具，逐漸成為各大汽車廠商研發(fā)的重點，而其動力來源和動力系統(tǒng)決定了輕質(zhì)高強的汽車骨架和殼體是一款高性能電動汽車的必要前提。寶馬公司最新推出的i8新能源跑車就是一個典型的代表。其強度要求最高的A柱和B柱等部位都是由碳纖維增強塑料制成。據(jù)了解，碳纖維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的質(zhì)量是鋼鐵材料的25%，但強度卻是鋼材的10倍，碰撞吸能性能比鋼或鋁高出45倍，其優(yōu)良的綜合性能受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

對于碳纖維及復(fù)合材料未來的市場前景，國內(nèi)知名證券公司申銀萬國相關(guān)負責(zé)人表示非?？春茫J為，目前，中國碳纖維及復(fù)合材料的應(yīng)用分布仍與世界存在較大差距，工業(yè)用碳纖維及復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ袊壳疤祭w維及復(fù)合材料市場需求量為1.65萬噸以上，現(xiàn)只能生產(chǎn)T300級和以下級別產(chǎn)品約0.2萬噸。未來伴隨著世界碳纖維電動汽車帶動的市場應(yīng)用，預(yù)計2018年全球碳纖維及復(fù)合材料的需求將達到8萬噸，按目前產(chǎn)能計算缺口達60%，世界各主要廠家均在計劃增加相應(yīng)產(chǎn)能。