低成本碳纖維復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用

蘆長(zhǎng)椿

（全國(guó)化纖新技術(shù)開(kāi)發(fā)推廣中心，北京 100020）

低成本碳纖維復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用

蘆長(zhǎng)椿

（全國(guó)化纖新技術(shù)開(kāi)發(fā)推廣中心，北京 100020）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）可以減輕乘用車體質(zhì)量，改善燃油效率，減少CO2的排放，但碳纖維高昂的成本制約了它的廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)介了低成本碳纖維（LCCF）的研究與開(kāi)發(fā)動(dòng)向以及木質(zhì)素基和聚烯烴基碳纖維技術(shù)快速進(jìn)入商業(yè)化的的態(tài)勢(shì)。

低成本碳纖維；復(fù)合材料；乘用車；應(yīng)用

0 引言

提高燃油效率是汽車輕量化研究極具戰(zhàn)略性的任務(wù)，亦將促進(jìn)新一代纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究和使用。預(yù)計(jì)2015～2020年間，CFRP在汽車市場(chǎng)需求的年增長(zhǎng)率約在30%[1]。

從復(fù)合材料的應(yīng)用考量，乘用車大體分為4 類，即特種級(jí)別的汽車如賽車，可100%使用CFRP，以性能為先，無(wú)須顧忌成本，此類車的年需求數(shù)量全球不足萬(wàn)輛；次為中級(jí)車（或稱超豪華級(jí)），該級(jí)別車對(duì)復(fù)合材料的選擇，是基于市場(chǎng)因素下取價(jià)格與成本的平衡；三是高附加值車型（或稱豪華級(jí)）數(shù)量約占市場(chǎng)的4%～5%，其對(duì)CFRP成本顯示出極強(qiáng)的敏感性，在滿足性能的前提下力求低成本；而大量無(wú)結(jié)構(gòu)特性要求的量產(chǎn)車型占絕對(duì)的市場(chǎng)份額，其輕量化對(duì)材料的選擇，無(wú)疑是低成本碳纖維（LCCF）及其復(fù)合材料，并已顯現(xiàn)出越來(lái)越清晰的利用生物可再生資源的趨勢(shì)[2]。

LCCF的開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)拓展面臨著如下的挑戰(zhàn)：

⑴ 合理的生產(chǎn)規(guī)模。

⑵ 可替代原絲的選擇以及應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)，有可能降低碳纖維27%～38%的成本。諸如采用熔法原絲工藝，即可將能耗從418 MJ/kg降至23 MJ/kg，CO2排放從48.4 kg/kg減至2.2 kg/kg，生產(chǎn)速度從200 m/min提高到1 800 m/min，投資從28.6美元/kg降至8.8 美元/kg。

⑶ 運(yùn)轉(zhuǎn)成本和運(yùn)轉(zhuǎn)效率的優(yōu)化，碳纖維運(yùn)轉(zhuǎn)成本和效率涉及能耗、輔助工程、零部件供給和消耗、人力成本以及碳纖維加工工藝（諸如斷絲等）和安全危害風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)。

利用LCCF復(fù)合材料可降低汽車質(zhì)量的50%，提高燃油效率35%，同時(shí)不會(huì)影響乘用車的性能和行車安全性。美國(guó)國(guó)家能源部的研究報(bào)告認(rèn)為，CFRP可以減輕汽車質(zhì)量的70%。通常，每減輕汽車車體質(zhì)量10%，即可降低油料消耗量的4%～5%。以美國(guó)為例，每天行駛于路上的乘用車數(shù)量在8.8×106輛，如每輛車使用增強(qiáng)復(fù)合材料頂替鋼材，以車體質(zhì)量減輕10%計(jì)算，全年將可節(jié)省2.273×1010L的燃料油品。

乘用車輕量化催生新一代高性能/質(zhì)量比材料的開(kāi)發(fā)，近年來(lái)LCCF取材于可再生資源的研究趨勢(shì)日漸清晰，一個(gè)集工業(yè)企業(yè)、研究院所和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于一體，潛在的提高能源效率的開(kāi)發(fā)方式在北美和歐洲地區(qū)出現(xiàn)，引起了業(yè)界的普遍關(guān)注，如圖1所示[3]。國(guó)內(nèi)有龐大的汽車產(chǎn)業(yè)，LCCF及其復(fù)合材料的需求以及日益增長(zhǎng)的環(huán)境意識(shí)亦會(huì)促使我們的發(fā)展理念和技術(shù)理念的更新。

1 LCCF的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

CFRP的密度、強(qiáng)力和模量較之于傳統(tǒng)鋼材顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)，給傳統(tǒng)汽車工業(yè)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。美國(guó)福特GT、道奇Viper和雪佛蘭Z-06型轎車已使用CFRP，并以數(shù)千輛的規(guī)模投放市場(chǎng)，但仍認(rèn)為CFRP目前還不能大量用于乘用車的輕量化。

圖1 生物源碳纖維與可再生能/能源效率技術(shù)鏈

碳纖維苛刻的制造工藝及其增強(qiáng)復(fù)合物材料昂貴的成本，制約了它在汽車輕量化方面的廣泛使用。傳統(tǒng)碳纖維生產(chǎn)中95%的原絲選用PAN纖維。碳纖維成本構(gòu)成大體是PAN原絲占51%，輔助工程成本占18%，人力成本占10%，折舊占12%，其他成本占9%。

原絲的選擇是LCCF生產(chǎn)重要的影響因素，目前已投入實(shí)驗(yàn)性開(kāi)發(fā)的LCCF原絲包括紡織級(jí)PAN原絲、木質(zhì)素原絲、聚烯烴原絲以及PAN-木質(zhì)素混合原絲等。圖2為L(zhǎng)CCF研究中影響成本的諸多技術(shù)因素。

1.1 木質(zhì)素基碳纖維(LBCF)

木質(zhì)素是地球上僅次于纖維素的第二大蘊(yùn)藏量最為豐富的可再生資源。亦是制漿造紙工業(yè)的副產(chǎn)品，全球每年可利用的木質(zhì)素約在2×108t，價(jià)格低廉，目前的平均售價(jià)約在1.1 美元/kg。碳纖維原絲用的木質(zhì)素需要一段或多段的提純，通常其品質(zhì)需滿足如下的要求即：

? 在250 ℃條件下，揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5%。

? 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10-0.4。

? 直徑＞1 μm的不熔融顆粒物＜2.5×10-0.4。

? 木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%

圖2 LCCF生產(chǎn)的成本制約因素

利用木質(zhì)素原絲制備碳纖維包括如下幾個(gè)關(guān)鍵工序：即①木質(zhì)素粉末的洗滌與干燥，②木質(zhì)素粉末料造粒，③木質(zhì)素紡絲成形工藝，④氧化，⑤碳化。木質(zhì)素原絲制備可采用熔噴法（MB）工藝，實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)裝置的幅寬600 mm，纖維網(wǎng)單絲直徑控制在10～20 μm，面密度230 g/m2。

使用熔法紡絲工藝制備原絲時(shí)，卷繞速度在1 500 m/min，纖維直徑10 μm。

經(jīng)過(guò)改性處理的木質(zhì)素原絲可以明顯提升穩(wěn)定化處理速度。一般情況下LBCF的得率理論上為90%，實(shí)際上可做到55%。使用木質(zhì)素原絲的碳纖維石墨化程度較高，碳纖維的強(qiáng)度與模量比設(shè)定的指標(biāo)要高，即強(qiáng)度比1 724 MPa指標(biāo)要高70%，模量比172 GPa的要求高20%。

木質(zhì)素原絲的提純成本很低約1.1 美元/kg。實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)中，木質(zhì)素原絲成本1.1 美元/kg。LCCF的氧化采用2～4 段工藝，氧化成本在1.65美元/kg，后續(xù)的碳化工序成本1.54 美元/kg，表面處理工序成本0.22 美元/kg，卷繞工序成本0.33 美元/kg。LCCF的總成本可以控制在6.27 美元/kg。目前已商業(yè)化LBCF品質(zhì)最好的水平，即強(qiáng)度達(dá)到1.07 GPa，模量83 GPa。

瑞典Innventia公司使用100%的亞硫酸鹽漿木質(zhì)素原料，制備碳纖維的商業(yè)化生產(chǎn)線已在實(shí)施中，其木質(zhì)素原料源于6.5×105t/a的制漿工廠，擬建3.3×104t/a木質(zhì)素裝置以制取1.6×104t/a的低成本LBCF。

美國(guó)ORNL國(guó)家試驗(yàn)室與GrafTech公司合作開(kāi)發(fā)的LBCF生產(chǎn)工廠也在實(shí)施中，LBCF用作生產(chǎn)耐高溫?zé)峤^緣材料[4]，100%LBCF熱絕緣材料性能如表1。

LBCF商業(yè)化生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)能6 250 t/a，木質(zhì)素原絲生產(chǎn)能力1×104t/a。木質(zhì)素原料價(jià)格0.55 美元/kg，LBCF的計(jì)劃成本9.28 美元/kg。LBCF商業(yè)化生產(chǎn)裝置主要包括：

? 木質(zhì)素供給系統(tǒng)。

? 木質(zhì)素造粒裝置。

?木質(zhì)素原絲制備，采用熔噴法非織造布方法，制得的纖維網(wǎng)面密度1 500 g/m2（如圖3）。

? 碳化裝置（使用溫度＞1 000 ℃）。

? 穩(wěn)定化，處理時(shí)間2 h。

? 熱處理工序的化學(xué)得率控制約在45%。

表1 LBCF耐高溫?zé)峤^緣材料性能

LBCF生產(chǎn)工廠并設(shè)實(shí)驗(yàn)中心，主要試驗(yàn)設(shè)備設(shè)置包括木質(zhì)素造粒設(shè)備、木質(zhì)素處理制備、木質(zhì)素熔噴（MB）纖維網(wǎng)設(shè)備、穩(wěn)定化裝置、碳化裝置、復(fù)合材料試驗(yàn)臺(tái)等。

1.2 聚烯烴基碳纖維

聚烯烴屬長(zhǎng)鏈高聚物，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)86%。具有可回收再利用性，低成本特征明顯。聚烯烴原絲采用熔法成形，比濕法工藝運(yùn)轉(zhuǎn)成本低，且原絲產(chǎn)品呈多樣化（即絲束、纖維網(wǎng)等）。

聚烯烴原絲及其加工技術(shù)，較之于傳統(tǒng)PAN基碳纖維的得率（50%）要高，達(dá)到65%～80%。聚烯烴基碳纖維成本較之于傳統(tǒng)碳纖維可降低20%，耗能效率提升，CO2排放可減少50%[5]。聚烯烴基碳纖維技術(shù)特征如表2。

聚烯烴原絲品質(zhì)，一般強(qiáng)度要＞1 380 MPa，模量在138 GPa。制備碳纖維的得率理論上65%～80%，實(shí)際得率不低于60%。聚烯烴基碳纖維的強(qiáng)度＞2 620 MPa，模量≮207 GPa。應(yīng)用研究顯示，聚烯烴基碳纖維復(fù)合材料的品質(zhì)可以適應(yīng)乘用車市場(chǎng)的需要，其低密度和優(yōu)良的斷裂強(qiáng)度亦可用在風(fēng)能透平。道化學(xué)-福特汽車合作開(kāi)發(fā)的聚烯烴基碳纖維商業(yè)化生產(chǎn)線預(yù)計(jì)2017年將投入運(yùn)行，聚烯烴基碳纖維成本可控制在11～15.4 美元/ kg水平。

圖3 木質(zhì)素原絲熔噴法紡絲裝置

表2 聚烯烴基碳纖維技術(shù)特征

1.3 紡織級(jí)PAN原絲制備LCCF

用作碳纖維的紡織級(jí)PAN原絲力學(xué)性能，通常強(qiáng)度要＞3 447 MPa，模量在207 GPa，理論上得率68%，實(shí)際僅達(dá)到40%～50%。開(kāi)發(fā)中的紡織級(jí)PAN基碳纖維成本可控制在10.21～12.65 美元/ kg，原絲成本約6.38 美元/kg。

Zoltek公司開(kāi)發(fā)的“Panex-35”系列碳纖維，即采用紡織級(jí)PAN原絲制備的低成本碳纖維，并已商業(yè)化生產(chǎn)供給市場(chǎng)。如表3。

表3 紡織級(jí)PAN原絲制備的碳纖維性能

SGL公司利用紡織級(jí)PAN原絲制備低成本高強(qiáng)度碳纖維也取得了成功，產(chǎn)品用于航天領(lǐng)域。該高強(qiáng)低成本碳纖維的強(qiáng)度達(dá)4 480～4 830 MPa，模量241～262 GPa，成本在22～26.4 美元/kg。傳統(tǒng)普通PAN原絲成本基本約在5.21 美元/kg，紡織級(jí)PAN原絲成本在3.87 美元/kg，即原絲成本下降了25%[6]。

1.4 利用可再生資源的LCCF技術(shù)

100%LBCF已成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。選用可再生資源，諸如木質(zhì)素、納米纖維素等與傳統(tǒng)PAN組分混合的原絲加工LCCF的研究亦取得了進(jìn)展。

1.4.1 PAN/木質(zhì)素混合組分原絲制碳纖維

Zoltex公司與Weyerhaeuser合作開(kāi)發(fā)的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%的PAN/木質(zhì)素基碳纖維，2013年已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，LCCF強(qiáng)度達(dá)到2.8 GPa，模量210 GPa，伸長(zhǎng)1.3%，成本11 美元/kg。

該產(chǎn)品的木質(zhì)素原料取之于制漿造紙工業(yè)黑液。原料黑液經(jīng)沉淀、過(guò)濾、酸化處理（H2SO4），再過(guò)濾、洗滌和干燥制得木質(zhì)素粒料。

PAN/木質(zhì)素混合組分原絲制備，選用濕法紡絲工藝，原絲組分比例即L/P為15/85或25/75或35/65，而商業(yè)化生產(chǎn)的LCCF原絲組分比例L/P為45/55。

1.4.2 PAN/木質(zhì)素/NCC混合組分的原絲制碳纖維

納米晶纖維素（NCC）是納米纖維素系列的一個(gè)品種，納米纖維素系取材于木材及生物質(zhì)資源的可再生聚合物材料。近年來(lái)納米晶纖維素及其復(fù)合材料的應(yīng)用研究取得巨大的進(jìn)展，美國(guó)Georgia技術(shù)學(xué)院使用納米晶纖維素與PAN的混合組分的纖維做原絲，NCC組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，納米纖維素的技術(shù)特性如表4。

表4 多組分原絲選用的納米纖維素性能比較

PAN/木質(zhì)素/NCC多組分的原絲制備采用凝聚紡絲工藝，紡絲液的配制即首先將NCC分散于DMA中，后將其注入PAN/DMA溶液，組分配比即PAN/木質(zhì)素/NCC為67/30/3，成型的牽伸倍率分別是9%、16%和20%。

1.4.3 生物基原絲制低成本碳纖維的研究[7]

美國(guó)Iowa州立大學(xué)利用生物可再生原絲生產(chǎn)低成本碳纖維已進(jìn)入批量試驗(yàn)。生物基原絲為PLA、木質(zhì)素丁酸酯和木質(zhì)素與PLA的接枝共聚物的混合體。生物基原絲制LCCF的加工工藝基本由以下幾個(gè)工序組成，即木質(zhì)素原料提純→木質(zhì)素化學(xué)改性→木質(zhì)素丁酸酯合成→木質(zhì)素與PLA接枝共聚物制備。而物料混合十分重要，目的是獲取均一的適宜熔法紡絲成形的物料。通過(guò)熔法制得原絲，經(jīng)穩(wěn)定化和碳化過(guò)程獲取LCCF。生物可再生原絲制得的碳纖維，較之于傳統(tǒng)PAN基碳纖維成本降低幅度在37%～49%。

2 低成本碳纖維開(kāi)發(fā)與乘用車輕量化市場(chǎng)

汽車的燃油效率和CO2排放關(guān)系著人類生存環(huán)境的改善。2020年歐洲汽車的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)擬定為95 g/km，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在114 g/km。以?shī)W迪汽車為例2015的CO2排放量在120 g/km，要達(dá)到95 g/ km擬定水平，需減輕汽車車體質(zhì)量的50%。

乘用車輕量化的研究已經(jīng)告知我們，采用高性能鋼材可以降低車體質(zhì)量的5%～25%，使用鋁材可以降低車體質(zhì)量的40%，使用CFRP可降低車體質(zhì)量的20%～60%。從燃油效率角度考量，每減輕100 kg車體質(zhì)量，百公里的耗油量亦可節(jié)省0.3 L/100 km[8]。

2015年世界碳纖維市場(chǎng)，貯能用途CFRP的碳纖維價(jià)格在33～44 美元/kg，航空用66～88 美元/ kg，航天用176 美元/kg，風(fēng)能透平用22 美元/kg。美國(guó)橡樹(shù)林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）認(rèn)為乘用車碳纖維的成本不能高過(guò)11～15.4 美元/kg，歐共體開(kāi)發(fā)中的LCCF成本亦擬定在11.88～13.86 美元/kg范圍。

1990年代，美國(guó)橡樹(shù)林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室即開(kāi)始了低成本碳纖維（LCCF）的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，在探索可替代碳纖維原絲的新材料和先進(jìn)的制造工藝，開(kāi)發(fā)大容量和LCCF領(lǐng)域取得了進(jìn)展，亦向人們展現(xiàn)了乘用車和卡車的輕量化潛力。

巴斯夫公司熔法PAN原絲可降低碳纖維成本的30%；Zoltek公司使用紡織級(jí)PAN原絲制備的LCCF（Panex）已投放市場(chǎng)，該公司PAN-木素基LCCF亦已商業(yè)化生產(chǎn)；道化學(xué)聚烯烴基低LCCF預(yù)計(jì)2017年進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行；橡樹(shù)林實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和GrafTech公司合作建設(shè)的100%木質(zhì)素基LCCF生產(chǎn)工廠，設(shè)計(jì)產(chǎn)能6 250 t/a的生產(chǎn)線項(xiàng)目也已在實(shí)施中。

過(guò)去的十幾年間，LCCF的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，LCCF生產(chǎn)呈快速進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)形勢(shì)，碳纖維的成本亦將從平均價(jià)格水平的44美元/kg非常接近LCCF的成本11～15.4 美元/kg的預(yù)期。

我國(guó)是碳纖維使用和生產(chǎn)的重要國(guó)家，2013年碳纖維產(chǎn)能達(dá)到1.8×104t/a，實(shí)際產(chǎn)量3 000 t。設(shè)備開(kāi)工率僅20%，眾多的國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)實(shí)際上仍處在試驗(yàn)階段，研究與開(kāi)發(fā)力量相對(duì)薄弱。碳纖維品質(zhì)低下和不正常的成本結(jié)構(gòu)，致使這些企業(yè)在開(kāi)拓市場(chǎng)方面遇到了前所未有的困難。近來(lái)黑龍江天順科技公司在5 t/a規(guī)模的試驗(yàn)設(shè)備上成功制得T700級(jí)碳纖維，成本控制在200 元/kg（相當(dāng)于30 美元/kg）這是國(guó)內(nèi)碳纖維技術(shù)上的不小進(jìn)步。

我國(guó)是汽車生產(chǎn)大國(guó)也是汽車消費(fèi)大國(guó)，預(yù)計(jì)2020年汽車產(chǎn)能將突破4×107輛/a。汽車輕量化牽系著碳纖維及其復(fù)合材料的市場(chǎng)。靜下心來(lái)考量，國(guó)內(nèi)沒(méi)有賽車的品牌，亦還沒(méi)有超豪華級(jí)車型的設(shè)計(jì)能力，無(wú)結(jié)構(gòu)特性要求的量產(chǎn)車型占據(jù)著絕大的市場(chǎng)，無(wú)疑國(guó)內(nèi)汽車輕量化需要的是LCCF及其復(fù)合材料[7]。隨著LCCF的商業(yè)化生產(chǎn)，未來(lái)5 年，LCCF及其復(fù)合材料將進(jìn)入應(yīng)用拓展時(shí)期。從目前國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)的研發(fā)狀況看，還不可能提供LCCF技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品，在應(yīng)對(duì)量產(chǎn)汽車輕量化市場(chǎng)的變化上，我們亦會(huì)面臨一個(gè)十分困難的境況。

3 結(jié)語(yǔ)

目前全球CFRP市場(chǎng)規(guī)模在1×1010美元，預(yù)計(jì)2020年將躍升到4×1010美元。其間汽車用CFRP市場(chǎng)份額會(huì)有30%的年增長(zhǎng)率。無(wú)結(jié)構(gòu)特性要求的量產(chǎn)汽車市場(chǎng)將面臨提高燃油效率的挑戰(zhàn)，也將催生LCCF的研究與開(kāi)發(fā)[9]。

國(guó)內(nèi)LCCF的研究與開(kāi)發(fā)投入不多，相關(guān)的應(yīng)用研究基本上是空白狀態(tài)，開(kāi)展高性能/質(zhì)量比纖維材料的研究是市場(chǎng)的需求，也是日益惡化的公共環(huán)境的要求。

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The application of low-cost carbon fiber composites in passenger vehicle

LU Chang-chun

( Chemical Fiber New Tech Development Center, Beijing 100020 China )

Carbon fiber composites can reduce the weight of passenger vehicle, increase vehicle fuel economy and reduce the carbon dioxide emissions. However, high cost of carbon fiber hinders the extensive application of the carbon fiber composites. This article briefly introduces the R&D trend of low-cost carbon fiber and status in rapid commercialization of lignin-based and polyolefin-based carbon fiber.

low cost carbon fiber; composites; passenger vehicle; application

TQ342.742; U465.6

A

1007-9815（2016）02-0014-05

定稿日期:2016-03-18

蘆長(zhǎng)椿（1941-），男，北京人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事纖維新材料研究開(kāi)發(fā)和相關(guān)信息研究，(電子信箱) changchunlu8@163.com。