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

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，因其獨特的高強高模優(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)面強度低、抗沖擊力差的缺點。[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，具有高強度高模量低密度輕質(zhì)量的特點。它的強度是鋼鐵的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比

1.2 碳纖維材料分類

根據(jù)不同原材料，達到工業(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、價格適中、生產(chǎn)難度低、品種多占據(jù)絕對主要地位，份額達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比

根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維可按照絲束大小進行分類，可分為大絲束碳纖維（工業(yè)級碳纖維）和小絲束碳纖維（宇航級碳纖維）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，是目前市場上的主流產(chǎn)品[1]。

表3 兩類絲束碳纖維對比

2 3D編織技術(shù)

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

3D編織技術(shù)是二十一世紀最重要的紡織技術(shù)，它具有4點獨特優(yōu)勢。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行增強。第二，通過該技術(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]

從編織方法來統(tǒng)計，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。由于紗線的一個運動循環(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也可以是軸紗和編織紗兩個。其編織紗的攜紗器沿z形軌跡在橫向和縱向間運動，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。由于紗線的一個運動循環(huán)分為z形運動、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，將此作為增強骨架進行浸膠固化而直接制成3D編織復(fù)合材料。

圖1 3D編織及市場上已有的碳纖維制品

3D編織需要專門的自動化編織機，使用CAD/CAML軟件提前進行碳纖維束的排列布局設(shè)計，并對3D編織軌跡實行動態(tài)模擬，即可根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)崿F(xiàn)自動化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成型的飛機復(fù)合材料構(gòu)件。

圖2 用3D編織與RTM成型的直升機起落架

4 碳纖維3D編織機設(shè)備廠家

在國際上，歐美、日本等發(fā)達國家均有不同程度的3D編織機技術(shù)成果，但由于3D織機的高技術(shù)含量和制造難度，國外相關(guān)企業(yè)很少對外出售設(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)需求客戶為盈利來源，如美國的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，國內(nèi)包括天津工業(yè)大學、東華大學、國防科大在內(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)大學復(fù)合材料研究所，建成了國內(nèi)唯一的集材料設(shè)計、多向編織、液體模塑成型、材料性能表征等為一體的先進紡織復(fù)合材料的研究開發(fā)平臺，研究成果達到了國際先進水平。備受矚目的“神十一”，其中的重要部件使用的3D編織增強材料，出自該研究所之手。[6]東華大學孫以澤團隊與行業(yè)龍頭企業(yè)合作，提出了無接頭扣環(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編織技術(shù)，研制了五大類特種編織機成套裝備，實現(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，填補了多項國內(nèi)外空白，其研制裝備占據(jù)了國內(nèi)25%以上的市場份額。北京柏瑞鼎科技有限公司與北京航空航天大學劉振國團隊形成了產(chǎn)學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技術(shù)工藝鏈。佛山慈慧通達科技有限公司、徐州恒輝編織機械有限公司、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 風力發(fā)電

5.1.1風電葉片

據(jù)統(tǒng)計，未來5年風電市場的年均增長率為4%，其蓬勃發(fā)展為碳纖維市場帶來機遇。隨著風輪直徑的不斷擴大，碳纖維3D編制技術(shù)用于風電葉片領(lǐng)域已是必然之選。風電葉片的長度從100米增長到125米甚至更長，既容易變形又不利于發(fā)電效率，通過質(zhì)量輕、強度高、模量高的大絲束碳纖維可解決這一難題。風電設(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，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準件的組合過程，降本增效。在此領(lǐng)先的新型工藝下，國內(nèi)碳纖維供應(yīng)商如光威復(fù)材與VESTAS已于2019年開始合作，標志著碳纖維的需求又將實現(xiàn)長遠的進展。

表4 風電葉片大梁的制備工藝

5.1.2漂浮式平臺

著眼于未來技術(shù)，碳纖維3D編織技術(shù)在風電領(lǐng)域同樣大有可為。目前海上風電主要集中在近海的淺水，采用陸上風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，如何固定這些平臺，可能會為碳纖維帶來新的應(yīng)用機遇。

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，即按照高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復(fù)合材料的順序逐步過渡。

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、車輛運行振動沖擊強等較為惡劣工作環(huán)境。碳纖維材料所具有的高強度、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，必將帶動碳纖維長足發(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度。[8]

5.2.3 燃料電池儲氫

據(jù)統(tǒng)計，在未來30年內(nèi)，我國儲氫瓶市場有望達到3234億元規(guī)模，我國很可能成為全球最大的車載儲氫瓶市場。當前主流新能源燃料電池車儲氫技術(shù)依然為在35MPa或70MPa壓力的儲氫瓶中儲備氫燃料。具有優(yōu)良耐高溫、抗沖擊性能的碳纖維材料作為儲氫瓶的內(nèi)膽，是氫氣儲運領(lǐng)域的關(guān)鍵部件。然而，目前該類碳纖維50%依賴進口，極大地阻礙了我國燃料電池儲氫技術(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年的美國棕櫚灘國際游艇展上，瑞典X Shore公司推出了一款26英尺全電動、碳纖維船體的電動游艇Eelex 8000，以6～8節(jié)的較低航速航行時，航行可達數(shù)百海里，最大航速可達35節(jié)。該電動艇在業(yè)界處于先進地位，是我國船舶技術(shù)發(fā)展的方向之一。

6 結(jié)語

碳纖維3D編織技術(shù)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景可觀。風電葉片、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。從長遠來看，可從深海海域漂浮式平臺、儲氫容器、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)，碳纖維先進材料必將在我國新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

[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, 2008.

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

[3] 張美忠, 李賀軍, 李克智. 三維編織復(fù)合材料的力學性能研究現(xiàn)狀[J]. 材料工程, 2004(2): 5.

[4] 孫其永, 李嘉祿, 焦亞男. 三維編織物的縫合連接技術(shù)研究[J]. 玻璃鋼／復(fù)合材料, 2008(3): 3.

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

[6] 佚名. 特種紡織材料助力"神十"飛天[J]. 非織造布, 2013(3): 2.

[7] 于艷敏. 新能源汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 汽車工程師, 2018(11): 4.

[8] 張曉紅, 周鋒, 馮奇,等. 車用動力電池碳纖維箱體的設(shè)計研究[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