轨道交通用碳纤维复合材料技术现状与发展趋势

碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能优异、性能可设计、易于大面积成型等突出优点,是促进轨道交通装备轻量化发展,提升运行速度、运载能力、安全性与舒适性的理想材料。文中总结了现阶段碳纤维复合材料在轨道交通领域的成功应用案例;在此基础上,从基础原材料、结构设计、成型制造的3个维度详细分析了轨道交通用碳纤维复合材料技术现状;针对高质量、低成本轨道交通用复合材料需求,结合航空航天领域相关技术最新进展,对未来轨道交通领域碳纤维复合材料的发展趋势进行了展望。

低成本碳纤维用新型原丝技术分析

碳纤维作为轻质高强先进复合材料的增强体,近年来,除了传统的航空航天领域应用外,在风电、储氢气瓶、汽车等领域的用量突飞猛进发展。碳纤维较高的价格是其进一步扩大应用的痛点,碳纤维的低成本化越来越引起注意。综述了近年来在碳纤维低成本研发方面使用的新型原丝技术,如木质素、聚烯烃、纺织品级聚丙烯腈等原丝路线,讨论了新型原丝制得的碳纤维的性能、优缺点及成本情况,总结并展望了碳纤维低成本化亟待解决的问题及未来发展趋势。

低成本碳纤维的研究进展与应用

碳纤维具有优异的力学性能,因此碳纤维及其复合材料在越来越多的行业中得到应用。然而,受限于碳纤维较高的制造成本,限制了碳纤维在风电、汽车、建筑增强材料等领域的规模化应用。近年来,世界多国对低成本碳纤维的研究付出了很多努力。碳纤维原丝制造成本是影响碳纤维制造成本的主要因素,这是目前低成本碳纤维的主要研究方向。综述了采用降低碳纤维原丝制造成本,进而降低碳纤维制造成本相关技术的研究进展,并对低成本碳纤维的应用领域现状进行了总结。

基于高效低成本的轨道交通装备复合材料成型工艺研究

随着材料技术的发展,碳纤维复合材料正在轨道交通装备领域实现从非承力件到次承力件再到主承力件过渡应用,但是现阶段主要以部件实现成型为主,未充分考虑高效低成本的技术开展。针对轨道交通装备领域复合材料成型技术的应用,总结梳理现有典型部件的成型技术特点,充分借鉴航空系统等其他高端装备制造行业的技术积累,结合轨道交通对于结构与材料多元化的发展需求,探寻非热压罐成型技术、液体成型技术以及自动铺放技术等高效低成本成型技术的发展,提高复合材料部件的成型质量,以实现碳纤维复合材料在轨道交通装备领域的成熟应用。

面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术

轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。结合汽车产品特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。

低成本高性能碳纤维的研究进展

简介了碳纤维的发展历程、种类和性能,重点综述了低成本高性能碳纤维的研究进展,并对碳纤维的发展前景进行了展望。指出随着社会经济的不断发展,碳纤维的市场需求越来越大。然而高昂的碳纤维生产成本,限制了碳纤维的普及应用。低成本高性能碳纤维是开拓碳纤维应用领域的关键环节,开发新型的碳纤维前躯体与优化碳纤维生产工艺已成为碳纤维研究的当务之急。

碳纤维及其复合材料高效低成本制备技术进展

分别从聚合、原丝制备、预氧化及碳化工艺等方面对低成本碳纤维的制备技术进行了综述。而碳纤维增强复合材料的高成本不仅来自于碳纤维,还来自于复合材料的制造成本,因此,也概述了几种碳纤维增强复合材料的低成本制备技术,包括RTM/RFI工艺、自动铺放技术、纤维缠绕和拉挤成形、电子束固化。最后特别指出,碳纸维制备成本是决定复合材料能否大规模取代钢材的根本所在,因此,我国应高度重视碳纤维的高效低成本制备新技术的研究与开发。

低成本碳纤维复合材料在乘用车上的应用

碳纤维增强复合材料(CFRP)可以减轻乘用车体质量,改善燃油效率,减少CO2的排放,但碳纤维高昂的成本制约了它的广泛应用。简介了低成本碳纤维(LCCF)的研究与开发动向以及木质素基和聚烯烃基碳纤维技术快速进入商业化的的态势。

树脂配制方法的改进对双马树脂及预浸料性能影响

提出浆料混合法配制热塑性树脂改性聚醚酮（PEK-C）增韧的双马树脂,研究浆料混合法配制的双马树脂及其T700碳纤维预浸料的基本性能,并与传统热熔法进行比较。结果发现,与传统热熔法相比,浆料混合法显著提高树脂和预浸料的粘性和室温储存稳定性,预浸料由传统的无粘性变成粘性和可操作性良好,室温粘性和力学性能储存期由原来的20天提高到至少三个月以上,并且制备预浸料的涂布头温度和热压辊温度可降低30-40℃左右,明显改进了预浸料的制备工艺。复合材料的力学性能和耐热性测试结果表明,改变树脂配制方法对复合材料的力学性能和耐热性没有影响。

碳纤维低成本制备技术

本文介绍国外在碳纤维低成本制备技术的新思路及其研究的现状，包括碳纤维成本分析、美国的低成本碳纤维研制计划、在原丝、预氧化及碳化等方面当前正在研究开发的新技术。

汽车轻量节能和低成本环保的创新解决方案

我国汽车工业正面临4个方面的重大挑战：2020年节能环保法律法规的强化;汽车碳纤维复合材料化是大势所趋,日本碳纤维厂家开发部分预氧化黑色原丝,并采用微波碳化和等离子体表面处理,使生产效率提高10倍;碳纤维增强热塑性和热固性复合材料的成型时间各达到1~3 min;动力电池的创新发展拉大了与中国的差距。为此提出以下6个方面创新的解决方案加以应对：引进高效低成本的大丝束PAN基碳纤维生产线,生产效率提高5倍,并研发上述黑色原丝;引进新型低成本快速成型CFRP固化剂;添加廉价的中空微纳米陶瓷粉体,可大幅度降低汽车用工程塑料和CFRP部件的成本,提高综合性能和附加某些功能;用对位芳纶轮胎取代钢丝胎;加快固体钒动力电池的中试和产业化,其理论质量能量密度是锂离子电池的10倍,小试已达到400~600 k Wh/kg,由于设计理念全新,体积和质量越小,电动车的续驶距离越远,无需充电,不存在安全问题,反应产物可再生循环使用;采用塑料光纤显示系统等。综上如是,方能使我国汽车产业迈向世界先进或领先水平。

碳纤维复合材料在飞机结构中的应用

回顾了40年来碳纤维复合材料在飞机结构中的应用发展过程,从成本角度分析了影响其在飞机结构中扩大应用的障碍和现状,指出以碳纤维复合材料在空客A380、A350和波音787飞机中的大范围应用为代表,碳纤维复合材料技术已克服了成本障碍,为今后在更多领域高性能结构的大范围应用提供了可能,进入了大规模工业应用的新纪元。根据飞机结构使用碳纤维复合材料的经验教训,针对国内碳纤维发展现状,指出为扩大国产碳纤维在飞机及其他高性能结构中的应用,碳纤维生产企业应努力的方向:首先是保证产品质量的稳定性和可靠性,制订符合国际规范的材料标准和验收方法;其二应注重对碳纤维下游产品,即复合材料及其结构研制与评定,碳纤维是否能用于飞机结构,其主要依据是碳纤维对复合材料结构制造的适用性和相应的性能指标;同时应注意对复合材料结构设计技术的普及和人才培养。最后根据飞机结构完整性的要求,提出了对第二代碳纤维力学性能指标的某些建议。

碳纤维低成本制备技术

阐述了碳纤维的低成本制备技术及其研究进展,涉及采用新原材料、新工艺、新技术和生产设备国产化等诸多方面。表明低成本碳纤维关键技术的应用,将使碳纤维生产的制造成本降低20%以上,并将大幅度节约碳纤维复合材料的制造成本,促使扩大碳纤维在更多领域的应用。

纤维张力及均匀性对输电导线复合芯性能影响

讨论了碳纤维复合芯拉挤工艺中纤维张力及张力均匀性对复合芯强度及成本的影响。试验利用纤维张力计测定碳纤维复合芯拉挤生产过程中的纤维张力,研究了不同张力条件下碳纤维复合芯抗拉强度、卷绕性能与张力关系,同时通过控制纤维张力的均匀性研究纤维张力均匀性与复合芯径向耐压强度的关系。试验结果表明,纤维张力的大小及均匀性对拉挤复合芯棒综合性能具有明显的影响,复合芯拉伸强度随着纤维张力的增加逐渐增加,当张力控制在0.6%纤维强力时为最佳制备工艺;纤维张力的均匀性提高,且复合芯棒的径向耐压性能提高。通过控制纤维张力可以相应减少碳纤维原材料用量,达到降低碳纤维复合芯成本的目的,有利于碳纤维复合芯导线的大规模推广应用。

低成本PAN基碳纤维原丝生产技术研究

针对PAN原丝湿法纺丝工艺,分析了影响原丝成本结构的3个因素,即原材料消耗、过程消耗以及溶剂消耗。提出了降低原丝生产成本的6项措施和改进建议,表明低成本原丝生产技术的应用,将使原丝的生产成本降低27%以上,并将大幅度降低碳纤维的制造成本,推动碳纤维材料进入更加广阔的应用市场。同时,也为国内碳纤维项目设计和原丝工艺优化提供了一定的参考。

碳纤维的现状与新发展

碳纤维是先进复合材料最重要增强材料，世界各国对发展碳纤维都给予高度重视。碳纤维在经历了９０年代初期的相对稳定期后，进入了一个高速发展的新阶段。

基于小样本物理测试的复合材料B基准许用值分析计算

复合材料由于其复杂性及工艺和制造缺陷导致材料表现出极大的分散性,对其进行研究十分困难。目前的传统方法依赖大量试验,对人力、时间、材料成本要求极高。本文采用仿真方法,计算研究了实际工程中使用的一种碳纤维增强树脂基复合材料的纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩、横向压缩、面内剪切等5种力学性能的B基准许用值并分析了试验与计算之间的差异。对试验计算与仿真结果误差较大的纵向压缩强度及试验未计算出结果的横向拉伸强度进行了重点分析。计算误差控制在5%,且节省了成本。