复合材料新型成型工艺

1、复合材料新型成型工艺对于高端复合材料成型工艺，由于预浸料具有精确的纤维和树脂质量分数优点，所以以预浸 料为原料，开展了很多新的成型工艺，有些正在替代传统成型工艺。另外，汽车领域对复合 材料短时间成型要求高，也催生了一些快速成型工艺。 新型拉挤与缠绕工艺。传统的拉挤与缠绕工艺的最大优点是自动化程度高，缺点是由于 丝束浸润树脂的质量分数不均和较为随机的排列，导致树脂质量分数精确度低、纤维浸润均 匀度低和产品品质不高的缺点。采用预浸带材后，传统拉挤工艺可以提升为先进拉挤工艺 （ADP, Advanced Pultrution）,既可以完成精确的铺放，又可以采用连续模压，形成高品 质型材；缠绕工艺采用

2、预浸带，那么可以生产出更精密的管材与罐类产品。自动铺纤维（带）工艺。1960年代，美国空军率先开发自动铺带技术，实现了对手工铺 放工艺的替换。之后,以美国MAG Cincinnati、Ingersoll,法国Forest-Line （2011年被 MAG收购）和西班牙M-Torres为代表的传统数控机床设备厂家积极推动大型自动铺放设备 的开展，2012年MAG推出了铺纤、铺带一体机；随着工业机器人在工业中的普及，借助多 轴机器人带动铺放头的自动铺放设备蓬勃开展，可以经济地加工中心型零件的铺放。法国的 Coriolis是这个行业的典范，他们开发的16 （或32）条窄带，窄带宽度6. 35mm,可

3、实现 16 （32）条内任何数量的铺放，满足复杂外表的高精度铺放。热塑性预浸带自动铺放设备也 是一个亮点，在铺放预浸带的同时，通过激光、热吹风等加热方式熔化树脂，把预浸带压实 到模具上，是热塑性复合材料精密加工典型的工艺57。有关公司的自动铺纤（带）机和 热塑性铺带机见图3。预浸料模压成型工艺（Prepreg Compression Molding, PCM）。为满足汽车行业对复合 材料快速成型的要求，以日本三菱为代表的厂家推出这个新型工艺（该工艺示意图见图4）, 结合其最新推出的大丝束碳纤维P330 60k和WCF 50k,三菱希望实现具有与小丝束类似的 良好加工性与高性能，与小丝束类似的高

4、品质，利用PCM实现高产能，最终为汽车行业提供 良好的价格与产量8。（4）先进树脂传递模塑成型工艺（Advanced RTM）。除了基于预浸料的新型工艺，对于干型 增强材料，比方各类机织布、多轴经编织物、三维编织物、缝编织物等，这些预成型Preform） 制件通过剪裁后，放置到模具中预定型，然后进入RTM模具，高压注入树脂，模具加热加压， 对材料固化定型。得益于新型的快速固化的树脂，复合材料可以在5 min内完成（工艺示意 图见图5）。目前，东丽、宝马与SGL的合资公司均采用该工艺，成功应用于汽车复合材料 的部件成型8。新开发的快速同化使浸经过修成型,然后在加2MRHI中进行囚化模具可买现快逮

5、循环使用.图4预浸料模压成型工艺示意图图5先进树脂传递模塑成型工艺工艺示意图回顾历史和以邻为鉴先有必要回顾一下中国碳纤维的开展史。I960年代，我们几乎是与日本和美国同时起步研 发碳纤维。1970年代，日本与美国在碳纤维领域有一个迅猛的开展；而我国张爱萍将军组 织的“7511会战”也取得了很大成绩。1980年代，东丽就宣布开发出其顶级产品T1000； 而台塑、Zoltek等公司刚起步；我国已经投资为吉林化学工业公司（现中石油吉化公司） 引进了英国产能100t/a的工程线，随后北京化工学院（现北京化工大学）利用联合国的资 助引进了英国产能10t/a的实验装置。1990年代，世界碳纤维格局发生巨大

6、变化，Cytec 收购Amoco碳纤维部门进入碳纤维领域，Hexcel收购Hecules碳纤维进入碳纤维领域，SGL 收购RK Carbon进入碳纤维领域，Zoltek收购匈牙利曙纶厂，为低本钱碳纤维打下原丝基 础；而我国的碳纤维事业却基本处于停滞状态。2001年，两院院士师昌绪先生给江泽民主席写了“关于加速开发高性能碳纤维的请示报告”, 重新点燃了中国碳纤维的开展之炬，尤其自2007年起（十一五期间），中国进入了如火如 荼般的碳纤维投资期，短短几年间即诞生了大量的碳纤维厂家，但绝大局部均处于低水平的 重复建设工程。全国各地先后至少45个城市和67家企业在上工程时宣称产能上1万 t/a,更有甚

7、者，有家企业以碳纤维技术方名义，竟前后分别与45家央、国企或民企合 作，不惜巨资和重复投资，在各地建“万吨级碳纤维工程”，甚至在当下碳纤维产业已整体 陷入困境的情况下，还与某市紧锣密鼓合作，声称要在该市投30亿元巨资上1万t/a产能 的小丝束碳纤维工程，虽然其技术水平低下，更没有PAN原丝技术，但却妄称自己是中国的 “碳纤维之父”，屡次三番得到某些政府和投资企业的青睐，竟然也不断得到某些知名专家、 权威的支持和吹捧，真乃咄咄怪事！也足见这种“烧钱”的投资行为已疯狂到无以复加的地 步！ 通过这段历史的简单回顾，可以断定我国碳纤维及其高性能复合材料的产业管理严重缺失。 早期，我们依靠中央组织会战；

8、后期，我们依靠著名科学家去呼吁，去推动；再后来，就各 自为阵，大干快上，相互复制。今天，30多家企业（除了极个别军工定点的企业）集体陷 入了空前的困境：一方面，千军万马蜂涌而上“独木桥”，但技术不过关，又无创新能力, 产品品质不如人且本钱过高，以前期盼的碳纤维及其复合材料的广阔应用愿景，好多在中国 并不存在和不现实，价格被国际市场打压在严重亏损的区间，导致国产碳纤维甚至亏本还难 卖，希望正在化为泡影。而另一方面，“独木桥”下仍不断有新的工程、巨资和热情在跃跃 欲试。整个产业的宏观管理堪称乱象丛生！有人对此却不以为然，认为市场经济就应该经历 这种群雄混战和优胜劣汰的过程。但是试问：我国对碳纤维的

9、投资难道是真正的市场经济行 为吗？答案和事实是绝大局部工程背后都有国家和地方政府、银行和央企支撑的身影，这显 然又是典型中国特色的“市场经济”产物！而与我国碳纤维开展模式大相径庭和不可思议的是，2007年时，一家土耳其的AKSA晴纶公 司初涉碳纤维领域，仅短短几年工夫就成了一匹惊愕于世的“黑马”，其Aksaca碳纤维性 能品级从A-42 （相当于东丽T300） 一下子突破A-49 （相当于东丽T700）,总产能跃升至 3500t/a,从2010年抢滩中国市场至今仅两年半时间，就在中国市场创造了销售1500t碳纤 维的奇迹，年销售量比中国全部碳纤维企业年实际销售总量（指合格品产品）还多！仅此为

10、鉴，难道还缺乏以令我们以碳纤维举国战略的泱泱大国震惊和汗颜吗？接下来，韩国的 Taekwang和Hyosung,还有沙特、印度等国近年来相继介入的碳纤维企业，也一定会快速在 国际碳纤维领域崛起，届时我们又将情何以堪？我国PAN基碳纤维产业现状据不完全统计，目前我国已有3235家公司投入碳纤维的研发与生产。其中自己拥有原丝 的有19家。如果按照已经购买了设备，已建成或在建的生产线统计，假如这些生产线全部 建成并投产，碳纤维总产能可到达约L62.0万t/a, “十一五”期间，企业、银行和国 家各级政府总共投入资金约100120亿 元人民币。该行业虽已经出现一些投资者退出和破 产的现象，但仍不乏有新

11、的投资者在进入。在生产碳纤维的型号和规格方面，目前所有的厂商中只有蓝星公司生产24k碳纤维，上海石 油晴纶事业部有大丝束的规划，其他厂家主要生产12k或以下k数产品。绝大局部厂家宣称， 产品到达东丽T300的水平。至少有5家企业宣布产品到达东丽T700的水平，但在市场上 鲜有批量的销售。至少有4家企业宣布产品到达东丽T800的主要技术指标，其中一家江苏 的企业高调宣称其在中国已率先攻克碳纤维生产线连续生产稳定性难题，甚至其碳纤维产品 力学性能和离散系数超越了东丽T800的指标。目前除了北京化工大学，还没有企业宣布高 模量碳纤维（类似东丽M40）的生产。目前国产强度3000 MPa左右12k碳纤

12、维在市场的售价约120元/kg以下，土耳其AKSA公司 A42A-49型号12k碳纤维的价格分别约135145元/kg,同级别台湾碳纤维价格类比土 耳其约高出15%,日本三菱TR50ST2k碳纤维价格约155元/kg,而日本东丽T700T2k碳纤 维价格较乱，约在180200元/kg之间，如果按照东丽2225美元/kg的国际价格，加上 进口关税和增值税，到中国市场价格应该是200多 元/kg,可能由于去年价格较低时，国内 有存货在今年抛售，或是导致东丽T700-12k价格混乱原因。上述价格让几乎所有碳纤维供 应商无利可图，尤其是国产碳纤维企业，很多厂家是低于本钱价抛售，销售越多，企业亏损 越大

13、。一方面是碳纤维生产线巨大的资金投入和存在大量的产品技术与品质问题令人纠结, 另一方面是亏本销售，碳纤维企业因此陷入了空前的困境。人们不禁要问，国内碳纤维市场的低价格走势是如何形成的？是国内碳纤维企业相互恶性竞 争的结果？或是国外老牌碳纤维企业有意打压中国新生的碳纤维产业？抑或处于成长期的 我国碳纤维因品质不好，目前只能被市场边缘化？但无论何种原因都不是我们所能掌控。唯 有打破僵局，努力寻求突破“围城”之路。虽有一些企业已积极向碳纤维下游产业链开拓，快速进入预浸料及各类织物的加工，甚至是 复合材料零件产品的制造。然而他们却发现，进入这些行业后也面临很大的技术问题，做出 的产品品质、性能和性价比

14、也不高，很难在市场竞争中获胜或无法进入高端市场。到头来是 摊子越铺越大，路子却越走越艰难，企业或将陷入更大的困境。需从复合材料系统性降低本钱来实现低本钱化国际上业界有一句流行的话：从原材料到碳纤维，价格从1变到3；把碳纤维加工成复合材 料，价格可从3变到10。这句话表达了两层含义：从碳纤维到复合材料，增加的附加值更 多；碳纤维在复合材料中的本钱是约20%30%o但必须指出，所谓低本钱高性能复合材料 不是指绝对的低本钱，必须要强调高性能价格比，而且要强调系统下的比拟本钱优势，比方 汽车用碳纤维复合材料，不光要计算其零部件本身的本钱，更要计算组合安装本钱以及节能 减排和绿色环保效应带来的综合效益。否那么，只计算零部件的绝对本钱，高性能复合材料肯 定比传统或常规的复合材料高出很多。日本友人曾形象的比喻，碳纤维生产犹如中国传统的象牙雕刻，需要精雕细琢, 而中国