復(fù)合材料新型成型工藝

1、復(fù)合材料新型成型工藝對(duì)于高端復(fù)合材料成型工藝，由于預(yù)浸料具有精確的纖維和樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)點(diǎn)，所以以預(yù)浸 料為原料，開(kāi)展了很多新的成型工藝，有些正在替代傳統(tǒng)成型工藝。另外，汽車領(lǐng)域?qū)?fù)合 材料短時(shí)間成型要求高，也催生了一些快速成型工藝。 新型拉擠與纏繞工藝。傳統(tǒng)的拉擠與纏繞工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，缺點(diǎn)是由于 絲束浸潤(rùn)樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不均和較為隨機(jī)的排列，導(dǎo)致樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)精確度低、纖維浸潤(rùn)均 勻度低和產(chǎn)品品質(zhì)不高的缺點(diǎn)。采用預(yù)浸帶材后，傳統(tǒng)拉擠工藝可以提升為先進(jìn)拉擠工藝 （ADP, Advanced Pultrution）,既可以完成精確的鋪放，又可以采用連續(xù)模壓，形成高品 質(zhì)型材；纏繞工藝采用

2、預(yù)浸帶，那么可以生產(chǎn)出更精密的管材與罐類產(chǎn)品。自動(dòng)鋪纖維（帶）工藝。1960年代，美國(guó)空軍率先開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手工鋪 放工藝的替換。之后,以美國(guó)MAG Cincinnati、Ingersoll,法國(guó)Forest-Line （2011年被 MAG收購(gòu)）和西班牙M-Torres為代表的傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床設(shè)備廠家積極推動(dòng)大型自動(dòng)鋪放設(shè)備 的開(kāi)展，2012年MAG推出了鋪纖、鋪帶一體機(jī)；隨著工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)中的普及，借助多 軸機(jī)器人帶動(dòng)鋪放頭的自動(dòng)鋪放設(shè)備蓬勃開(kāi)展，可以經(jīng)濟(jì)地加工中心型零件的鋪放。法國(guó)的 Coriolis是這個(gè)行業(yè)的典范，他們開(kāi)發(fā)的16 （或32）條窄帶，窄帶寬度6. 35mm,可

3、實(shí)現(xiàn) 16 （32）條內(nèi)任何數(shù)量的鋪放，滿足復(fù)雜外表的高精度鋪放。熱塑性預(yù)浸帶自動(dòng)鋪放設(shè)備也 是一個(gè)亮點(diǎn)，在鋪放預(yù)浸帶的同時(shí)，通過(guò)激光、熱吹風(fēng)等加熱方式熔化樹(shù)脂，把預(yù)浸帶壓實(shí) 到模具上，是熱塑性復(fù)合材料精密加工典型的工藝57。有關(guān)公司的自動(dòng)鋪纖（帶）機(jī)和 熱塑性鋪帶機(jī)見(jiàn)圖3。預(yù)浸料模壓成型工藝（Prepreg Compression Molding, PCM）。為滿足汽車行業(yè)對(duì)復(fù)合 材料快速成型的要求，以日本三菱為代表的廠家推出這個(gè)新型工藝（該工藝示意圖見(jiàn)圖4）, 結(jié)合其最新推出的大絲束碳纖維P330 60k和WCF 50k,三菱希望實(shí)現(xiàn)具有與小絲束類似的 良好加工性與高性能，與小絲束類似的高

4、品質(zhì)，利用PCM實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，最終為汽車行業(yè)提供 良好的價(jià)格與產(chǎn)量8。（4）先進(jìn)樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（Advanced RTM）。除了基于預(yù)浸料的新型工藝，對(duì)于干型 增強(qiáng)材料，比方各類機(jī)織布、多軸經(jīng)編織物、三維編織物、縫編織物等，這些預(yù)成型Preform） 制件通過(guò)剪裁后，放置到模具中預(yù)定型，然后進(jìn)入RTM模具，高壓注入樹(shù)脂，模具加熱加壓， 對(duì)材料固化定型。得益于新型的快速固化的樹(shù)脂，復(fù)合材料可以在5 min內(nèi)完成（工藝示意 圖見(jiàn)圖5）。目前，東麗、寶馬與SGL的合資公司均采用該工藝，成功應(yīng)用于汽車復(fù)合材料 的部件成型8。新開(kāi)發(fā)的快速同化使浸經(jīng)過(guò)修成型,然后在加2MRHI中進(jìn)行囚化模具可買現(xiàn)快逮

5、循環(huán)使用.圖4預(yù)浸料模壓成型工藝示意圖圖5先進(jìn)樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝工藝示意圖回顧歷史和以鄰為鑒先有必要回顧一下中國(guó)碳纖維的開(kāi)展史。I960年代，我們幾乎是與日本和美國(guó)同時(shí)起步研 發(fā)碳纖維。1970年代，日本與美國(guó)在碳纖維領(lǐng)域有一個(gè)迅猛的開(kāi)展；而我國(guó)張愛(ài)萍將軍組 織的“7511會(huì)戰(zhàn)”也取得了很大成績(jī)。1980年代，東麗就宣布開(kāi)發(fā)出其頂級(jí)產(chǎn)品T1000； 而臺(tái)塑、Zoltek等公司剛起步；我國(guó)已經(jīng)投資為吉林化學(xué)工業(yè)公司（現(xiàn)中石油吉化公司） 引進(jìn)了英國(guó)產(chǎn)能100t/a的工程線，隨后北京化工學(xué)院（現(xiàn)北京化工大學(xué)）利用聯(lián)合國(guó)的資 助引進(jìn)了英國(guó)產(chǎn)能10t/a的實(shí)驗(yàn)裝置。1990年代，世界碳纖維格局發(fā)生巨大

6、變化，Cytec 收購(gòu)Amoco碳纖維部門進(jìn)入碳纖維領(lǐng)域，Hexcel收購(gòu)Hecules碳纖維進(jìn)入碳纖維領(lǐng)域，SGL 收購(gòu)RK Carbon進(jìn)入碳纖維領(lǐng)域，Zoltek收購(gòu)匈牙利曙綸廠，為低本錢碳纖維打下原絲基 礎(chǔ)；而我國(guó)的碳纖維事業(yè)卻基本處于停滯狀態(tài)。2001年，兩院院士師昌緒先生給江澤民主席寫(xiě)了“關(guān)于加速開(kāi)發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告”, 重新點(diǎn)燃了中國(guó)碳纖維的開(kāi)展之炬，尤其自2007年起（十一五期間），中國(guó)進(jìn)入了如火如 荼般的碳纖維投資期，短短幾年間即誕生了大量的碳纖維廠家，但絕大局部均處于低水平的 重復(fù)建設(shè)工程。全國(guó)各地先后至少45個(gè)城市和67家企業(yè)在上工程時(shí)宣稱產(chǎn)能上1萬(wàn) t/a,更有甚

7、者，有家企業(yè)以碳纖維技術(shù)方名義，竟前后分別與45家央、國(guó)企或民企合 作，不惜巨資和重復(fù)投資，在各地建“萬(wàn)噸級(jí)碳纖維工程”，甚至在當(dāng)下碳纖維產(chǎn)業(yè)已整體 陷入困境的情況下，還與某市緊鑼密鼓合作，聲稱要在該市投30億元巨資上1萬(wàn)t/a產(chǎn)能 的小絲束碳纖維工程，雖然其技術(shù)水平低下，更沒(méi)有PAN原絲技術(shù)，但卻妄稱自己是中國(guó)的 “碳纖維之父”，屢次三番得到某些政府和投資企業(yè)的青睞，竟然也不斷得到某些知名專家、 權(quán)威的支持和吹捧，真乃咄咄怪事！也足見(jiàn)這種“燒錢”的投資行為已瘋狂到無(wú)以復(fù)加的地 步！ 通過(guò)這段歷史的簡(jiǎn)單回顧，可以斷定我國(guó)碳纖維及其高性能復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)管理嚴(yán)重缺失。 早期，我們依靠中央組織會(huì)戰(zhàn)；

8、后期，我們依靠著名科學(xué)家去呼吁，去推動(dòng)；再后來(lái)，就各 自為陣，大干快上，相互復(fù)制。今天，30多家企業(yè)（除了極個(gè)別軍工定點(diǎn)的企業(yè)）集體陷 入了空前的困境：一方面，千軍萬(wàn)馬蜂涌而上“獨(dú)木橋”，但技術(shù)不過(guò)關(guān)，又無(wú)創(chuàng)新能力, 產(chǎn)品品質(zhì)不如人且本錢過(guò)高，以前期盼的碳纖維及其復(fù)合材料的廣闊應(yīng)用愿景，好多在中國(guó) 并不存在和不現(xiàn)實(shí)，價(jià)格被國(guó)際市場(chǎng)打壓在嚴(yán)重虧損的區(qū)間，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)碳纖維甚至虧本還難 賣，希望正在化為泡影。而另一方面，“獨(dú)木橋”下仍不斷有新的工程、巨資和熱情在躍躍 欲試。整個(gè)產(chǎn)業(yè)的宏觀管理堪稱亂象叢生！有人對(duì)此卻不以為然，認(rèn)為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)就應(yīng)該經(jīng)歷 這種群雄混戰(zhàn)和優(yōu)勝劣汰的過(guò)程。但是試問(wèn)：我國(guó)對(duì)碳纖維的

9、投資難道是真正的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)行 為嗎？答案和事實(shí)是絕大局部工程背后都有國(guó)家和地方政府、銀行和央企支撐的身影，這顯 然又是典型中國(guó)特色的“市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)”產(chǎn)物！而與我國(guó)碳纖維開(kāi)展模式大相徑庭和不可思議的是，2007年時(shí)，一家土耳其的AKSA晴綸公 司初涉碳纖維領(lǐng)域，僅短短幾年工夫就成了一匹驚愕于世的“黑馬”，其Aksaca碳纖維性 能品級(jí)從A-42 （相當(dāng)于東麗T300） 一下子突破A-49 （相當(dāng)于東麗T700）,總產(chǎn)能躍升至 3500t/a,從2010年搶灘中國(guó)市場(chǎng)至今僅兩年半時(shí)間，就在中國(guó)市場(chǎng)創(chuàng)造了銷售1500t碳纖 維的奇跡，年銷售量比中國(guó)全部碳纖維企業(yè)年實(shí)際銷售總量（指合格品產(chǎn)品）還多！僅此為

10、鑒，難道還缺乏以令我們以碳纖維舉國(guó)戰(zhàn)略的泱泱大國(guó)震驚和汗顏嗎？接下來(lái)，韓國(guó)的 Taekwang和Hyosung,還有沙特、印度等國(guó)近年來(lái)相繼介入的碳纖維企業(yè)，也一定會(huì)快速在 國(guó)際碳纖維領(lǐng)域崛起，屆時(shí)我們又將情何以堪？我國(guó)PAN基碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有3235家公司投入碳纖維的研發(fā)與生產(chǎn)。其中自己擁有原絲 的有19家。如果按照已經(jīng)購(gòu)買了設(shè)備，已建成或在建的生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)，假如這些生產(chǎn)線全部 建成并投產(chǎn)，碳纖維總產(chǎn)能可到達(dá)約L62.0萬(wàn)t/a, “十一五”期間，企業(yè)、銀行和國(guó) 家各級(jí)政府總共投入資金約100120億 元人民幣。該行業(yè)雖已經(jīng)出現(xiàn)一些投資者退出和破 產(chǎn)的現(xiàn)象，但仍不乏有新

11、的投資者在進(jìn)入。在生產(chǎn)碳纖維的型號(hào)和規(guī)格方面，目前所有的廠商中只有藍(lán)星公司生產(chǎn)24k碳纖維，上海石 油晴綸事業(yè)部有大絲束的規(guī)劃，其他廠家主要生產(chǎn)12k或以下k數(shù)產(chǎn)品。絕大局部廠家宣稱， 產(chǎn)品到達(dá)東麗T300的水平。至少有5家企業(yè)宣布產(chǎn)品到達(dá)東麗T700的水平，但在市場(chǎng)上 鮮有批量的銷售。至少有4家企業(yè)宣布產(chǎn)品到達(dá)東麗T800的主要技術(shù)指標(biāo)，其中一家江蘇 的企業(yè)高調(diào)宣稱其在中國(guó)已率先攻克碳纖維生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定性難題，甚至其碳纖維產(chǎn)品 力學(xué)性能和離散系數(shù)超越了東麗T800的指標(biāo)。目前除了北京化工大學(xué)，還沒(méi)有企業(yè)宣布高 模量碳纖維（類似東麗M40）的生產(chǎn)。目前國(guó)產(chǎn)強(qiáng)度3000 MPa左右12k碳纖

12、維在市場(chǎng)的售價(jià)約120元/kg以下，土耳其AKSA公司 A42A-49型號(hào)12k碳纖維的價(jià)格分別約135145元/kg,同級(jí)別臺(tái)灣碳纖維價(jià)格類比土 耳其約高出15%,日本三菱TR50ST2k碳纖維價(jià)格約155元/kg,而日本東麗T700T2k碳纖 維價(jià)格較亂，約在180200元/kg之間，如果按照東麗2225美元/kg的國(guó)際價(jià)格，加上 進(jìn)口關(guān)稅和增值稅，到中國(guó)市場(chǎng)價(jià)格應(yīng)該是200多 元/kg,可能由于去年價(jià)格較低時(shí)，國(guó)內(nèi) 有存貨在今年拋售，或是導(dǎo)致東麗T700-12k價(jià)格混亂原因。上述價(jià)格讓幾乎所有碳纖維供 應(yīng)商無(wú)利可圖，尤其是國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)，很多廠家是低于本錢價(jià)拋售，銷售越多，企業(yè)虧損 越大

13、。一方面是碳纖維生產(chǎn)線巨大的資金投入和存在大量的產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)問(wèn)題令人糾結(jié), 另一方面是虧本銷售，碳纖維企業(yè)因此陷入了空前的困境。人們不禁要問(wèn)，國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)的低價(jià)格走勢(shì)是如何形成的？是國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)相互惡性競(jìng) 爭(zhēng)的結(jié)果？或是國(guó)外老牌碳纖維企業(yè)有意打壓中國(guó)新生的碳纖維產(chǎn)業(yè)？抑或處于成長(zhǎng)期的 我國(guó)碳纖維因品質(zhì)不好，目前只能被市場(chǎng)邊緣化？但無(wú)論何種原因都不是我們所能掌控。唯 有打破僵局，努力尋求突破“圍城”之路。雖有一些企業(yè)已積極向碳纖維下游產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)拓，快速進(jìn)入預(yù)浸料及各類織物的加工，甚至是 復(fù)合材料零件產(chǎn)品的制造。然而他們卻發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入這些行業(yè)后也面臨很大的技術(shù)問(wèn)題，做出 的產(chǎn)品品質(zhì)、性能和性價(jià)比

14、也不高，很難在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝或無(wú)法進(jìn)入高端市場(chǎng)。到頭來(lái)是 攤子越鋪越大，路子卻越走越艱難，企業(yè)或?qū)⑾萑敫蟮睦Ь?。需從?fù)合材料系統(tǒng)性降低本錢來(lái)實(shí)現(xiàn)低本錢化國(guó)際上業(yè)界有一句流行的話：從原材料到碳纖維，價(jià)格從1變到3；把碳纖維加工成復(fù)合材 料，價(jià)格可從3變到10。這句話表達(dá)了兩層含義：從碳纖維到復(fù)合材料，增加的附加值更 多；碳纖維在復(fù)合材料中的本錢是約20%30%o但必須指出，所謂低本錢高性能復(fù)合材料 不是指絕對(duì)的低本錢，必須要強(qiáng)調(diào)高性能價(jià)格比，而且要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)下的比擬本錢優(yōu)勢(shì)，比方 汽車用碳纖維復(fù)合材料，不光要計(jì)算其零部件本身的本錢，更要計(jì)算組合安裝本錢以及節(jié)能 減排和綠色環(huán)保效應(yīng)帶來(lái)的綜合效益。否那么，只計(jì)算零部件的絕對(duì)本錢，高性能復(fù)合材料肯 定比傳統(tǒng)或常規(guī)的復(fù)合材料高出很多。日本友人曾形象的比喻，碳纖維生產(chǎn)猶如中國(guó)傳統(tǒng)的象牙雕刻，需要精雕細(xì)琢, 而中國(guó)