By www.carbonfiber.com.cn

碳纤维复合材料的应用已经扩展到许多要求强度高、重量轻,以及高性能的新产品中。碳纤维复合材料的供应目前超过了需求,降低了碳纤维制原料造商们的盈利,但是他们依然保持乐观,认为需求会上涨。非热压罐固化技术和更短循环周期的趋势依然继续,Richard Stewart在报告中这么认为。



德国碳纤维供应商西格里集团(SGL Group)于去年十一月宣布了它最新一期的财务报告,尽管近来需求有所恢复,但是碳纤维市场依然面临着生产能力暂时过剩的问题,这是因为有大量新飞机项目搁浅,对风能的投资延期,以及来自体育运动和客户应用方面的需求下降。

“这已经导致市场环境中的竞争更加激烈,给价格和产量都带来了暂时的负面影响。”SGL 这么解释。“但是,最近需求的增大已经使得价格趋于稳定,尽管价格水平还不令人满意。2011年需要进一步提升价格,”报告这样指出。公司还说,最近几个月,它已经优化了其前端供应结构,增加了两个独立的生产地点。

波音787梦想飞机项目的长期搁浅已经导致供给与需求失衡。波音公司在一月份宣布,它预期在今年的第三季度交付首台梦想飞机。787项目已经逐步从生产单独的飞机转变成了飞机试飞项目。波音公司称,已经有四架飞机通过了无数次的陆地试验和一次全面检查,以确保它们准备就绪,可以投入飞行。

需求增长

美国知名碳纤维供应商卓尔泰克(Zoltek)公司在报告中称,虽然今年第一季度的部分业务出现下滑,但是该季度的销售额上升了14%,这反映了新客户带来的业务,它们在一定程度上弥补了在风能这项大业务中客户需求的减弱。

“我们看到了全球正再次兴起对碳纤维的大量需求,它们主要来自风能,这是我们产品的主要应用领域” 卓尔泰克公司的董事长兼CEO Zsolt Rumy解释说。

他在报告中称,在过去的两年中,中国、印度和其他国家在风能领域取得了长足的进步,高技术型公司朝着更加大型、高效的风力涡轮机方向发展。

“风能继续在全球各地得到应用,并进入一个崭新的快速发展阶段,” Rumy补充说,他指出,为高级风力涡轮机提供动力的超长叶片中用到了工业碳纤维,其中大部分都是由卓尔泰克公司生产的。



日本东丽(Toray Industries)最近宣布,预计市场对碳纤维的需求将逐步恢复,所以它已经决定在日本重新开始建造碳纤维生产厂房。新工厂预计在2012年9月投入使用。此外,东丽公司及其韩国分公司也正在韩国建造一家碳纤维生产工厂,以保证韩国本国内的产品供应稳定。该工厂预计在2013年投入使用。

在一月份时,东丽与戴姆勒公司(Daimler AG)宣布了一项合资计划,共同制造及经销碳纤维增强塑料(CFRP)汽车零部件。两家公司宣称,东丽已经着手于设计和成型工艺,戴姆勒公司则正在负责设计零件和研发零件连接技术。据介绍,它们将研发出一项创新的技术,可用于大规模生产CFRP零件,并且使成型周期得以显著缩短。东丽公司还获得了航空业的大量投资,它于2006年签署了一份长达16年的合同,至少价值60亿美元,旨在向波音公司的梦想飞机项目供应CFRP材料。

虽然三菱丽阳公司(Mitsubishi Rayon)的碳纤维及复合材料业务在2010年出现下滑,但是公司决定在另一家碳纤维工厂重新开工,它将使年产量增大2700吨。该工厂的建设曾因尚不能确定需求是否恢复而一度暂停。去年该公司与西格里集团公司建立了商业联盟,共同生产原丝,用于制造适于宝马超大城市车的碳纤维和纤维布。

美国碳纤维供应商赫氏公司(Hexcel)在其去年第四季度的报告中称销售状况变好,并指出它在2010年获得了相当多的来自飞机和风力客户的订单,这些客户为“我们的市场提供了一个大有改善的环境。”公司董事长兼CEO David Berges提到:“我们对2010年的业绩感到满意,尤其是因为,我们在年初时对于核心市场的走向非常没有把握。” 赫氏公司希望2011年的销售持续增长。



在土耳其,碳纤维生产商AKSA Akrilik Kimya公司已经决定将其现有生产线的年产量增大300吨,并建设第二条生产线以使产量再增加1700吨。在印度,Kemrock Industries公司和印度斯坦航空有限公司(Hindustan Aeronautics)最近宣布了其合作计划,它们将合资研发并生产CFRP预浸料,以应用于航空和国防领域。

热压罐技术的终结?

树脂体系和工艺的研发能够免除CFRP材料的热压罐固化——同时使材料具有与热压罐固化零件相同的性能和材料特性——这是一种被工业界优先采用的工艺。用于大型零件的热压罐建设成本高,工作费用昂贵,需要耗费大量电能。此外,工艺缓慢,导致大批零件积压,等待进行最终的固化。非热压罐(OOA)加工提供了一种成本低廉且周期时间短的替代方案。

一种创新的非热压罐工艺摘得了美国机械工程师学会举办的2010学生制造设计竞赛(Student Manufacturing Design Competition)的桂冠。来自纽约特洛伊伦斯勒理工学院的两名机械工程专业的博士生研发了一种创新的特种弹性体加工(Specialised Elastomeric Tooling,简写为SET)工艺,它无需使用热压罐,即可对先进的复合材料进行固化。

该工艺将材料置入加热的橡胶内衬模具内并挤压,从而达到固化复合材料层板的目的。加热过程发生得很快,因为复合材料与模具直接接触。伦斯勒称,他们使用计算机建模软件来优化模具的形状。据介绍,该SET工艺所耗费的能量还不到典型热压罐固化的千分之一。



树脂和预浸料供应商投入了更多的精力来加强非热压罐技术的应用。位于美国亚利桑那州坦佩地区的Cytec工程材料公司(Cytec Engineered Materials)已经研发出了CYCOM® 5320-1产品,这是一种专门用于非热压罐制造的增韧环氧树脂预浸料体系。Cytec公司研发出的这种材料不仅能够制造大型主结构,而且避免了热压罐固化成本和尺寸限制。

制造商称,低温、真空袋固化CYCOM材料所具有的机械性能相当于350°F (180°C)热压罐固化增韧环氧预浸料体系。它具有很好的灵活性,使固化周期在12 小时(200°F)至3小时(250°F)之间可变,(接下来还有2小时350°F的独立后固化阶段)。Cytec补充说,低成本加工和非热压罐固化的优点在于,试生产和高速率生产均可以使用同一种材料。



位于美国堪萨斯州的威奇塔州立大学先进材料性能国家中心目前正在其材料质量认证项目中评估Cytec的5320-1预浸料体系,以及Cytec的5276-1高韧性预浸料体系。该项目由美国空军研究实验室提供资助。

美国空军还资助了一个项目,旨在对澳大利亚Quickstep Holdings Ltd研发的OOA Quickstep固化专利技术进行质量认证。位于美国俄亥俄州代顿地区的Vector Composites和Quickstep Composites LLC两家公司已经达成协议,共同促进Quickstep工艺在北美洲航空和国防业界的客户及系统应用。该联合研究项目主要是为了对非热压罐双马来酰亚胺和环氧树脂CFRP材料进行质量认证,判断其是否适用于F35联合攻击战斗机。

西格里集团子公司HITCO碳复合材料公司(HITCO Carbon Composites,位于美国加州洛杉矶)在去年夏季接到了一份来自波音公司的合同,旨在运用非热压罐工艺制造三个大型的CFRP翼梁。该项目使用Cytec的预浸料坯材料,采用热隔膜成型、自动铺带与手糊成型相结合的技术。HITCO评论,由于采用了自动化制造技术和无热压罐工艺,复合材料结构的质量和一致性都得到了提高,有助于实现性能和成本目标,同时扩大复合材料的应用。

先进复合材料集团公司(ACG)是全球领先的先进复合碳纤维和玻璃纤维增强预浸料的制造商,它已经研发出了一系列用于非热压罐固化的树脂基体系。ACG的MTM®45-1环氧基碳纤维预浸料体系已经通过了空客的质量认证,包括纤维布和单向两种形式,均适用于制造飞机的基本和次级结构。经过130°C的低压、真空袋固化,使高韧环氧基体的性能得到优化,并在180°C的后固化工艺后实现其全部性能。



MTM-45-1被用于建造维京银河公司(Virgin Galactic)的WhiteKnightTwo和 SpaceShipTwo 宇宙飞船,它在一月份完成了第4次高海拔飞行,这是计划中的亚轨道航天飞行试验之前的一系列试飞之一。在其他项目中,预浸料体系还被用于多种形式来制造奎奈蒂克公司(QinetiQ)的Zephyr太阳能无人驾驶飞行器的机翼和机身结构。去年夏季,该飞行器打破了在高空持续飞行超过14天的记录。

在英国,一个由22家公司组成,并由GKN Aerospace公司领导的协会已经获得了由英国商业、创新和技术部(the Department for Business, Innovation and Skills)批给的500万英镑的资助,用于研发低成本、创新的碳纤维复合材料制造技术,以生产高性能、高价值产品。协会成员,如知名的i-Composites公司,将提供配套资金,使总经费达1000万英镑,以资助涉及多种关键技术领域的研究与发展项目。

作为一家为航空应用提供复合材料结构的独立供应商,GKN公司正在调研与复合材料自动化制造及非热压罐工艺相关的事项。航空部件制造商Spirit AeroSystems公司正在带领一个先进非热压罐树脂灌注工艺相关的项目。仿真专家Frazer-Nash Consultancy公司正在带领一个通过优化热压罐工艺以减小CFRP周期时间的项目。



i-Composites公司的合作伙伴正在研究的其他领域,包括减少压塑的工艺时间,3维织构、复合材料涂层、缺陷试验以及变形预测、微波固化和再生复合材料。

汽车应用在上升

CFRP汽车应用正在上升,因为汽车制造商努力想减小汽车的重量。宝马超大城市车的一项特色在于,它的客舱结构和其他CFRP部件均采用RTM工艺制造。西格里和宝马已经组建了一个合资公司,共同生产原料。戴姆勒与东丽公司也在合作生产适用于轻型车辆的CFRP零件。

大众与保时捷则与卡塔尔政府合作研发CFRP材料及加工系统,来生产汽车零部件。在一月份晚些时候,大众推出了其“1升车”(1-litre car)车型的第3版——该车型具有CFRP单体壳式结构和车身覆盖件。

其他碳纤维被覆车辆包括迈凯轮MP4-12C超级跑车,它具有一个单片成型的CFRP MonoCell单体式座舱,能够保护乘客。庞大的中空座舱仅重80kg(176磅)。兰博基尼已经向它的Murcielago LP670-4 SV增添了更多CFRP部件,使车重减小了100 kg (220磅)。

据称,英国跑车制造商Noble即将生产一款M600超级跑车,它是该公司第一台采用CFRP车体的车辆。该车重1250 kg (2756 磅),其官方标称0-120mph加速时间为8.9秒,最高速度为225mph。据说,阿斯顿马丁最近向一位客户交付了其首台One-77 超级跑车。该车具有一个全CFRP单体壳式底盘和铝制车身。

美国汽车专家Mach 7 Motorsports在2011底特律汽车展上推出了其具有CFRP车身的Mach 7 Falcon超级跑车。该公司预计每年仅生产15台这种跑车,每台售价200,000美元。雪佛兰增加了2011 Corvette ZR1中CFRP的含量,总共达34磅(15.4 kg)——大约是玻璃纤维增强面板重量的一半。

新型CFRP材料

赫氏公司最近推出了HexTow® IM10碳纤维,它是一种中模量(IM)产品,被称为IM碳纤维发展历程中“真正的突破”。据介绍,HexTow IM10可提供工业可用的最高抗拉强度,能够满足下一代航空项目和应用的需求。赫氏的另一项新产品是用于制造主结构的HexPly® M91预浸料。作为一种单向带,它是专门为自动化加工而设计的,并且当它与HexTow纤维联合使用时,能够为中模量和高强度碳纤维提供卓越的韧性和拉伸性能。

赫氏已经研发出了一种获得专利的工艺来制造连续的碳纤维织布,其中经纬线方向成±45°。公司指出,HexForce® Bias Weave纤维布具有成本低、重量轻等优点。它们适用于预浸料和RTM加工,有HS和IM碳纤维两种形式可用。

沙伯基础创新塑料(Sabic Innovative Plastics)提供一种高性能的碳纤维复合物,它基于Ultem™聚醚酰亚胺(PEI)树脂,用于制造飞机内部零件,比铝制零件重量轻50%。而强度高40%。碳纤维填充Ultem的目标应用包括飞机小桌板支臂,臂靠和脚踏,以及机上厨房组件。树脂等级可以使用挤塑或者注塑成型,因此无需经过加工或者其他二次工艺。沙伯解释说,它们还可以用于连接件的生产。



位于美国缅因州格林维尔的Pepin Associates公司已经推出了其Disco-Tex® 产品的一种新的碳纤维等级,用于低成本地制造形状复杂的复合结构。纤维束被切割成不连续的长度并对齐,形成不连续的纤维束,然后将其织成纤维布。碳纤维增强织布具有独一无二的拉伸和成型性能,因为纤维能够彼此相对滑动。这种优点是连续纤维织布所无法比拟的,后者在形成复杂曲线零件时需要切割和缝合,Pepin公司这样解释。Disco-Tex还可以由玻璃、石英石和陶瓷制成。

体育运动中的新应用

由于提出了一种创新的CFRP高尔夫球杆应用,卡拉威高尔夫公司(Callaway Golf)在二月份的2011 ACMA复合材料展览会上荣膺最具创造性应用ACE奖。其RAZR Hawk Driver发球木的尾部是通过在一个称为锻造复合技术(Forged Composite)的专利工艺中压塑碳纤维复合材料而制成的。

该工艺在每平方英寸的面积上复合了超过50万条相互交织的纤维,创造出了一种比钛更轻、更坚固的材料。卡拉威公司解释说,CFRP复合材料占杆头的67%,使工程师们能够更有效地配重,生产出格外轻便的杆头,并在长球杆上实现最佳质量分布。

对于高性能雪橇,DPS Skis公司最近推出了世界上第一架纯碳纤维夹心结构雪橇。在木质核芯周围采用CFRP板条和纳米技术树脂来生产雪橇。制造商称,碳纤维板条可提供比木质/玻璃纤维结构高20%的抗扭刚度,并且该雪橇的强度是由玻璃纤维制成的雪橇的两倍,而重量却只有后者的一半。DPS公司补充说,碳非常适用于雪橇的制造,能够精确地弯曲,不会发生偏差,在雪橇的使用寿命中几乎能一直100%地保持其弯曲度。

另一架由CFRP制造的雪橇已经由德国Audi Carbon Skis和Audi Concept Design公司研发成功。它由木质核芯加铝、钛金属层板制成,雪橇被一层CFRP板条所包覆。制造商指出,通过使碳纤维定向,能够获得最佳硬度来生产雪橇。