探秘碳纤维多轴向经编复合技术

本刊记者 陈金灿

碳纤维多轴向经编复合材料已成为生产大型风力发电叶片的首选。

宝马i8车顶部分及乘员舱结构采用了高强度且轻量化的CFRP碳纤维增强复合材料。

对于碳纤维多轴向经编复合材料可能很多人还觉得陌生，但是一提到前不久宝马推出的首款新能源跑车i8时却是众所周知。其最大的亮点就是i8的整个乘员舱的结构由多层碳纤维复合材料拼合而成。轻量化和高强度是它最大的特点，使用这种材料可以大幅降低车身的重量，有效提升车辆的续航能力。

用于加工该类织物的碳纤维多轴向经编机是纺织织造设备领域前沿科技的代表，虽然市场潜力巨大，但是碳纤维多轴向经编机为国际尖端技术，此前一直被德国企业垄断，并且价格高昂，单机台价格不低于1600万人民币。据江南大学教育部针织技术工程研究中心蒋高明教授介绍，在我国桐乡地区针对该类机型与卡尔迈耶利巴签订了将近1个亿的订单，足见其存在巨大的市场需求量。

自主创新 打破国际垄断

德国卡尔迈耶集团生产的碳纤维多轴向经编机在世界市场上一直处于领导地位。由于碳纤维多轴向经编机的制造难度大，产品附加值高等特点，国外设备制造商一直对我国进行技术封锁，并且价格高昂。

为打破国际垄断，提升本国设备的市场竞争力。去年江苏省常州市第八纺织机械有限公司联合常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司、北京航空航天大学、北京航空制造工程研究所，历时5年，成功研发出拥有多项自主知识产权的创新技术，制造出中国第一台碳纤维多轴向经编机，并获得授权专利34项，整机性能达到国际先进水平，降低了碳纤维生产成本近七成。

“该机的核心技术之一为‘展纤技术’，这是加工轻薄型碳纤维织物的关键技术。”据蒋高明介绍，展纤技术即通过加热、牵拉、挤压等方式使碳纤维丝束展开、展平，形成纱片，可将12K的碳纤维丝束展宽至10mm以上，超过了国外机型平均8mm的展纤宽度，可生产面密度在100-300g/m2的多层无屈曲轻质高强复合材料增强体。常州八纺机研发的碳纤维多轴向经编机性能达到国际先进水平，而价格仅为进口同类机型的一半，大幅降低了高性能碳纤维预制体的加工成本。

继常州八纺机之后，大有“青出于蓝”的江苏润源控股集团有限公司也推出了自主设计研发的碳纤维多轴向经编机，并对展纤机构实行了深入改进，每个带宽的纱线采用双组加热展纤机构，进一步巩固了展纤效果；同时，还对整个带宽的纱线进行张力调节，使纱线张力更为均匀。另外，全新的小车铺纱装置，可将纱线损耗降至2%以下，实现精准、平行、无弯曲地铺纱，这些都为确保织物的平整度和轻薄度提供了有力保障。

碳纤维多轴多向经编复合材料以其综合性能受到业界广泛关注。

国产碳纤维多轴向经编机的成功研发，打破国外技术垄断，填补国内纺织机械空白，也为民族工业的发展注入了新的活力。

高精尖领域市场潜力巨大

碳纤维多轴向经编复合材料因其具有轻质、高强、高模、耐高温、耐腐蚀和抗分层、抗蠕变、抗冲击等优良性能，成为高端应用领域的优选材料，在航空、航天装备的轻量化、小型化和高性能化上起到了重要的积极作用，并越来越广泛地应用到航空航天、风力发电、清洁能源汽车、交通轻量化等领域。

据蒋高明介绍，如果将碳纤维多轴向经编复合材料用于战斗机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼等部位的话，与金属结构材料相比可使重量减轻31.5%左右，并可减少61.5%左右的零件，减少61.3%左右的紧固件。民用航空领域中，在波音787型客机上，该材料的比例更是达到50%以上，我国C919飞机上也使用大量该类材料以保证在不损失材料强度和刚度，确保飞行安全的前提下，减轻机身重量，可节省20%的燃料。

另外，在强调绿色能源和可持续发展的背景下，世界各国都对风能的开发利用表现出了高度重视，碳纤维多轴向经编复合材料已成为大型风力发电叶片材料的首选。

韩国南方电力公司(SSP)和三星重工联合开发了7兆瓦，单只叶片长度为83.5m的海上风力发电设备。其整体结构选择碳纤玻纤混编材料制造，并且在梁帽、翼缘和叶片根部等对材料强度和刚度要求较高的部位采用碳纤维多轴向经编复合材料进行加固，以保证叶片运行的稳定性、安全性和耐久性。我国的连云港中复集团也生产出6兆瓦、75m的叶片，东方汽轮机有限公司也生产出5兆瓦、60m的叶片，在这些产品中，均大量采用碳纤维多轴向经编复合材料，其轻质高强和腐蚀耐候性强等特点将使其在未来的大型、超长风电叶片产业中占据主导地位。

电动汽车，作为新兴的清洁能源交通工具，逐渐成为各大汽车厂商研发的重点，而其动力来源和动力系统决定了轻质高强的汽车骨架和壳体是一款高性能电动汽车的必要前提。宝马公司最新推出的i8新能源跑车就是一个典型的代表。其强度要求最高的A柱和B柱等部位都是由碳纤维增强塑料制成。据了解，碳纤维多轴向经编复合材料的质量是钢铁材料的25%，但强度却是钢材的10倍，碰撞吸能性能比钢或铝高出45倍，其优良的综合性能受到业界的广泛关注。

对于碳纤维及复合材料未来的市场前景，国内知名证券公司申银万国相关负责人表示非常看好，他认为，目前，中国碳纤维及复合材料的应用分布仍与世界存在较大差距，工业用碳纤维及复合材料发展潜力巨大。中国目前碳纤维及复合材料市场需求量为1.65万吨以上，现只能生产T300级和以下级别产品约0.2万吨。未来伴随着世界碳纤维电动汽车带动的市场应用，预计2018年全球碳纤维及复合材料的需求将达到8万吨，按目前产能计算缺口达60%，世界各主要厂家均在计划增加相应产能。