碳纤维巨头对话

策划/执行 本刊记者 宁翠娟

近两年来国内碳纤维的发展取得了可喜的成绩。1月8日，在国家科学技术奖励大会上，由中复神鹰碳纤维有限责任公司、东华大学和江苏鹰游纺机有限公司共同完成的“干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用”项目荣获了2017年度国家科学技术进步奖一等奖。近日该公司再传喜讯，其T1000级碳纤维工程化取得突破性进展，完全自主研发的百吨级T1000碳纤维生产线实现投产且运行平稳。

而在国际上，碳纤维的相关技术应用也在2017年得到了极大的发展，来年市场的普及化有望进一步提高，但不可否认我们仍然面临挑战。2017年年末在查尔斯顿举行的CompositesWorld年度碳纤维会议上，一场来自碳纤维相关巨头公司的对话对于行业未来的发展颇具启发。

在应用领域的成长与挑战

对于碳纤维在汽车领域的应用，通用汽车公司工程组经理Mark Voss系统地阐述了该领域将会面临的挑战。Mark Voss主要研究开发体结构先进复合材料，根据他在Corvette车系中应用碳纤维面板的经验，他建议，尽可能选择熟悉的材料形式和加工技术，可控性是新型碳纤维部件成功的关键。并且尽可能在新应用中限制“新闻”的产生，也就是说限制汽车行业的新技术和流程的数量。因为在碳复合材料中，材料和工艺的变量本来就很多，当盲目地加入熟悉度不高的新事物时，实施结果的复杂性将会被大大扩大。他用一个数据作为例证，当我们在A类表面上工作时，变量会被放大100倍。

Mark Voss还强调了连接技术对于引入碳元件的重要性，这些碳元件必须与汽车结构中的不同材料结合在一起。此外，目前碳材料的成本较高，使得碳复合材料的成本竞争力看似很低，但是，他建议大家高瞻远瞩，考虑一下废钢的成本，那么选择碳纤维终究是一条明智的路。“我非常期待看到这个房间里的人，在未来20年带给我们的是什么。”他在发言的最后说道。

美国波士顿勒克斯研究所的Anthony Vicari报告了碳纤维行业发展预测数据，到2020年，碳纤维产能预计达到15.1万吨/年，实际产量预计减少约10%～20%。到2025年，碳纤维的需求预计将达到22.8万吨/年，其中风能和航空业增长最快。如果这些数据真的实现了，那么在2025年之前，汽车上碳纤维的利用普及率将会提高，不再为豪华车型独享。

他还说道，铁路、建筑维修和大型海洋船舶领域对玻璃钢（碳纤维增强树脂材料）的需求将继续增长。在铁路领域，如果用玻璃钢制的转向架取代钢铁的话，可以将铁路车辆的重量减轻近1 吨，并且耐腐蚀性很好，可以提高维护和使用寿命。此外，碳纤维在桥梁维修上也有大市场，目前玻璃钢的制备和使用技术非常成熟，但基础设施市场还没有把注意力放到这上面。这一切的激发点只需要等时机成熟，比如等美国LeMond复材所和橡树岭国家实验室开发出低成本的碳纤维，再委托制造商代工生产，或是等由FARO Technologies和Oxford Performance Materials等创新厂商开发出的改进修复技术。

在风能领域，碳纤维的路可能不会太顺，已经不止一位发言人指出，风力发电机制造商正在寻找高模量玻璃纤维而不是碳纤维。美国能源部桑迪亚国家实验室的转子气动弹性主管Brandon Ennis引用市场信息咨询公司MAKE提供的数据进行分析，提出价格、供应链以及制造敏感性问题正是风力涡轮机制造商努力摆脱碳排放的原因。

Brandon Ennis强调，风能应用需要碳技术人员从航空航天的性能设计转向成本驱动的设计。尽管2015年，碳在4兆瓦～8兆瓦的涡轮叶片中没有什么应用，但是Sandia、ORNL和蒙大拿州立大学已经开始为期两年的联合研究，他们正在评估具有成本竞争力的定制碳纤维复合材料在风力涡轮机叶片中应用的商业可行性。所以，未来在5兆瓦以下和10兆瓦以上的涡轮机中使用一些碳材料还是可能的。

复合材料回收可打开全新市场

因为使用变广，碳纤维增强树脂材料对有效回收利用技术的依赖性更高。虽然目前大多数回收利用都集中在碳纤维增强树脂材料加工工艺的废料上，但是随着回收废旧复合材料部件的需求日益增加，到21世纪20年代后期，其将占回收废弃物的很大一部分。就复合材料的回收问题，Mark Voss和Anthony Vicari等人成立了一个讨论组，由复合材料回收技术中心的Geoffrey Wood主持。

Geoffrey Wood强调复合废料流可以通过打开全新的市场，使碳纤维销量变高，因为这将使得碳纤维增强复合材料的产品成本更低。随着自动化程度和零件加工效率的提高，未来废钢产量将会减少，复合材料行业需要做更多事情，以便抢占更替环节的领导地位。

数据显示，可回收碳纤维的市场可达5.5万吨/年，每年可提供5万吨回收废料。ELG碳纤维有限公司的Frazier Barnes指出，碳纤维每年预计产量12万吨，但是需求量高达22.5万吨/年，巨大的差距可由回收碳纤维来弥补。同时，回收碳纤维比回收金属和塑料更具竞争力。

使用再生纤维的铁路转向架，图片来源：哈德斯菲尔德大学。

目前ELG公司在回收碳纤维上已经取得了一些成就，其碳回收材料已经在美国的19辆车上进行了6个月的道路测试。如果此次测试通过的话，每年将有20万辆车在车身上利用6公斤的碳回收材料。

除此项目外，其他可商业化生产的项目包括：（1）导轨转向架，使用压缩成型预浸料，使用80%碳回收纤维和20%原碳纤维制成的碳纤维增强树脂材料导轨转向架构架，可使切割重量减轻75%，轮对轨载荷减少40%；（2）汽车油盘，使用包覆碳纤维填充热塑性塑料的碳回收纤维制造垫坯，一次性实现净形部件，与玻璃纤维增强塑料（GFRP）相比，可节省30%的重量；（3）座椅，相对于13公斤的原始金属部件，用碳回收材料可提供重量仅为2.5公斤的部件。

对于目前尚未解决的难题，Frazier Barnes认为，回收碳纤维面临最大的挑战就是鉴定和显示纤维与部件的一致性。

波音公司的目标是零废物制造，包括零填埋垃圾、零危险废物、零吸水量和零温室气体排放量。来自波音公司的Tia Benson Tolle说：“实现这一目标的关键是使复合材料部件的制造变得更加有效，最大限度地从上到下减少废物。”

碳转化公司正在用碳回收纤维生产五种不同系列的产品。碳转化公司的Mark Janney列举了几个闭环复合材料制造的例子，比如美国甲骨文赛车队与碳转换公司合作，回收了其中一艘赛车游艇；新西兰的Core Builders Composites公司用碳回收纤维产品生产下一代船只；Trek自行车车架被Crawford Composites公司重新应用到碳回收产品中建立方程式赛车等。

在2016年后期，Hexcel对碳转化公司进行投资，资助其加强对重复利用和全生命周期收集处理方面的研发活动。此外，ELG碳纤维公司和碳转化公司都提到，碳回收产品的平整度和一致性很好，进行后期维修处理的客户数量已经急剧减少。

据日本东丽工业株式会社的北野介绍，东丽位于南卡罗来纳州斯巴达堡的新型碳纤维生产设施将于2018年开始运营，此前，东丽已经在日本在线生产碳回收纤维设施。

前沿技术亮点

自适应模具系统

自适应模具系统由丹麦的ADAPA公司开发，据其与会代表Christian Raun介绍，该系统使用数字控制，可用简单设备将塑料、混凝土、玻璃和复合材料成型成各种简单的双曲线形状，并且加工出的产品种类多，用单一的成型系统可加工出曲面半径小于200毫米的曲面和面积大至6米×2米的平面板。在生产中使用的工艺包括：树脂灌注处理、热塑性塑料的热成型、泡沫芯的成型和UV固化树脂复合材料的成型。

可一分钟快速固化的预浸料

生产出可一分钟快速固化预浸料的公司是索尔维公司，其设计的初衷是能够满足自动化加工过程和一分钟节拍过程的需求。这种SolvaLite 730预浸料使用了高性能不饱和乙烯基酯，性能接近于典型的环氧树脂，但是焓低、加工速度快、室温稳定性好和无粘性。

Lewis Williams认为，实现一分钟节拍过程的关键是：加热过程中要预留预热时间和运行时间；要有快速的关闭工具；整个模具表面的温度应一致。同时，他也认为，这类乙烯基酯类预浸料还有很大的发展空间，索尔维将在提高性能、降低成本的方向上继续努力。

低成本碳纤维

低成本碳纤维是集众人努力产出的成果，美国橡树岭国家实验室进行研发，美国先进复合材料制造研究所负责商业化过程中所需要的数据资料。迄今为止，研究发现的低成本碳纤维（LCCF）的质量与工业级别的碳纤维产品相当。

可再生丙烯腈

丙烯腈是碳纤维的关键前体，之前几乎全部是从石油中提取，但最近南方研究公司已经设立试点工厂，发展非石油基的丙烯腈，其用一种糖碳转化的技术制备丙烯腈，南方研究公司的与会代表Amit Goyal对此进行了介绍。

预计到2019年，该试点工厂年将产出0.5吨丙烯腈，南方研究公司的目标是在2021年底前，能够有一个年生产量达5000吨的可再生丙烯腈商业工厂。丙烯腈的商业化生产预计可使成本低于1美元/吨，如果这个数据实现的话，可再生丙烯腈将使制造成本降低15%～20%。