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宝马推出碳纤维轻量化新部件!综述美、日、英高性能碳纤维技术与产业发展比较!

宝马摩托车刚刚推出了一款碳纤维后摇臂,该摇臂的开发目的在于使其可以经济高效地批量生产,为高端公路摩托车开辟了一扇门。原厂配件不仅有碳纤维车架和轮圈,还可以提供后碳摇臂,将车辆的轻量化进一步提升。

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宝马已经在汽车方面使用轻质材料和广泛的碳纤维产品,i3率先在大规模生产的车辆上使用碳框架壳体。而去年,这项技术被转移到摩托车上,当它出现在配备碳纤维车架和轮圈的宝马 HP4 Race上时,这一新的轻量化配件将会为未来市售车辆的搭载铺平道路。

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负责资助宝马轻型复合材料项目的Joachim Starke博士表示:“我们选择连续负载下的底盘部件,因为所涉及的要求特别苛刻。虽然汽车底盘部件被隐藏起来,但摩托车后摇臂却显而易见,这让我们的工作热情非常高”。

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如果大规模生产会是一项巨大的投资,至少每天装配200套现纤维后摇臂才算得上大规模,这样的计划不会马上实施,理论上可以通过改装以及未来车型的运动版、限量版上实现这一配件的搭载,但每年只会生产有几千套而已。

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总结:

宝马会将碳纤维更多地应用在未来限量版高端摩托车上,随着明年全新宝马 S1000RR的到来,很可能会搭载全新的轻量化配件,而目前宝马已经拥有大量生产碳纤维车架、摇臂、轮圈的能力了。


1892年,爱迪生发明了将碳化天然纤维用作白炽灯发光体的技术,首次实现了碳纤维的商业化应用。当时的碳纤维力学性能差,容易损坏。此后的近60年间,改进碳纤维力学性能的研究从未停止过,但收效甚微。20世纪50年代末,碳纤维基础理论研究取得突破,为其高性能化发展指明了方向;与此同时,以尼龙和聚丙烯腈纤维为代表的化纤技术步入成熟期,引发碳纤维技术进入了“再发明(reinvented)”时代。20世纪60至80年代,高性能碳纤维处于发展热潮期,美、日、英相继突破了关键技术,建立了产业。20世纪90年代,高性能碳纤维应用步入爆发期,碳纤维增强树脂(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)已成为了航空航天器等尖端军民用装备的主要结构材料。   

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世界高性能碳纤维技术的发展

高性能碳纤维,是碳含量>92%,具备强度≥3530 MPa、模量≥230 GPa、延伸率为0.7%~2.2%等优异力学特性的纤维形态的碳材料。20世纪50年代末,美国科学家关于“石墨晶须”超高强特性的科学发现,揭开了高性能碳纤维技术的发展序幕。此后的20多年里,美国、日本和英国的研究机构与企业持续推进了该领域的技术研发和产业建设。   


美国 

1)美国联合碳化物公司的成功与失败   

美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)的前身是1886年成立的美国国家碳材料公司(National Carbon Company),是美国合成碳材料产业的开创者。   


20世纪60至80年代,联合碳化物公司的高性能人造丝基碳纤维和中间相沥青基碳纤维技术居世界领先水平。20世纪60年代初,美国空军材料实验室(Air Force MaterialsLaboratory,AFML)使用联合碳化物公司1959年投产的高性能人造丝基碳纤维作为酚醛树脂的增强体,研制了航天器热屏蔽层。这是碳纤维首次替代玻纤和硼纤维作为树脂增强体,制成轻质耐热复合材料制件并获成功应用。纤维增强复合材料技术由此跨入了“先进复合材料”时代。


美国联合碳化物公司在当时本该成为世界高性能碳纤维产业的引领者,但由于盲目扩张和管理混乱,反以悲剧告终。1984年其在印度的分公司发生博帕尔惨案,造成人类历史上迄今为止最严重的化学毒气泄露事故,导致近80万人死伤。这一事件致其倒闭,几经转卖后,其碳纤维业务现为美国氰特工业公司(Cytec Industries Inc.)拥有。   


丧失了联合碳化物公司的头雁引领,美国高性能碳纤维产业未能实现应有的辉煌。目前,美国虽拥有可保障军用的技术、产品和产能,但产品不具性价比优势,没有市场竞争力,故像波音飞机机体结构材料这样的民用需求只能靠日本东丽公司供应。   


日本 

1)大阪工业技术试验所和進藤昭男发明PAN基碳纤维   

日本政府大阪工业技术试验所(Government Industrial Research Institute,GIRIO)成立于1918年,成立该机构是为日本关西地区的企业提供技术支持。该机构1993年被并入日本产业技术综合研究院(Agency of Industrial Science and Technology,AIST),更名为大阪国立研究所(Osaka National Research Institute,ONRI)。   


20世纪50年代,日本进入经济起飞期,强烈渴望增强自主创新能力。1959年,大阪工业技术试验所的青年科学家進藤昭男(Akio Shindo),在大阪工业技术试验所的资助下开始了碳纤维研究,为实现PAN基碳纤维的产业化奠定了技术基础。   


大阪工业技术试验所与企业交流频密,知识和技术转移迅速,孵化了大量的商业利益。1959年和1970年,东海碳素公司(Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.)、日本碳素公司(Nippon Carbon Co., Ltd.)和东丽公司(Toray Industries,Inc.)分别获得了该所PAN基碳纤维技术的专利授权,为产业建设铺平了道路。   


2)东丽公司的PAN基碳纤维产业建设   

东丽公司成立于1926年,前身是东洋人造丝公司(Toyo Rayon Co., Ltd.)。20世纪40至60年代,东丽公司先后实现了尼龙、聚酯和丙烯酸等纤维的产业化,并于1961年开始研发碳纤维生产技术,1968年全力投入PAN基碳纤维产业建设;通过自主研发、收购兼并和专利转让,1971年实现了TORAYCA®品牌PAN基碳纤维的商业化,并使其逐步实现了从体育用品到航空航天器制造的广泛应用。   


3)大谷杉夫发明沥青基和中间相沥青基碳纤维   

20世纪50年代中后期,大谷杉夫(Sugio Otani)在群马大学(Gunma University)开始从事碳化技术研究。他发现,氮气中260℃热处理的吹制沥青、煤基沥青和聚氯乙烯(PVC)都具有很好的可纺性,1000℃热处理聚氯乙烯和吹制沥青可制得性能尚可的碳纤维。此后,他致力于低成本、高质量碳纤维的制备技术研究。采用大谷杉夫的专利技术,吴羽化学工业公司(Kureha Chemical Ind. Co.)于1970年开始生产沥青基碳纤维


目前,日本拥有完备的人造丝基、PAN基、沥青基和中间相沥青碳纤维产业,占据着各细分技术的制高点,垄断着所有高端产品的市场。   


英国 

1)英国皇家飞机研究中心Watt发明高性能PAN基碳纤维   

皇家飞机研究中心(Royal Aircraft Establishment,R.A.E. Farnborough)是英国最早的飞机研究设计基地,其所在地范堡罗市是20世纪初的世界“航空谷”,是鹞式和协和式飞机的诞生地。该中心1961年开始研究玻纤缠绕增强复合材料(glass fiber reinforced plastics, GFRP)火箭发动机部件。


Watt原在该中心从事氧化碳化、热裂解石墨和石墨抗渗核燃料罐等研究,1963年开始研究高性能碳纤维。Watt认为,石墨晶须的性能就是碳纤维要达到的目标。在考陶尔斯公司(Courtaulds Ltd)和摩根坩埚公司(Morganite R&D Ltd)等英国老牌化纤及碳材料企业的支持下,Watt发明了高度取向的聚丙烯腈前驱体纤维,并最早制成了高性能PAN基碳纤维。Watt的技术向美、日进行了转让,这极大地促进了世界高性能PAN基碳纤维技术的发展。   


同期,英国罗尔斯罗伊斯航空发动机公司,简称罗罗公司(Rolls-Royce PLC)和英国原子能研究中心(Atomic Energy Research Establishment,AERE)也深度参与了高性能碳纤维的研究。


2)罗罗公司的贡献与遗憾   

Watt发明高性能PAN基碳纤维制备工艺技术后不久,罗罗公司于20世纪60年代中后期率先实现了高性能PAN基碳纤维的连续化生产,并很快就研制了碳纤维增强树脂材质的飞机发动机进气风扇叶片,准备用在当时最先进的涡扇发动机上。但该叶片未能通过撞击试验,加之该型发动机研制严重失误,最终导致罗罗公司破产重组。这给刚刚起步的英国碳纤维产业带来了极为不利的影响。   


美、日、英高性能碳纤维技术和产业发展因素分析

尽管美国发现了高性能碳纤维的科学机理,最早建立了产业,但结局却差强人意。英国虽然率先突破高性能PAN基碳纤维生产技术,并开创性地用其研制飞机发动机零件,但终因技术冒进而“败在开始”(end in the beginning)。因此,日本拥有建设高性能碳纤维产业的多元动力和极佳环境,态势最佳;而美、英则只是依赖科学家的兴趣和企业拓展传统业务的意愿,态势弱势明显。  


1)美国强在科技发达,弱在发展环境差,败在管理混乱。   

从白炽灯发光体到航空航天器结构材料,从天然纤维基、人造丝基、PAN基到中间相沥青基碳纤维,美国科学家都一步一个脚印地一路走过。但长期的战争和冷战,产业导向偏军偏窄,社会不稳定;企业盲目扩张、管理混乱,酿成重大灾难,终致垮台,产业发展戛然止步。   


2)英国强在基础厚实,失于技术冒进。   

有着杰出科学家和聚丙烯腈纤维产业技术基础,英国快速突破了关键技术,并开拓了尖端应用研究,其探索精神令人赞叹。但技术成熟度低时,贸然研制亟待使用的碳纤维增强树脂(CFRP)飞机发动机叶片,失败自然是大概率事件,进而动摇了产业建设的信心。   


3)日本强在意识敏锐、学习能力强、工匠精神深厚,成在发展环境优、产业通道宽。   

日本及时发现高性能碳纤维技术的萌芽,与美、英几乎在同一起跑线上出发;任世界乱云飞渡,内部政通人和,举国谋经济复苏、谋技术自立、谋建设新产业;市场基于民用,稳步向航空航天高端应用发展、向工业领域拓展;从而成就了其今日高性能碳纤维领域的世界主导地位。


来源:科技导报