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  • 『环保』Science新发现:新型反渗透膜,厚度可调,有望实现海水淡化技术的突破!

    DT导读


    在最新一期的《Science》杂志上,康涅狄格大学的研究人员提出了一种新式膜的关键制备方法,这种膜是脱盐的必要组成部分,使我们重新思考如何设计和使用RO膜进行脱盐。这种可扩展的工艺可以更好地控制膜的基本性能,避免使用化学试剂,并且可以应用于各种膜的分离过程。

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    海水淡化厂

    目前,全世界有超过3亿人依赖淡化水来满足日常生活中几乎全部的需求,这种需求只会随着人口增长和生活水平的提高而增长。然而,目前海水淡化技术复杂且昂贵,其主要过程是脱盐,脱盐技术一般采用的是反渗透膜,即RO膜。这是一种迫使海水通过能够去除盐和其他小分子污染物的膜。虽然RO膜的使用在世界范围内持续增长,但存在许多缺点,包括高能耗和膜污染倾向等,这些持续困扰着整个行业的发展。

    采用电喷雾的增材制造方法,康涅狄格大学的科学家们能够创造出超薄,超光滑的聚酰胺膜(PA),这种膜不易结垢,并且可能需要更少的电能来使水流过它们。

    “今天用于反渗透的膜不是以允许控制其性质的方式制造的(不可控),” 康涅狄格大学化学与生物分子工程副教授和该论文的通讯作者Jeffrey McCutcheon解释道,“我们的方法采用'添加'技术,可以控制膜的基本性能,如厚度和粗糙度,目前使用传统方法是不可能做到的。

    据了解制造RO膜的常规方法在近40年内没有改变,主要的传统方法被称为界面聚合。该方法依赖于水相胺和有机相酰氯单体之间的自终止反应。得到的聚酰胺薄膜 - 极薄,高选择性和透水性 - 成为RO的标准膜。然而,随着该领域的发展,需要更好地控制该反应以得到具有不同厚度和粗糙度的膜以优化水流并减少结垢。


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    图中描绘了反渗透的过程


    McCutcheon表示,康涅狄格大学的方法可以对聚酰胺膜的厚度和粗糙度进行更好的控制。

    典型的聚酰胺膜的厚度在100-200nm之间,不能控制。UConn的电喷雾方法可以控制生成薄至15nm的膜,并能够以4nm的增量控制膜厚度,这是该领域之前从未达到水平。同样,典型的RO膜具有超过80nm的粗糙度,而康涅狄格大学的研究人员能够制造出粗糙度低至2nm的膜。


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    图片由Maqsud R. Chowdhury / McCutcheon Lab提供


    上图为一种独立的超薄聚酰胺薄膜,厚度约为1.1um,已成功地与其底层衬底分离,这是康涅狄格州制造工艺所特有的优势,可以更容易地表征薄膜的特性。(底部)薄膜表面的更近,微观的横截面视图。红色箭头之间的距离突出了薄膜的整体厚度。

    “我们制造聚酰胺膜的印刷方法具有可扩展性的额外好处,”McCutcheon说。“就像静电纺丝在卷对卷加工方面取得了显着进步一样,电喷雾可以相对容易地进行缩放。” 同时,这种类型的制造可以节省化学品的消耗,因为传统的化学浴不是膜制造过程的一部分。

    “与传统的界面聚合相比,在实验室中,我们使用的化学试剂等减少了95%。”McCutcheon说。“这些好处将在大规模制造中得到放大,并使制造过程比过去40年更加'绿色'。”


    McCutcheon说:“这种创新的新方法并不局限于海水淡化,可以为其他分离工艺提供更好的膜,事实上,我们希望这种方法能够将新材料考虑用于无数的膜分离过程,可能是在这些材料之前没有或不能使用的过程中。” 他还是UConn的Fraunhofer美国能源创新中心的执行董事,该中心开发了新的应用膜技术。

    除McCutcheon外,研究作者还包括最近获得博士学位的Maqsud Chowdhury,James Steffes和Bryan Huey。

    该团队已经为该技术申请了专利,目前正与UConn的技术商业化服务部门合作 ,探索商业化选择。该团队因此还获得了康涅狄格大学SPARK技术商业化基金的奖励。

    该研究得到了美国环境保护局(RD834872),通用电气研究生创新奖学金,国家科学基金会DMR:MRI奖#1726862以及康涅狄格大学学术计划资助计划和化学系的资助。


    主要内容来自编译整理,仅供参考!

    原文链接

    https://today.uconn.edu/2018/08/new-findings-may-lead-sea-change-desalination-technology/#


    发布日期:2018-09-04
  • 国产聚酰胺产业:继续“忐忑不安”还是“另辟蹊径”

    国内聚酰胺产业

    继续“忐忑不安”还是“另辟蹊径”

    1、“忐忑不安”

    聚酰胺(PA),是分子主链上含有重复酰胺基团-[NHCO]-的热塑性树脂总称,因其优异的力学性能、耐磨性能、电绝缘性、耐油性,耐化学品性和成型加工性,已广泛应用于机械、交通、仪器仪表、电气、电子、通信、化工及医疗器械和日用品中。

    聚酰胺中 PA6和PA66占比最大,目前国内PA6已实现国产化,而作为工程塑料里面应用最广,用量最大的PA66进口依赖度非常高。

    己二腈是聚酰胺6X系列产品产业链中最为重要的原材料,技术及投资门槛较高,先进生产技术目前被少数几家公司所有。我国虽然早前有企业进行“丁二烯直接氢氰化法合成己二腈技术”的研究,但一直没有试车,后来多家企业都尝试生产己二腈,但是因为技术不成熟,至今鲜有产业化报道。

    目前我国己二腈依靠进口,企业的经济效益及PA产业链产品的市场竞争力极其受影响。一旦己二腈供货来源、价格波动以及运输环节出现任何问题,都将给PA66企业的生产经营带来很大问题。

          以上担忧已成事实!

    由于上游原料己二腈高度垄断,多年无明显产能增加,再加上今年开始,由于天气、罢工、工厂事故等原因接连出现“不可抗力”,以及设备技改升级减产,造成供应紧张,价格飞涨,近期依然在高位持续盘整,导致采购商需求量降无可降,退无可退,刚需用户还是必须要采购,采购成本向客户的转嫁,或者只能减产或停产。

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    数据来源:中国橡塑网,DT新材料整理

    一直以来,国家也特别关心PA产业的发展,在2017年6月,国家工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录》中,橡塑材料共有10种,而PA材料就占了4种,甚至在前段时间沸沸扬扬的中美贸易战中,中国宣布对美国进口PA66 征收25%关税,PA被推上风口浪尖,  PA66和已二腈的动态时刻牵动着下游企业的心。

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    2、“另辟蹊径”

    困则变,变则通,通则久!!面对被卡脖子的聚酰胺6X系列,中国是不是可以重开一条跑道?

    答案是:YES!

    目前凯赛生物产业有限公司用生物法制备的1,5-戊二胺打破了这种僵局,并且是全球首家利用生物技术大规模实施长链二元酸、生物丁醇、生物基戊二胺、生物基聚酰胺等多项革命性产业化技术的企业。 

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    1,5-戊二胺通常采用可再生生物质原料,通过基因工程改造的微生物菌种发酵生产,不仅降低了生产成本,使得生物法二元胺的质量和价格满足了PA聚合的要求,而且生物基戊二胺奇数碳链特性,给予其聚酰胺优良表现,如:良好的自熄性、流动性、高韧性和高耐磨等特性。 

    石化法和生物法制备二胺的流程

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    数据来源:凯赛生物产业有限公司

    另外一种原料二元酸,凯赛生物也已实现生物法制备:①采用烷烃一步发酵后纯化得到二元酸,完全不同于传统的多步化学生产法;②采用特定碳链长度的脂肪酸或其衍生物,一种可再生原料,生产对应长度的二元酸。

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    数据来源:凯赛生物产业有限公司

    两种原料通过组合聚合,可以开发出来聚酰胺5X系列产品,包括PA56、PA510、PA512、PA516等,可以实现功能全覆盖,开辟聚酰胺产业新道路。

    系列生物基聚酰胺在机械强度、耐磨性、耐候、柔软性等方面已经过下游客户验证,可广泛应用于汽车零部件,电子电器和3D打印行业等多种工程塑料领域。

    其中聚酰胺56的基本性能如下:

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    资料来源:凯赛生物产业有限公司

    目前凯赛已在新疆生产基地建立了年产能100000 吨生物基聚酰胺生产线,并将于近期正式投产,如果全部投放市场,这将有力改善国内聚酰胺产业高度依赖进口的局面。

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    正是由于凯赛生物长期专注于自主开发经济上可行的工业生物技术解决方案,并通过工业生物技术产业化制造新型生物材料,才造就了生物基聚酰胺5X系列产品,给被卡住喉咙的国内聚酰胺行业带来了曙光。

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    3、“大势所趋”

    特别地,随着全球石油资源的逐渐吃紧,资源与环境问题已成为世界各国共同面临的重大挑战之一,各国纷纷出台导向政策,促进生物高新技术的发展,为生物基材料的发展保驾护航,如美国制定的《2020年制造业挑战的展望》中,明确将工业生物制造技术作为战略技术领域,并列为2020年制造技术挑战的11个主要方向之一。

    欧洲生物塑料协会与调研机构nova-Institute合作编制的最新市场数据显示,全球生物基塑料产能将从2017年的约205万吨增长到2022年的约244万吨。

    其中2017年全球生物基塑料的产能中,PA已经是产能占比最高的生物基工程塑料。

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    数据来源:欧洲生物塑料协会、nova-Institute

    我国也已经将生物基纤维列为“十三五”纺织、化纤工业发展的重点任务,生物基材料是化石资源替代战略的重要突破口,是国家战略性新兴产业的重要组成部分,是国民经济发展的迫切需求。

    凯赛生物的PA56作为我国具有自主知识产权的生物基聚酰胺创新产品,无疑是顺应了时代、国家、行业发展的需要,为中国聚酰胺产业和广大下游企业另辟了蹊径,随着生物基材料的应用市场的逐渐释放,以及自身的优异品质和功能全覆盖,未来发展潜力巨大。



    发布日期:2018-08-14
  • 徐樑华教授填补碳纤维国内空白!用于制造直10直19

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    徐樑华,北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心主任,碳纤维及功能高分子教育部重点实验室副主任,碳纤维及复合材料研究所所长。发明出特殊工艺的T700级碳纤维制备技术及产品,支撑了我国重大型号的研制;率先实现T800级高强中模碳纤维的技术突破,填补了国内空白;研发成功M40J、M55J等高性能碳纤维国产化技术,2014年获国家科技进步二等奖。

    Q:5月8日,科技部高技术中心组织专家组在北化对科技部863课题“聚丙烯腈碳纤维石墨化关键技术研究”课题进行技术验收,请简单为我们介绍一下该课题的重要意义。

    A:这个项目主要是针对东丽M55J高强高模碳纤维材料的工艺和装备来展开的。M55J是卫星的主材料,一直以来都依赖国外进口,这个项目的验收具有两方面的重要意义:一是工艺技术的国产化,从以往的经验来看,碳纤维的制备遵循强度和模量相互制约的规律,强度高了模量就会降低,模量提高了强度就会下降。纤维是从乱层石墨到类石墨,主要是石墨结构,模量高、强度差,怎么能将两种结构特征结合起来,是我们面临的挑战。从2010年在科技部973计划支持下,开始围绕这个问题开展基础科学,提出了高强高模碳纤维的结构模型,通过M40J的技术研发,验证了这个模型的合理性后,我们一直以这个模型来指导我们的关键技术研究。二是装备国产化高模量纤维的关键工艺就是高温石墨化,温度高达2500℃以上,炉子一直是我们的软肋。这个项目中,合作企业也是非常有经验,炉子仍是反复讨论、设计、修改,最终通过验证。工艺和装备都实现了国产化,对国外的依赖性降低,面对封锁控制才不会受制于人。

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    这个项目的亮点是将用户(北京卫星制造厂)结合在一起,将成品及时供给应用部门进行验证。国产碳纤维就面临过这样的问题,碳纤维性能优良,但是制备成复合材料后差距拉大,这就需要非常长的磨合期。T300、T700、T800与M55J相比,成本上还低一些,验证3~5年还在可承受范围之内,但是M55J成本较高,对于长时间的考核、验证,经费消耗会非常庞大。我们项目一开始就将用户结合到课题中,经过3年,我们将关键工艺、装备、工程化应用的问题并案研究,做出的纤维满足应用需求,复合材料结构件性能也达到设计要求,节省了时间、降低了成本、提高了效率,这种产、学、研、用合作模式是非常值得借鉴的。



    Q:目前占市场主导地位的是PAN基碳纤维,请简单为我们介绍一下该碳纤维的基础研究和产业化情况?

    A:PAN基碳纤维叫聚丙烯腈碳纤维,碳纤维总共有4类,这是其中一类,也是主要的一类,约占碳纤维产品的90%。国外的研究从20世纪60年代开始,我们是20世纪70年代开始,这个起步的差距不大,但是前面的35年一直在徘徊,只有近15年在高速发展。为什么在徘徊?就是缺少基础研究。从事纤维研究的企业或企业性质的研究所,大部分精力花在解决工程问题上,核心的基础研究没有关注。


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    日本东丽将长期向美国SpaceX飞船供应碳纤维


    现在国内主流技术二甲基亚砜法就是我们在2000年突破的,在这之前我们做了2~3年的基础研究,把碳纤维看作高分子材料,回归到基础的科学问题,遵循高分子材料的客观规律,将复杂的问题简单化。从那以后,我们就找对了方向,快速地发展起来。前面的35年总是在探索,这个方法不行,那个方向也不行,与国外的差距就越来越大。2002年我们建成了第一条工程化线,2006年国内建成了第一条产业化线,到现在18年了,与国外在关键技术上的差距在缩小。

    产业上还有代差,5个部分组成的产业体系还不是很完善。截至2017年底理论产能是26000吨,千吨线有11条、100~400吨线有17条、500吨线有9条,但是我们的产能释放率才29%,国际上平均达到65%,东丽有时能达到70%。产能释放率低反映了我们产业技术成熟度比较低,根本原因就是体系建设不完善,其中涉及到的核心问题之一就是装备。我国的碳纤维产业化装备是从引进起步的,国内的消化、吸收、再创新做得不好,导致生产中往往是工艺去迎合装备,这样就会出现问题,引进的时候不是按照生产线引进,而是按照装置引进,自己去组装建设,供应商保证单个设备满足技术要求,是否能建成产业线是不会管的,我们没有更多的产业化经验,不能提出围绕工艺的产业化装备需求,导致很多装备生产能力达不到设计目标。

    像几十吨到百吨级这样的装备国内还是可以做的,但是千吨级的还存在很多问题。碳纤维产业化装备的国产化制造与其他行业的装备类似,主要还是靠经验,对仿真、模拟技术的使用还有所欠缺,这就导致碳纤维生产设备特有的温度场和气流场在静态情况下满足要求,但到了生产时的动态环境,“两场”波动就比较大,这就导致生产出来的碳纤维质量波动比较大。国外对设备也有一定的限制,尤其是美国,还会限定设备的温度。德国就稍微好一些,与中国的企业合作,在中国生产,只要不是用于高端碳纤维的制备,条件还是比较宽松的。美国限定1800℃以上是需要许可证书的。

    国产设备我认为主要问题还是缺少设计模拟,引进、消化、仿制这样的逆向思维可能实施起来难度还是比较大的,因为国外的产品更新换代比较快,水平也在提高。例如预氧化设备,它需要气循环,不同的纤维品种、不同的规格,采用的循环方式是不一样的。因为我们不会设计,只能依靠引进设备的循环方式,这就比较被动。碳纤维的发展需要重视装备,不是大家认为的我有钱就能买的事情。东丽装备的雏形也是外加工,但是它会根据自己的工艺进行二次改造,装备制造商是不让参与的,而国内几乎没有二次改造,进口装备都不敢动,有的企业会有一点小的改造。

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    观察国内的碳纤维企业,凡是自己装备能力比较强的产业化都做得比较好,反之则反。这个现象是很明显的,所以我们提倡碳纤维企业一定要有自己的装备能力,这可能需要很长的时间。中国培育出自己的装备制造商比较难,美国、德国的装备是面向全世界,市场比较大,而中国的装备制造商市场可能只有中国,我们的装备很难走出去,市场毕竟有限。专门做装备的企业对碳纤维领域不感兴趣;有兴趣介入的,前期投入会比较高,现在一条产业化线成本就在1.5亿左右,研制的投入至少需要2个亿,并且短期内很难看到效益,可能需要建设几十条线才能产生回报,国内还没有那么大的市场,所以境遇就比较尴尬。这种关键战略材料的技术研发、储备和条件支撑单靠市场行为是行不通的。


    Q:国产碳纤维在高端领域广泛应用还有哪些挑战?高质量和低成本应该怎样去实现?

    A:目前国内碳纤维企业大马拉小车可以保证在高端领域质量的稳定性。我们现在所说的质量不稳定,深层次是使用过程中的波动,即使用工艺性。一是纤维制成复合材料后,应用部门会对标国外产品,先入为主再加上对国外纤维的熟练顺手,定性的概括为不好用,其实还有很多深层次的问题有待挖掘。二是强度转移力低,纤维性能对标国外产品是差不多的,但复合材料的性能差距就比较明显。基本上每款碳纤维都会遇到这2个问题,在平时研讨时也在探索这些问题,究其根本原因是纤维制备过程中的精细化操作不够。一束纤维理论上每根纤维是很规整的,但是我们的纤维会有交叉,有交叉的纤维制备成复合材料不是完全的0°排列,性能就会有所降低,所以现在就给大家强化精细化制备的要求,从应用端来考虑纤维的制备,慢慢把握住问题的脉搏,解决起来应该就会比较快了。

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    2002年,国内从事碳纤维的研发单位仅有3家,山大、北化、山西煤化所,东华大学也有一部分,但主要是做凝胶碳纤维。2008年,我协助建设中科院宁波材料所碳纤维实验室,研究单位变成4家。到现在为止,真正做完整的关键技术研究的不到4家了,从中不难发现,研发力量在萎缩。我经常也在思考这个问题,也提出过书面建议,我们的基础研究还需要加强,研发队伍要扩大,有3~5个研发单位,适度的竞争与合作互动是好事,如果独家发展,方向有可能会走歪。我们的研发成果都在实施产业化,但是我自己不做产业化,和企业分工协作,我就集中做技术研发,毕竟精力是有限的。碳纤维这个材料非常复杂,实验室同样具备产业化的特征,是产业线的缩小版,没有3~5年的深入研究,入门都很难。

    国产碳纤维相对来讲成本偏高一些,成本高,我们认为它不单纯是经济问题,而是深层次的技术问题。能源费贵、设备贵这都只是其中一个因素,更多的是技术因素。产能没有释放、装备技术不过关、上浆剂占比高、纤维合格率低、质量不能满足应用要求等都是技术问题。高质量、低成本通过合理的技术手段是可以实现的。对碳纤维我们提出到2030年,价格争取做到10美元/kg;前段时间波音公司的华人专家来访,他们提出5美元/磅的目标,这个目标是差不多的,基本已经达到极限。对复合材料企业,降低成本应该在复材的成型工艺上和工装上下功夫。

    Q:碳纤维生产技术的产业化是产学研合作的典范,您在合作过程中是否遇到一些问题制约着项目的推进?同质化发展的碳纤维企业较多,给市场带来哪些问题?想要实现产业的良好发展,您有哪些建议?

    A:以前大家认为校企合作,各取所需,研究人员关注名、企业关注利,但是现在科研人员也关注利了,企业也关注名了,重叠以后就容易出现矛盾。与企业的合作过程中责任和利益是其间遇到的第一个大问题。另外,由于企业间的竞争压力比较大,因此合作双方的相互信任度也会制约着合作的深入。科研人员和企业肯定不是一对一合作,有时候与企业合作到一定程度后,他们会竖起壁垒,对研究人员进行封锁,往往就会导致最后一步走不好。

    从去年开始,我觉得碳纤维行业在逐渐变好,已经装备运行的企业有26家,其中1家只做原丝、10家只做碳纤维不做原丝、15家既做碳纤维也做原丝,而16家做原丝的企业中,13家采用二甲基亚砜技术、2家是硫氰酸钠技术、1家是二甲基乙酰胺技术,这就是国内的整体格局。为什么说去年情况变好了呢?因为去年有七八家企业停产了,停产以后对产能的影响是2000吨,产能小、水平不高在竞争中就会被淘汰。如果再调整七八家,国内碳纤维行业的集成度进一步提高,行业的竞争优势会更好。竞争与整合对企业来说比较残忍,因为碳纤维企业投入比较大,但是从产业的发展来看,这是必须经历的阵痛。我们希望企业发展好、行业发展好,企业好了我们日子也好,研究人员和行业是相辅相成的。现在的碳纤维企业多是同质化发展,做的东西也一样,想要整合也比较困难。

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    碳纤维行业有个非常大的瓶颈和软肋就是缺乏纤维应用设计能力。简单来说,所有的碳纤维都是国外先用,我们学的,国内没有开发出新的应用领域。因为我们不会设计,通过各种渠道了解国外用的哪个型号的纤维,我们也只敢用同一型号的纤维。航空航天领域还是有一些设计能力的,毕竟发展的时间比较长,其他工业领域几乎没有创新设计能力,所以中国一定要培育自己的纤维应用设计人才。如果这个问题不解决,这个行业会一直被憋住。我认为可以把高校里面力学设计和材料研究人员组建成团队,在工作中去融合,可能会较快解决这个问题。

    还有一个空白就是我们没有碳纤维材料及应用的数据库,航空航天有一些,但是这个数据是保密的。碳纤维复合材料更大的市场在工业领域,缺少应用设计人才和基础数据的支撑,相对金属材料比较完善的人才和设计手册来讲,难度较大。10年前我就在呼吁建立数据库,但是这是一个很庞大的工程,也想通过与国外专家的交流,了解大体框架,少走弯路,不然全靠我们自己去摸索,十几年都是不够的,况且现在还没有得到重视,还没有起步。

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    直10、直19机身都大量使用了碳纤维


    总体来说,碳纤维行业坚定地走国产化这条道路是非常好的,航空航天领域大家心比较齐,只要国内有的我们不用国外的。我们也要认清现实,报道要实事求是,不能虚胖,不然容易误导决策者,5年一次计划,这个时间耽搁不起。我们虽然起步比较早,但是前面35年都在徘徊,入门也就16、17年时间,发展已经比较快了,出现任何问题都是正常的,不用回避。希望同心协力,实现碳纤维产业良好、健康的发展。

    主要内容来自航空制造技术,原文作者李丹丹


    发布日期:2018-07-17
  • 汽车轻量化材料、工艺、成本、水平、技术路线汇总
    乘用车车身包括下部车身、上部车身骨架、车门、发动机罩盖、行李箱盖、翼子板等部件,是发动机、变速器、传动系统、制动系统、悬架系统、排气系统、电气系统及内饰件的安装基础,并通过其相应的结构设计满足成员的安全性要求。车身轻量化的目的在于保证车身结构抗撞性、刚度、强度以及NVH性能前提下,减轻身上骨架质量,同时不提高汽车车身制造成本来增强整车产品的市场竞争力。

    轻质材料

    车身上应用的不断扩大的高强、轻质材料主要为高强度钢与超高强度钢、铝合金、镁合金工程塑料以及符合材料等。


    高强度钢

    高强度钢主要应用于前防撞梁,A、B、C柱加强件,门槛梁,车门防撞梁和车顶横梁等关键部位,并且因公比例逐渐扩大。欧美部分车身车身高强度钢应用比例已超过60%,如奥迪A3、宝马3系、凯迪拉克ATS、福特蒙迪欧等;日系车型高强度钢占比也超过50%,如英菲尼迪Q50、本田思域等;


    铝合金

    铝合金已由发动机罩向翼子板、行李厢盖及车门上逐渐延伸,部分高端车已实现全部铝合金车身;


    镁合金

    镁合金已经从方向盘骨架、座椅骨架向转向支撑、传动系壳体零件上发展;


    纤维增强复合材料

    纤维增强复合材料已开始应用于前段模块、后尾门、进气歧管等零部件;碳纤维复合材料已由跑车、豪华车向中高端车和电动车应用扩展。如图某轿车带四门两盖的车身结构。


    结构优化设计

    在结构优化设计方面,车型开发前期,对车身结构做出更合理的设计规划更为重要。目前多材料车身结构轻量化设计正在向着搭建参数化设计平台(如图),应用拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、多目标优化以及结构-材料-性能一体化优化设计方向发展。


    一、材料应用

    1、高强度钢
    高强度钢主要应用在车上内外板以及车上结构件,同时高强度钢可以有效提升车身被动安全性。先进刚度刚在汽车超轻钢车身、先进概念车上应用,在减重、节能、提高安全性、降低排放发面应用前景良好。虽然在成型中面临回弹等问题挑战,但相比于其他替代材料,高强度钢还是性价比最好、最具吸引力的材料。

    2、铝合金
    铝合金的应用始于20世纪90年代,以奥迪汽车推推出的全铝空间框架车身为代表。提出了奥迪全铝车身框架概念(ASF),推出相应车身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奥迪其他公司也推出了全铝车身,如捷豹XJ、新路虎揽胜、奔驰S级车等如图所示。

    变形铝合金在车身零件级结构件的应用方面发展比较快,如应用日益广发的铝合金行李箱盖、发动机舱罩盖、后背门、保险杠横梁等,随着凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发应用,未来铝合金在汽车应用范围将进一步扩大,并将呈现铸件、型材、板材并举的局面,预计未来铝将成为仅次于钢的第二大汽车用材料。

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    奥迪A8全铝车身

    3、镁合金

    目前镁合金在车身上主要集中在方向盘骨架。仪表盘骨架、座椅骨架等零部件上,在白车身结构件上还没有量产应用。目前仅有克莱斯勒某车型上做过尝试,如图。由于镁合金耐腐性和成型方面限制,目前尚未得到广泛应用。

    4、复合材料

    汽车工业复合材料技术首先应用于保险杠,而后用与生产变截面弹簧钢板以代替钢板,之后又用与生产四门两盖。复合材料大规模应用是在20世纪80年代中期以后。1990年福特、克莱斯勒相继开发出复合材料。

    复合材料具有许多金属材料无法比拟的优点:密度低、比强高、比模高;材料性能具有可设计性;制品结构设计自由度大,易实现集成化、模块化设计;抗腐蚀性好、耐久性能好,隔声降噪;可采用多种成型工艺,模具成本低;A级表面,可免喷涂等工序;投资少,生产周期短。目前,汽车轻量化发展需求迫切,从成本性能发展综合考虑,可用于车身结构件的复合材料以树脂基碳纤维增强复合材料为首选。可以应用于发动机舱罩盖、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘灯结构件中。

    随着车用复合材料技术的发展,现已广发的应用在跑车、豪华车上,于铝合金构件比,复合材料可以减重50%左右,目前车上碳纤维已从单向丝、双向编制物,发展到多轴中空的碳纤维预制体,可获得多种形状结构的汽车部件,如图宝马I3电动汽车复合材料应用。

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    二、制造工艺

    1、热成形
    精度高、成形性能好,广泛应用于生产高强度汽车保险杠,车门防撞杆,A、B、C柱加强件,车顶框架,中通道等安全件和结构件。目前该技术在国外发展很快,美国通用、福特德国大众等在用该项技术制造高强度冲压件。中国一汽红旗H7车身下部也规模化使用热成形技术,如图:

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    2、激光拼焊

    1985年奥迪成功采用全球第一块激光拼焊板。20世纪90年代,欧美、日本各大汽车企业开始大规模使用激光拼焊技术。近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造商应用广泛。如图中国一汽H7车身使用激光焊接的典型结构件。

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    利用激光焊接技术可以减少汽车零部件数量、减轻车身重量、提高原材料利用率、提高结构功能、增加产品设计灵活性。

    3、差厚板

    差厚板是在激光焊接之后,为解决激光拼焊板存在的问题而出现的,生产过程如图

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    差厚板可以代替激光拼焊板,从而更好的实现轻量化。但不完全代替激光拼焊板,因为激光拼焊除了焊接不同厚度板料还可以焊接不同材料、强度的板焊接在一起,差厚板不能实现这一功能。

    三、成本估计

    高强度钢与其他轻质材料比,价格低、经济性好,广泛的应用可提高车是安全性。高强度钢可以减薄材料,所以与普通钢板相比可以做大成本不大幅增加,约为普通钢板的1.5倍。

    铝合金密度2.68g/cm³,仅为钢板的1/3。考虑到使用铝材需要增加厚度及截面,可以减重30%~50%,与钢板相比,一般铝板件成本将增加2-5倍。

    碳纤维复合材料密度1.5 g/cm³,不及钢的1/5。碳纤维复合材料应用到车门、发动机舱罩盖、行李箱盖能够减重50%以上,其材料成本相对钢板增加5倍以上。

    四、轻量化水平

    国内汽车轻量化产业未形成规模,产业链不够完整,与国外差距较大。国际主流车型高强度钢车身占比60%以上,强度级别780MPa、980MPa的钢在车身构件上已相当普遍。高强度钢可以在不降低安全性与舒适性前提下,零件减重20~30%。

    国外或者国内合资高端车型部分零部件应用轻质材料,工程塑料零部件相对钢制部件可以减重30%~35%,铝合金零部件相对钢制零部件也减重30%~50%,镁合金零部件相对钢制零部件可以减重40%~55%,碳纤维复合材料零部件相对钢制零部件可减重40%~60%。

    五、车身轻量化技术路径

    国外车身轻量化路径如下图所示:

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    借鉴国外技术可以探索我国车身轻量化技术发展路线

    1、 短期

    目标:加大刚强度钢和超高强度钢应用比例,合理减薄钢板厚度,广泛应用先进成形技术和链接技术,达到预计的轻量化目标。

    途径:采用高强度钢、超高强度钢、工程塑料,适量应用镁铝合金及复合材料,进行车身结构参数优化设计,欧皇钢板厚度断面形状、尺寸,广泛应用激光焊接、热成形工艺及先进连接技术。

    2、 中期

    目标:掌握铝镁合金、复合材料特性及连接技术,结构-材料-性能一体化轻量化多目标协同优化设计方法,所需与国外技术水平差距。

    路径:扩大铝镁合金、复合材料在车身上的应用比例、零部件数量,根据材料性能优化设计铝镁合金与纤维增强复合材料零部件结构,充分发挥材料本身性能优势。

    3、 长期

    目标:逐渐掌握碳纤维复合材料特性、零部件设计方法、高效制造工艺、性能控制方法和连接技术,逐渐赶超汽车工业发达国家汽车轻量化技术水平。

    途径:熟练应用钢铝混合车身设计、制造与连接技术,逐渐掌握碳纤维复合材料零部件结构设计。高效制造、性能调控和连接技术,扩大碳纤维复合材料在汽车上的应用比例。

    以下是我国汽车关键零部件制造技术路线图:

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    发布日期:2018-07-02
  • 洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心

    碳纳米纤维材料因具有高的比表面、优异的机械性能及高电导率等优异的物理性质而受到广泛关注,在能源、催化、环境、聚合物等领域具有广泛的应用前景。目前针对特定应用的功能化碳纳米纤维材料的理性设计合成及性能优化,仍然是制约其实际应用的瓶颈。特别是,廉价、宏量、可持续制备碳纳米纤维气凝胶尚未实现。

    近日,中国科学技术大学俞书宏教授研究团队提出了一种催化热解的方法来改变木质纳米纤维素的热解过程,首次以廉价的木材为原材料制备了高质量的超细碳纳米纤维气凝胶材料,该成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”为题,发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090)。论文的第一作者是博士生李思成


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    基于木质纳米纤维素制备超细碳纳米纤维气凝胶材料


    纤维素材料广泛存在于自然界的植物中,由于其广泛的来源、低成本以及对环境的友好,木质纤维素材料是一种理想的制备碳纳米纤维气凝胶的前驱物。但是,因为木质纤维素纳米纤维极小的尺寸使其在热解制备碳纤维过程中剧烈收缩而无法保持纤维的形态,迄今为止尚没有使用木材为原材料成功制备碳纳米纤维气凝胶的先例。为此,研究人员提出了一种催化热解的方法,通过使用对甲苯磺酸催化木质纳米纤维素在热解前期迅速脱水,并改变其热解过程和中间产物,使得纳米纤维素在热解后具有高的碳产率的同时,还能够保持很好的三维网状结构。该催化热解转化方法可将廉价丰富的自然界中的前驱物材料转化为高附加值的碳纳米纤维材料,对于发展可再生材料的绿色化学合成具有指导意义。

     

    由该方法制备的超细碳纳米纤维平均直径仅为6 nm, 具有很高的电导率(710.9 S m-1)和比表面积 (553~689 m2 g-1)。因其独特的三维网状结构特点和优异的导电性能以及高的比表面积,该研究团队研制的由木材制备的碳纳米纤维气凝胶可以直接用于组装无须粘结剂的超级电容器,并且在纯碳超级电容器材料中表现出优异的电容性能,这种新型碳纳米纤维气凝胶还可应用于水体净化、电催化剂载体和电池电极材料等。论文发表后,被学术媒体ScienceDaily、phys.org、Wiley NewsRoom等以“Wood to supercapacitors”为题作为研究亮点报道。

     

    近年来,该团队围绕着碳纳米纤维材料合成、功能化及应用持续开展了一系列的研究,发展了模板指引的水热碳化法及直接碳化生物质细菌纤维素的方法宏量制备碳纳米纤维气凝胶材料,以此类材料为基础通过合理的化学修饰功能化方法制备出了系列功能纳米材料,并探索了这些材料在环境、能源、催化及聚合物复合物等领域的应用(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 96-105)。


    最近,该研究团队应邀为《德国应用化学》撰写题为“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的评述论文(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663),系统分析和比较了该团队发展的化学转化法生物法制备碳纳米纤维材料的优缺点,总结了这两种合成路线制备的碳纳米纤维材料的理化性质、功能化的方法和应用等方面取得的系列进展,提出了今后有关碳纳米纤维气凝胶材料研究的建议和今后值得关注的科学问题。

     

    上述工作受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。


    论文链接:

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802753 

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802663 


    来源:中国科学技术大学



    发布日期:2018-06-29
  • 干货!固态电池研发及产业化现状分析,电池人必读!

    一、固态锂电池概述

    全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。

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    在目前各种新型电池体系中,固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜,具有高安全性、高体积能量密度,同时与不同新型高比能电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性,可进一步提升质量能量密度,从而有望成为下一代动力电池的终极解决方案,引起日本、美国、德国等众多研究机构、初创公司和部分车企的广泛关注。

    二、固态锂电池的优势及目前存在的技术缺陷

    相比于传统的锂离子电池,固态锂电池具有显著优点:

    (1)高安全性能:传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅提高。

    (2)高能量密度:固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300~400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜,减轻电池重量,压缩电池内部空间,提高体积能量密度;安全性提高,电池外壳及冷却系统模块得到简化,提高系统能量密度。

    (3)循环寿命长:有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。

    (4)工作温度范围宽:固态锂电池针刺和高温稳定性极好,如全部采用无机固体电解质,最高操作温度有望达到300℃,从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。

    (5)生产效率提高:无需封装液体,支持串行叠加排列和双极机构,可减少电池组中无效空间,提高生产效率。

    (6)具备柔性优势:全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相对于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。

    尽管全固态锂电池在多方面表现出明显优势,但同时也有一些迫切需要解决的问题:

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    对于全固态电池的研发来说,解决上述问题的核心在于固态电解质材料发展以及界面性能的调控与优化。

    三、固态锂电池的技术路径和研究热点

    3.1 固态电解质材料技术路径

    电解质材料的性能很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能及使用寿命。常见的固态电解质可分为聚合物类电解质和无机物电解质两大类。

    聚合物固态电解质

    由于聚氧乙烯(PEO)相比于其它聚合物基体具有更强的解离锂盐的能力, 且对锂稳定,因此目前研究热点以PEO及其衍生物为主。

    聚合物电解质润湿电极能力差, 活性材料脱嵌锂必须通过极片传输到电极表面进行, 使得电池工作过程中极片内活性物质的容量不能完全发挥,将电解质材料混入电极材料中或者替代粘结剂, 制备成复合电极材料, 填补电极颗粒间的空隙, 模拟电解液润湿过程, 是提高极片中锂离子迁移能力及电池容量发挥的一个有效方法。PEO 基电解质由于结晶度高,导致室温下导电率低,因此工作温度通常需要维持在 60~85℃,电池系统需装配专门的热管理系统。此外,PEO 的电化学窗口狭窄,难以与高能量密度正极匹配,因此需对其改性。

    目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基电解质固态电池已经商用,于英国少量投放城市租赁车,其工作温度要求60~80℃,正极采用LFP和LixV2O8,但目前Pack能量密度仅为100Wh/kg。

    无机固体电解质

    无机固态电解质主要包括氧化物和硫化物。氧化物固体电解质按照物质结构可以分为晶态和非晶态两类,其中研究热点是用在薄膜电池中的LiPON型电解质。

    以LiPON为电解质材料制备的氧化物电池倍率性能及循环性能都比较优异,但正负极材料必须采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法制成薄膜电极,同时不能像普通锂离子电池工艺一样加入导电材料,且电解质不能浸润电极, 使得电极的锂离子及电子迁移能力较差,只有正负极层都做到超薄, 电池电阻才能降低。因此, 无机LiPON 薄膜固态锂电池的单个电池容量不高,不适合用于制备Ah级动力电池领域。

    硫化物固态电解质由氧化物固态电解质衍生而来,由于硫元素的电负性比氧元素小,对锂离子的束缚较小,有利于得到更多自由移动的锂离子。同时,硫元素半径大于氧元素,可形成较大的锂离子通道从而提升导电率。目前三星、松下、日立造船+本田、Sony都在进行硫化物无机固态电解质的研发。但空气敏感性、易氧化、高界面电阻、高成本带来的挑战并不容易在短期内彻底解决,因此距离硫化物电解质的全固态锂电池最终获得应用仍有很远距离。

    总之,无机固体电解质发挥单一离子传导和高稳定性的优势,用于全固态锂离子电池中,具有热稳定性高、不易燃烧爆炸、环境友好、循环稳定性高、抗冲击能力强等优势,同时有望应用在锂硫电池、锂空气电池等新型锂离子电池上,是未来电解质发展的主要方向。

    3.2 界面性能的调控与优化

    固体电解质存在与电极间界面阻抗大,界面相容性较差,同时充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩,导致界面容易分离等问题。使用锂金属负极也存在固相接触阻抗大,界面反应,效率低等问题。目前解决的主要方向如下:

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    四、固态锂电池的产业化进展

    4.1 国外巨头纷纷布局固态锂电产业

    为使锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性,国外锂离子电池厂商和研究院所在固态锂电方面开展了大量的研发工作。日本更是将固态电池研发提升到国家战略高度,2017年5月,日本经济省宣布出资16亿日元,联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等国内顶级产业链力量,共同研发固态电池,希望2030年实现800公里续航目标。

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    法国Bollore公司的EV“Bluecar”配备其子公司Batscap生产的30kwh金属锂聚合物电池,采用Li-PEO-LFP材料体系,巴黎汽车共享服务“Autolib”使用了约2900辆Bluecar,这是世界上首次用于EV的商业化全固态电池。丰田开发出全固态锂离子电池,能量密度为400Wh/kg,计划在2020年实现商业化;松下的最新固态电池能量密度相对提高了3~4倍;德国KOLIBRI电池应用于奥迪 A1纯电动汽车,目前尚未商业化应用。

    此外,三星、三菱、宝马、现代、戴森等数家企业也都通过独自研发或组合并购等方式加紧布局固态电池的储备研发。丰田宣布与松下合作研发固态电池;宝马宣布与SolidPower公司合作研发固态锂电池;博世与日本著名的GSYUASA(汤浅)电池公司及三菱重工共同建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池;本田与日立造船建立的机构已研发出Ah级电池,预计三年后量产。

    4.2 国内以研究机构主导涉足固态锂电产业

    我国对固态锂电的基础研究起步较早。在“六五”和“七五”期间,中科院就将固态锂电和快离子导体列为重点课题,目前5个研发团队分别取得了不同进展。此外,北京大学、中国电子科技集团天津18所等院所也立项进行了固态锂电电解质的研究。

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    国内在进行固态锂电开发的企业包括CATL、国珈星际(珈伟股份)、江苏清陶能源、台湾辉能、中航锂电等。CATL以硫化物电解质为主要研发方向,采用正极包覆解决正极材料与固态电解质的界面反应问题,目前聚合物锂金属固态电池循环达到300周以上,容量保持率达82%。清陶能源研发高固含量的全陶瓷隔膜和无机固体电解质,目前已与北汽开展合作进行中试。国珈星际采用材料基因组技术,通过高通量测试技术确定聚合物固态电解质的最佳组成。此外,如赣锋锂业、比亚迪、万向123等也都宣布布局固态电池领域,但大部分企业仍处于“口头研发”阶段。

    五、固态锂电池产业展望

    目前固态电池有两条研发方向,一条是锂离子电池的固态化,这个方向其他行业有成熟的方案,但是嫁接到锂电池还需要二次研发。固态电解质国外量产的企业凤毛麟角,国内一家也没有,一定程度上制约了固态电池的研发进度。日本实验室成功研发出的凝胶态电池,国内高校和科研院所早有样品,但大多停留在能量比达标、循环只有几百次的水平,加上成本很高,良率很低无法量产。

    另一条技术研发方向是金属固态电池,最常见的是锂硫电池。当电解质换成固体之后,锂电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化。固固之间无润湿性,其界面易形成更高接触电阻,电池循环性就会变差,充电不可能很快。锂硫电池的生产环境为真空,一旦混入氧气就会爆炸,这给设备企业带来非常大的挑战。

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    全固态锂电池作为替代传统锂电的未来电池技术方向之一,吸引了众多国内外研究机构和企业进行研发,但是在固体电解质材料、界面性能优化、电极材料选择以及成本、工艺上还有相当长的路要走,不论是生产工艺制程、或是生产线的周遭环境都需要大量的资本投入和严格参数控制,对后进的初创公司而言,要从实验室走到量产线的路很长很远很昂贵。当然,面对其巨大的商业价值空间,一定还会有更多类似宝马一样的优秀汽车制造商以及电池企业投入其中,相信随着研发技术的推动和深入,固态电池产业化步伐将逐步加快。



    发布日期:2018-06-19
  • 【干货】家电用改性塑料六大趋势

    目前,家电用改性塑料的六大趋势,主要为:外观色彩更加亮丽/环保,安全模块指标持续提升,轻量化由汽车过渡到家电,健康模块初步体现,低成本是永恒的主题,节能低碳材料。


    1、外观色彩模块解决方案

    科技、时尚个性化彩色家电已经成为目前发展的必然趋势。

    主要的解决方案有:1)采用鲜艳、高光、耐刮擦材料等; 材料颜色更加丰富,如:亮黑、紫红、嫩绿、艳红,海蓝等;

    2)免喷涂系列——珠光、金属色等珠光、金属色等; 可使塑料制品无需喷涂电镀达到银白、土豪金、银灰等金属一样的效果;

    3)其他特殊效果——大理石、水晶流彩大理石、水晶流彩。 使塑料制品色泽达到大理石或花岗岩一样的效果。

    2、安全材料模块解决方案

    安全家电已经成为目前发展的基本要素安全家电已经成为目前发展的基本要素。

    1)高阻燃材料、无卤低烟材料 比如冰箱、空调、洗衣机电机盒等内部件或外部件采用低烟溴-磷协同高阻燃PP/ABS/PS或低烟无卤阻燃PP/ABS/PS/PBT等材料,满足1.5mm5VA、GWIT850℃等要求;

    2)高性能材料 永久抗静电彩色PP/ABS/PS等应用于冰箱、空调及洗衣机外壳等;高阻燃高漏电起痕ABS/PP/PA/PBT等应用于电控部件;导电PP/ABS/PS/PBT等应用于内部功能件。满足白色永久抗静电109、高CTI值(600V)等要求。

    3、轻量化材料模块解决方案

    轻量化产品由汽车延伸至家电是必然趋势。

    1)以塑代玻,高透明高刚性材料 在观察窗等部件上采用高透明PP/ABS/PMMA/PETG/PES/PSF等,在满足透明度基础上,满足食品卫生或耐刮擦/强度要求;

    2)以塑代钢,刚强度、高硬尺寸稳定性材料 采用高玻纤含量(>50%)高强度材料与长玻纤增强材料(LFT-PP/PA)应用于冰箱、空调、洗衣机等技术结构件;玻纤增强特种工程材料(PPS/PEI)等应用于耐磨部件。这些材料满足结构构件高强度、高耐磨、耐水煮、耐温等要求;此外微孔发泡材料在同等强度下,可以明显降低家电用塑料的重量,并且无翘曲缩痕现象,具有更高的强度和加工性。

    4、健康材料模块解决方案

    健康理念已成为目前家电发展的时尚。

    1)抗菌/抗霉变材料 加入无机环保复合抗菌母粒或有机高分子抗菌料,要复合抗菌要求,不能引入二次污染(Ag、As离子),可以应用于冰箱、空调、洗衣机等内部件或外部件;

    2)无毒环保材料 采用低VOC挥发材料(PP/PS/ABS等)应用于家电内外部件;采用无塑化剂弹性体材料(TPE/TPV)应用于门封条、垫圈。此外,家电电器VOC标准要求正在推进中

    3)环保吸附材料 家电内外部件可以采用: PM2.5吸附材料(如维舍卡颂石填充) 甲醛吸附材料(活性硅/氧化铝填充) 负离子释放材料。

    5、低成本材料模块解决方案

    低成本已为目前家电发展的迫切需要。

    1)新型廉价功能材料 采用廉价的聚烯烃类材料,如高光PP代替ABS,ABS/PVC代替阻燃ABS;功能部件以塑代钢、铜、玻、铝,镜面高玻纤含量PPS代替电镀金属件;环保高性能再生塑料(PP/PS/ABS等)替代全新材料,并且符合美国EPEAT电子产品环境影响评估工具);

    2)强度不变的条件下,降低用量 家电内部件采用微孔发泡结构材料(PP/ABS/PS等);采用3D打印材料(FDM/SLA/SLS)应用于家电制样快速,降低研发费用;通过CAD/CAE优化产品结构设计,从而使家电内外件,制品设计得到优化,降低用量 图海尔全球首款3D打印空调;

    3)产业链整合。石化厂家定制改性塑料石化厂家与改性企业合作,为之定制特定的材料: 高光ABS/PS/PP 透明ABS/PS/PP 自阻燃PA6/PA66、长链尼龙、ASA。

    6、节能低碳材料模块解决方案

    1、新型低碳功能材料

    技能低碳已经成为了目前家电发展的必然趋势,可采用生物降解材料及其合金(淀粉、PLA)来做家电包装或非结构件;可采用天然纤维增强材料(PP)来取代玻纤增强材料;可以采用高耐热耐候、高刚性聚丙烯取代PS/ABS/PA等,如空调PS骨架。这主要是家电改性塑料中,聚丙烯碳排放指数最低(1.95),大量采用聚丙烯复合技能低碳发展趋势,并且可降低成本;

    2、节能降噪功能材料

    家电密封、减震元件采用热塑性弹性体材料(PVC/TPV/TPE等);低噪音风扇采用微孔发泡材料(增加同轴度,提高动平衡);压缩机减震垫采用高阻尼减震弹性体材料,进来降低噪音。


    发布日期:2018-06-19
  • Micro LED点亮新一代显示技术!

    1.Micro LED应用前景广阔

    显示技术发展逻辑的两个重要要素是提升显示效果与降低显示功耗,在巨头带动效应下,当技术突破和产能释放相结合时,会迎来显示产业链的革命,今年OLED大爆发即是如此。Micro LED是继OLED之后新一代的显示技术,显示效果与功耗双优,受巨头垂青和布局,相关技术筹备历经多年,有望在新一代手表产品中率先应用,具备成为另一个显示应用爆款的雏形。

    1.1.WHATISMicro LED?打造微米级像素间距显示

    Micro LED技术是指在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列,每一个像素可定址、单独由TFT驱动点亮,像素点距离在微米级。

    对比Micro LED&小间距LED,灯珠间距是核心差别

    小间距LED显示屏由R\G\B三色芯片组成一个灯珠,灯珠经封装后安插在显示屏上。封装灯珠除了芯片外,其他封装材料包括支架、硅胶、固晶胶等,占用了巨大的空间。故目前最小的小间距LED灯珠尺寸在0505,即0.5mmx0.5mm。而Micro LED单个显示单元直接是微米等级的LED阵列,无需对单个显示单元进行封装,而是对整个模组进行封装,故其单个显示单元大小已经可以做到微米级,目前已经有10μmX10μm解决方案。

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    灯珠大小决定像素间距:0505小间距封装,封装灯珠大小在0.5mm,则它的像素间距极限在0.5mm(如下图左所示)。而10μmx10μmMicro LED,假设由红、蓝、绿三色显示单元组成一个像素,10μm间距的Micro LED显示单元,其像素间距理论上可以做到最小20μm(排列方式如下图右所示)。

    小间距LED由于封装间距的限制,很难应用到中小尺寸显示上。如一台55寸电视,如果要做到4K分辨率(4096x2160),则需要像素间距为0.29mm,目前小间距LED难以达到这样的间距。而Micro LED微米级别的像素间距使其可以轻松胜任从中小尺寸显示到中大尺寸显示等各个应用场景。 

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    1.2.Micro LED应用:大屏显示切入利基市场,小屏显示潜在的替代方案

    1.2.1.大屏应用:

    大屏应用中Micro LED主要竞争对手正是同样定位高端大屏显示的小间距LED。Micro LED相对小间距LED,除了小间距LED也拥有的无拼缝、高亮度等优势外,还拥有可视角度大、亮度对比度更高、画质更好等优势:

    1)可视角度大:相较于传统的小间距LED显示屏,由于Micro LED晶片尺寸更小,光学设计上可以使得可视角度更开阔。

    2)对比度更高:单一大屏模组上,Micro LED光源占比仅1%,黑色比例高达90%,可以吸收外界光线,达到更好的对比效果。

    3)画质更好:支持HDR,拥有十位元色彩深度与更广的色域。

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    Micro LED价格显著高于小间距LED,判断在细分市场先发力。以索尼CLEDIS显示屏作为参考,110寸Micro LED显示大屏价格在60万美元(等效间距约为1.25mm),而同等间距的小间距LED显示屏价格约为10.7万美元(P1.25)。

    未来伴随Micro LED的良率提升,产品量产,预计价格仍有大幅下降空间。我们判断Micro LED显示大屏由于其更出色的显示效果,将率先应用在包括美术馆、高端车展等高端细分领域。

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    1.2.2.小屏应用:竞争优势突出,次世代显示技术

    在中小尺寸显示领域,OLED显示风头正旺,大有取代LCD液晶屏之势,我们判断OLED之所以能受到各大终端厂商的青睐,正是因为其在反应时间、视角、显色性、能耗等领域优于液晶显示。而Micro LED在光效、清晰度诸多指标上优于OLED,仅从技术上看完全有机会取代OLED,有望成为继OLED之后推动显示质量提升的次世代显示技术。

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    1)高光效,低功耗:OLED和Micro LED均采用主动自发光技术进行显示,唯一的区别是OLED为有机材料自发光;Micro LED采用无机材料自发光。我们从原理角度阐释为何Micro LED发光效率好于OLED。

    发光效率又称为外量子效率,由两个因素决定:内量子效率和取出效率。内量子效率是指器件内部由复合产生的辐射光子数与注入器件的电子-空穴对数之比,取决于发光材料本身的特性和发光材料垒晶组成及结构;取出效率则指的是发光器件内部产生的光子,在经过器件本身的吸收、折射、反射后,实际在器件外部可测量到的光子数目。

    Micro LED内量子效率优于OLED:OLED以有机物作为其发光材料,而Micro LED则与传统的LED一样,采用无机半导体材料构成PN结。无机材料分子之间带隙宽、化学键强,因此具有较大的载流子迁移率。这意味着电子可以在无机材料中高速通过。而有机材料多是非晶材料,分子间作用很弱,因而载流子的迁移率比无机半导体材料要小得多。电子在迁移的过程中随时会受到来自周围介质的“袭击”而湮灭,因此迁移速度越高,湮灭概率越小,发光效率也越高。从材料结构来看,采用无机发光材料的Micro LED内量子效率优于OLED。

    Micro LED取出效率优于OLED:OLED采用多层结构,不同介质之间的折射率不同,因此有机发光层发出的光会被正面结构全反射掉一部分。光从有机发光层出发,40%的光被背部基板吸收,穿过正面各层消耗40%的光,最后的取出效率大约为20%。而Micro LED预期采用出光效率更高的倒装封装工艺,可以避免电极对光线的吸收,同时剥离衬底以后,光线直接出射,解决蓝宝石对出光的影响。据了解采用倒装结构的LED器件取出效率可达20%以上!

    高发光效率主要体现在器件的节能性上,据测算在相同的亮度下,Micro LED比OLED约省电50%!(1)对于手机而言,屏幕耗电占整体耗电量可达40%~80%。Micro LED耗电量大约为OLED的50%,LCD的10%。(2)对于智能手表而言,主要耗电量在于CPU和显示屏,如果将智能手表的屏幕从当前的OLED改用Micro LED,手表续航时间有望提升50%,从1天延迟到1.5天。

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    2)画质好,轻易实现高PPI:

    OLED中小尺寸显示屏进行颜色显示一般采用蒸镀技术,通过电流加热/离子加热将红、绿、蓝三色有机发光体轰击至ITO玻璃基板上,采用高精度金属光罩(FineMetalMask)进行颜色对齐。当像素因提高分辨率而变小时,FMM在为像素进行图像成形时会有凹陷的问题,这也是限制OLED分辨率提升的重要因素,且在像素点间距进一步缩小后,实现精准的色素对位变得更加困难。

    而Micro LED采用半导体微细加工技术,可以将芯片尺寸控制在几微米,画质提升潜力巨大。以iphone7的4.7英寸屏幕为例,当前屏幕的分辨率为1334×750,PPI为327。若采用10μm间距的Micro LED(10μm是目前业界做到的最小间距),手机可以轻松实现8K\16K显示。

    3)超高亮度,强光下实现良好的显示效果:

    LED的一大特性便是超高亮度,从大屏来看,户外LED大屏显示亮度普遍在8000nits以上,在阳光直射下也能清晰的看清屏幕上的文字。而OLED屏由于发光材料的限制,发出的光相对更柔和,在户外高亮环境的表现比LED要差。三星note7OLED显示屏亮度为1000nits,已经是最亮的OLED显示屏,与LED超高亮度的表现仍然有差距。

    除此以外,Micro LED还有着和OLED屏幕一样高对比度、广色域、高反应速度等优点。高对比度:Micro LED显示上每个像素都是由若干微型LED构成,显示黑色只要对应LED不发光,不会出现传统显示器泛白的现象。LCD的对比度不会超过5000:1,但没有漏光现象的OLED与Micro LED对比度理论上可达无穷,索尼的CLEDIS目前达到1000000:广色域:Micro LED的色彩饱和度可达140%NTSC,而一般LCD显示屏的色域只有65%-75%。反应速度快。反应速度比LCD快10倍,非常适合VR\AR等对反应速度有较高需求的可穿戴设备应用。

    1.2.3.看好Micro LED首先应用在智能手机&可穿戴设备等中小屏显示应用场景

    高PPI&低功耗,契合智能手机和可穿戴设备应用

    中小尺寸面板应用在手机、可穿戴设备等,一方面近距离下画质改善能使用户体验改善;另一方面移动设备续航能力越来越受到用户的重视。这两个需求完美契合Micro LED的特点。

    自从苹果发布了视网膜屏幕以来,手机厂商对于屏幕质量的重视程度与日俱增,以今年发布的主要机型来看,PPI普遍超过了去年九月的IPhone7的327,其中三星旗舰Galaxynote8达到515。Micro LED可以更轻松的实现高清显示。而对于智能手表,对PPI要求高的同时,由于经常要在室外使用,对屏幕亮度也有着较高需求。Micro LED更易实现高亮显示,也更契合智能手表的应用需要。

    续航问题是当下手机行业的一大痛点,提升屏幕质量和手机性能等方面都意味着耗费能量的增多。大多手机需要一天一充,从网络上的评测可见,保持200nits屏幕亮度下,大多手机撑不到10个小时。屏幕耗电占据整体耗电量可达40%~80%,低功耗技术可以大大延伸手机使用时间。对于智能手表而言同样如此,目前苹果手表续航也仅有18个小时,谁也不想在运动途中\室外手表没电,提高手表续航能力符合大众需求!

    以智能手机和可穿戴设备为代表的中小尺寸应用若引入Micro LED显示,将带来行业的又一次震动和轮转。原因在于Micro LED节能效果更优于OLED。中小尺寸显示应用快速发展,尤其是存量规模巨大的智能手机市场需求变动——追求显示效果的同时致力于提高手机续航时间,引发面板的结构变动和品质提高。

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    低延时&视觉模拟,契合VR设备应用

    目前以SonyPlaystation和微软OculusRift为代表的主流VR设备分辨率一般为2K,在近距离接触人眼的VR头显中,2K的分辨率还是可以看到图像像素边缘的“锯齿感”。对于人眼而言,人眼的视角在1度能只能看到60个像素,所以对于人眼在水平和垂直各1度的小方块里需要有60*60个像素,以达到视网膜界别体验。人在双眼水平方向具有120度视角,垂直135度视角,整个视野范围人眼的像素极限是1亿1600万像素,对应分辨率要达到16K才能实现无锯齿显示!采用Micro LED,一方面采用20微米间距灯珠即可使头显设备实现16K显示,另一方面,Micro LED采用像素级定址、各个单独驱动的方式,采用眼球追踪技术,可以着重渲染人眼聚焦的范围,更适合于实现局部分辨率的强化和背景的虚化,模拟真实人眼视觉效果!

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    Micro LED在纳秒级别的响应速度保证低余晖显示,降低延时。显示器上的像素点被点亮的时间为余辉时间,LCD屏由于背光源发光,像素点在每一帧都是被点亮的,称为全余晖屏。余晖会导致视觉效果产生拖尾现象,从而使人产生头晕。为了降低余晖,除了提高刷新率外,就是增加反应速度。VR设备延时的最主要原因是显示屏延时,占比达60%以上。Oculus的总延时为19.3ms,其中显示屏延时为13.3ms。Micro LED响应速度媲美OLED显示,有望将显示屏延时降至当前的十分之一。故我们认为Micro LED是应用在VR器件商的优异屏幕选择。

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    1.3.龙头布局,产业链推进加速,Micro LED商用在即

    1.3.1.终端品牌,索尼&苹果先发制人

    LED显示屏由商业显示过渡向消费级显示。LED显示技术逐渐从商业级显示切入消费级显示,其已经吸引了苹果和索尼这两家追求技术极致的消费电子巨头,在该技术的发展历程扮演着引导者的角色。索尼和苹果在LED显示领域代表两大技术与应用方向:

    索尼瞄准大屏应用

    l索尼瞄准以商用显示及高端家庭影院为代表的大尺寸Micro LED显示。目前索尼220英寸4KMicro LED显示屏售价为1.2亿日元,约合700万人民币。索尼也将继续发力Micro LED技术在电视大屏领域的应用。Micro LED微型化技术何时进入应用量产阶段,备受业界关注,日前,Sony在美国消费电子展(CES)推出最新的CLEDIS大型显示器,凸显Micro LED在商用显示器市场即将开启新战场。

    苹果布局Micro LED中小尺寸显示

    l苹果瞄准的则是以手表、手机为代表的中小尺寸显示,其运用到的技术正是Micro LED技术,即LED的微缩化与矩阵化技术。为了使LED显示屏在手机、手表上也保持较高的分辨率,Micro LED灯珠间距需要远小于小间距屏:Micro LED灯珠间距在1-100μm,其间距是当今最先进的P0.7小间距显示的1/700-1/7!Micro LED采用的技术手段也与传统的小间距LED完全不同,摒弃了传统的LED芯片封装->贴合基板->显示的形式,采用芯片“无封装”结构,通过转移技术将裸芯片直接连接于基板上。Micro LED概念最早由初创公司luxvue提出,苹果于2014年5月收购luxvue,并于2015年4月于台湾龙潭设厂研发,完成对Micro LED的技术储备。

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    为什么苹果要布局Micro LED?目前中小尺寸显示屏的发展趋势是从LCD液晶屏向OLED屏发展,而OLED又是三星一家独大,从技术储备上看,苹果并不占据优势。从苹果的战略角度而言,布局Micro LED,可以减少在显示屏领域对三星的依赖,因此我们预计苹果一旦Micro LED技术成熟,苹果将会有意愿将其应用到其消费电子产品领域。从过往的经验而言,苹果若在AppleWatch引入Micro LED,并最终延伸到手机屏,将会引发效仿效应,Micro LED或再次引领一轮消费电子流行潮流。

    1.3.2.核心技术日渐成熟

    Micro LED技术逐渐成熟:Luxvue作为Micro LED的“创始人”,已经储备了60多项涵盖从mircoLED驱动、电极结合、批量生产的相关专利;Leti开发的单色Micro LED屏幕亮度已经达到百万nits;X-celeprint推出转印方案,解决Micro LED核心技术难题,灯珠转印问题。伴随Micro LED技术日渐成熟,其商用化进程也有望急速推进:根据TrendForce预计,Micro LED应用将率先从小尺寸引入市场,在2018年配有Micro LED的智慧型穿戴装置(智能手表)就有希望实现量产。

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    1.3.3.内生外延,产业链上下游加码Micro LED投资

    Micro LED资本投入提速,产业链上下游从终端、芯片、屏幕等各个企业通过内生、外延等方式积极开发Micro LED成品:芯片端,LED芯片巨头晶电、三安、日亚化、隆达、华灿都在积极布局Micro LED技术。应用端,苹果&索尼积极推进Micro LED产品落地。而面板大厂夏普(鸿海)也开始发力Micro LED,公司透过子公司CyberNet投资约资1,000万美元取得Micro LED相变转移技术领先企业eLux45.45%股份,届时泛鸿海集团将成为eLux最大股东。产业链上下游对Micro LED投资热情高涨,我们认为Micro LED产品落地时间将提速。

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    1.3.4.MiniLED技术突飞猛进,推进Micro LED商用进程

    MiniLED技术近半年在业界引爆热潮,被视为OLED到Micro LED的过渡技术。相比于Micro LED,MiniLED技术难度低些,更容易实现量产,并且可以大量开发液晶显示背光源市场,产品经济性更佳。2017年,晶电、隆达电子、三安光电等大厂相继布局,推动MiniLED技术突飞猛进。

    群创光电积极投入MiniLED背光面板,由于MiniLED在色彩对比性以及锐利度均可与OLED匹敌,因此群创积极投入MiniLED背光技术,大陆手机品牌厂包含华为、小米均与群创共同合作设计产品,今年今年下半年开始供应,进入量产。同时,值得一提的是,群创光电深耕多年研发主动式次毫米发光二极体(AMMiniLED)技术,作为Micro LED问世前的中期战略产品。在2018年美国消费性电子展(CES)中,群创所开发的第一个AMMiniLED车用面板,也正式于全球首度公开亮相。群创此次展出具有数千调光区域的10.1英寸AMMiniLED产品,有别于其他厂商研发的MiniLED,群创差异化技术在于采用TFT形成的主动式矩阵电路(ActiveMatrix,简称AM)来驱动MiniLED,相较传统LED背光源驱动电路架构需使用过多元件的MiniLED,AMMiniLED性能优势强,且较非AMMiniLED更具有价格竞争优势。在此次大会中,LGDisplay首次公开展示65英寸UHD可卷曲电视和55英寸透明显示产品、松下推出两款率先支持HDR10+标准的OLED电视。

    从MiniLED到AMMiniLED,MiniLED技术的迅速发展定将加快Micro LED的发展进程。

    2.Micro LED显示技术解析——灯珠转移技术是核心

    2.1.Micro LED三种工艺,预计薄膜转移技术最快应用

    Micro LED技术工艺按照实现方式的不同,可以分为芯片级焊接外延级焊接和薄膜转移三种:

    芯片级焊接(chipbonding):将LED直接进行切割成微米等级的Micro LEDchip,再利用SMT技术或COB技术,将微米等级的Micro LEDchip一颗一颗键接于显示基板上。

    外延级焊接(waferbonding):在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接形成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,,最后使用物理或化学机制剥离基板,仅剩Micro-LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示像素。

    薄膜转移:通过剥离LED基板,以一暂时基板承载LED外延薄膜层,再利用感应耦合等离子蚀刻,形成微米等级的Micro LED外延薄膜结构;或者先利用感应耦合等离子离子蚀刻,形成微米等级的Micro LED外延薄膜结构,通过剥离LED基板,通过暂时基板承载LED外延薄膜结构。

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    目前以索尼为代表的Micro LED大屏应用主要采用芯片级焊接的方式;而苹果则在推动薄膜转移技术,该技术作为中小尺寸显示更为合适。在此我们仅对苹果拟采用的薄膜转移技术作介绍:Micro LED薄膜转移技术流程可以简单描述为1)Micro LED芯片制备;2)Micro LED芯片转移;3)搭载TFT基板和驱动IC,既而完成产品封装。

    2.2.Micro LED芯片制备,倒装工艺是大趋势

    Micro LED芯片制备流程与传统LED芯片类似,仅以蓝绿光芯片为例介绍生产流程:通过在蓝宝石衬底材料上进行PSS图形衬底、LED外延生长、芯片加工处理等技术环节,出产LED芯片。Micro LED芯片从尺寸上相对普通LED芯片小得多(几微米),但是现有的刻蚀技术完全可以处理微米级别的芯片,从技术上并不存在特别大的难点。以下仅对LED芯片生长的各环节作简要介绍:

    Ø蓝宝石衬底生长外延片(蓝绿光LED正装芯片)

    首先对蓝宝石材料进行PSS图形化衬底,该步骤的目的是通过在蓝宝石衬底表面上刻蚀出规则排列的圆锥体来实现光在衬底内的多次反射,从而达到芯片外部光的取光效率的提升。此后在PSS层上依次生长非掺杂缓冲层(U-GaN)、N型氮化镓(N-GaN)、有源层(MQWs,多量子阱)、P型氮化镓层(P-GaN)。

    图19:图形化蓝宝石衬底(PSS工艺)

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    图20:蓝宝石衬底上生长外延片

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     ØLED芯片处理

    LED外延片再经过一系列光刻、台阶刻蚀、ITO蒸镀、电极制作、保护层蒸镀、衬底减薄、背镀反射层等工艺,形成LED芯片结构。

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    Micro LED极有可能采取倒装LED芯片工艺

    LED芯片结构分为正装结构,垂直结构和倒装结构。由于垂直结构应用较少,此处仅讨论正装结构和倒装结构。相对正装LED芯片,倒装LED芯片自下而上分别为蓝宝石衬底、N型GaN层、有源层、P型GaN层、金属层、P电极和N电极。倒装结构与正装结构主要差别:1)倒装芯片正负电极可以设计在一个平面上,使连接更方便;2)LED倒装芯片电极与电极间不需要金线连接,正负极直接与基板接触,结构更简单,且可靠性提高;3)剥离蓝宝石基板,取光效率增加。

    Micro LED后续制作过程中(参看下一节),将通过转移技术,使芯片的正负电极直接与基板连接。由于芯片尺寸非常小,留给正装芯片的引线布线空间不足,故我们预计Micro LED将更可能采用电极和基板直接键合的形式,这个形式就非常类似于芯片的倒装封装结构,只是芯片倒装封装结构是封装一颗灯珠,而Micro LED显示屏是将数颗Micro LED灯珠先与基板直接连接,再进行封装。

    从芯片角度看,直接将芯片的正负极与基板连接,当然可以把正装芯片倒过来,用正装芯片实现倒装封装形式。但是1)正装芯片的p电极和n电极不在一个平面上,要用正装芯片实现倒装封装,需要制作特殊的金属凸点,使不在一个平面上的p电极和n电极与基板相连;2)此外正装芯片包含金线,本身结构也更复杂,影响LED灯珠的出光效果。我们预期Micro LED将采用正负极在一个平面上,且出光效率更高的类倒装芯片结构。而除了倒装结构外,垂直结构LED芯片也比较适合做为Micro LED,在此不作展开。

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    2.3.Micro LED芯片转移工艺:Micro LED工艺最难点

    2.3.1.Micro LED芯片转移技术介绍

    Micro LED芯片为何要转移?传统的LED显示屏在芯片切割完毕后,直接对整颗LED灯珠进行封装,驱动电路与芯片正负极连接,驱动封装好的灯珠;而Micro LED在光刻步骤后,并不会直接封装,这是由于封装材料会增大灯珠体积,无法实现灯珠间的微距。需要将LED裸芯片颗粒直接从蓝宝石基板转移到硅基板上,将灯珠电极直接与基板相连。

    目前Micro LED转移的技术有范德华力、静电吸附、相变化转移和雷射激光烧蚀四大技术。其中范德华力、静电吸附及雷射激光烧蚀方式是目前较多厂商发展的方向,但是elux的专利布局是在相变化修复及转移的技术方面,较其他公司的转移技术有着不同之处。

    Luxvue采用离子薄膜转移技术进行Micro LED的灯珠转移,首先将灯珠金属层与临时基板进行贴合,通过范德华力、静电吸附及雷射激光烧蚀等方式以吸附Micro LED灯珠。此后,通过物理或化学腐蚀的方法,除去蓝宝石基板,仅保留此前光刻后成型的Micro LED灯珠。之后将生成好的灯珠向硅基板上转移,完成Micro LED显示屏的制备。

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    2.3.2.Micro LED芯片转移难点逐步攻克,技术稳步推进

    整个流程听上去很简单,但是整个转移的过程却有很多的难点:

    1)Micro LED芯片需要进行多次转移(至少需要从蓝宝石基板->临时基板->硅基板),且每次转移灯珠量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高。

    2)对于RGB全彩显示而言,由于每一种工艺只能生产一种颜色的灯珠芯片,故需要将红色、蓝色、绿色灯珠芯片分别进行转移,需要非常精准的工艺进行灯珠的定位,极大的增加了转移的工艺难度。

    2.3.3.Micro LED彩色化——批量转移

    市面上已经有较为成型的灯珠批量转移技术:美国企业X-Celeprint针对芯片转移工艺,已经成功的推出了μTP技术,利用该技术可以将大量小型器件(如Micro LED灯珠)在同一时间内进行精确移动。μTP技术简单的来说,就是使用弹性印模结合高精度运动控制打印头,有选择的拾取微型元器件的阵列,并将其打印到目标基板上。该技术可以通过定制化的设计实现单次拾取和打印多个器件,从而短时间内高效的转移成千上万个器件,这项工艺流程可以实现大规模并行处理,实现批量Micro LED转移。

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    2.3.4.Micro LED彩色化的替代方案

    由于采用3色LED灯珠进行转移较为复杂,市场上诞生了诸多Micro LED替代方案:如Leti推出的iLEDMatrix采用量子点进行全彩显示,此种方法主要是利用紫外Micro LED发出的光来激发红绿蓝三色的发光介质,如荧光粉或量子点,产生不同颜色的光,并进行配比实现全彩色。这种方式只需要单色LED灯珠即可实现全彩显示,简化LED灯珠转移过程。白光LED+量子点技术或在全彩LED技术成熟前,成为一种良好的替代方案。其他的Micro LED彩色化方案还包括光学棱镜合成法等。

    2.4.Micro LED驱动方式:主动+被动

    类似于LCD显示屏,Micro LED驱动方式也分为被动矩阵驱动方式和主动矩阵驱动方式(TFT)两种结构。LED电极通过金属键合工艺实现与硅基的CMOS驱动背板连接。在被动式矩阵驱动方式中,由一组水平像素共用同一性质的一个电极,一组垂直像素共用同一性质的一个电极,组成矩阵型结构,制作成本和技术门槛较低。在主动式矩阵驱动方式中,将像素的阴极共用N型GaN层形成连接,所有像素的阳极与硅基CMOS驱动背板进行金属键合,形成每个像素单独寻址、独立控制。

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    3.Micro LED替代谁是赢家?芯片企业迎产业链整合良机

    3.1.Micro LED带来全新应用场景,大幅打开芯片企业增长天花板

    我们假设到2019年Micro LED开始在智能手表中渗透,2019-2021年渗透率分别为20%,30%和50%;2020年Micro LED开始在VR/AR设备中渗透,2020-2021年渗透率分别为20%和30%,暂时先不考虑智能手机中Micro LED的渗透。我们在以下模型中假设智能手表采用4K屏幕,对应800万颗Micro LED(rgb像素);VR/AR设备采用8K屏幕,对应3300万颗Micro LED。

    我们测算2019-2021年全球Micro LED消耗量,等效两寸晶圆片数量分别约为87万片,327万片和488万片。考虑2016年全球消耗的LED两寸片为8000万片,到2021年Micro LED对芯片需求占到当前整个LED芯片年需求的5%左右。对应LED产值约80亿元/年。

    而如果智能手表和VR/AR设备中实现Micro LED100%渗透,则将消耗超过1400万片2寸片/年,占当前整个LED芯片年需求的20%左右。对应LED年产值超过200亿每年!

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    3.2.Micro LED重塑产业链

    Micro LED对产业链的拉动作用与小间距LED有所不同。从产业链端来看,小间距LED和Micro LED的产业链上游均为外延片生长和芯片制造环节,但是中游和下游产业链上,小间距LED和Micro LED不同。1)中游:小间距LED的中游为传统的LED封装,现在一般采用无引线的smd封装形式;Micro LED无需对单个LED芯片单独封装,灯珠通过转移技术直接嵌于基板上,既而对整个基板进行封装。2)下游:小间距LED屏幕直接采用驱动电路连接各个灯珠进行驱动,而Micro LED显示屏则类似OLED/lcd显示屏的驱动方式,采用驱动芯片+TFT基板方式进行驱动。

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    3.3.LED芯片企业是Micro LED升级浪潮中的最大受益方

    一方面,从Micro LED成本构成看,芯片成本占绝大部分。我们在3.1节就测算过Micro LED在智能手表和VR/AR领域完全渗透后,就将打开200亿/年的芯片市场,相当于现有市场需求增加20%以上。LED芯片企业将成为Micro LED最大受益方!

    而除了灯珠需求大幅增长外,我们认为芯片企业还有其他的发展机会!LED芯片企业或更多的参与到micro芯片中下游产业链:Micro LED取消了传统灯珠封装环节,上游芯片外生长和中游芯片转移联系极为紧密,上游企业完全有可能参与后端转移、封装工艺!取代传统封装企业的地位。从现在的实际情况来看,包括三安、瑞丰、晶电等都在通过外延、内生的方式布局Micro LED转移技术。

    3.4瑞丰光电

    “瑞丰光电”11年在深交所上市,是国内LED封装首家上市企业,国家半导体照明技术标准工作组成员单位、国家半导体照明工程研发及产业联盟成员单位、国家863课题承接单位、深圳市首批国家级高新技术企业、深圳市LED产业标准联盟理事单位。

    3.4.1国内LED封装领军企业,新产品多元化布局

    瑞丰光电成立于2000年,专业从事LED封装及提供相关解决方案的国家级高新技术企业,也是国内封装领域领军企业,公司2002年建立国内第一条SMDLED封装生产线,是国内最早从事SMDLED封装的企业之一,是国内SMDLED封装领域的先行者及LED封装领域的技术领先者公司。2016年公司营收突破十亿元大关,实现营收11.8亿元、净利润0.5亿元;2017年公司业务仍保持较高增长势头。2018年1月31号发布第1次2017年年报业绩预告,公司业绩预增,预测:净利润约12100.95万元~13600.56万元,变动幅度为:142%~171.99%。

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    主营业务

    公司专业从事LED封装业务,业务模式是从上游三安光电等LED芯片供应商采购芯片并按照客户需求进行定制化设计和封装以及产品制造,下游主要包括照明和LCD显示屏的背光源两大类。照明和中大尺寸LED背光源占公司主要收入结构,2016年照明LED和中大尺寸LED产品收入占比分别为46%和45%,合计超过90%收入贡献,目前小尺寸LED背光产品收入规模很小。

    公司产品丰富,技术领先,与LED产业链各公司均保持持续良好的合作关系,全球LED巨头欧司朗和飞利浦、国内LED照明品牌欧普、国内三大TV品牌海信、创维、TCL等均是公司长期合作伙伴和稳定客户。

    布局新产品

    在原有传统LED照明和背光业务的基础上,公司积极布局下游高成长的新产品和新市场,主要包括汽车LED照明和激光投影等领域,2017年H1公司LED新产品收入规模1.09亿,实现超过400%的增速,收入占比14%,发展迅速。

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    3.4.2LED行业供需结构优化,公司盈利能力有望提升

    LED照明市场前景

    我国LED产业是全球的重要市场,目前我国LED行业市场规模近5000亿元,过去5年CAGR接近30%。目前LED下游需求中,背光市场基本接近稳定,照明市场将是未来驱动全球LED产业规模增长的主要因素;根据Digitimes数据,2016年全球LED照明市场渗透率为31.3%,仍处于较低水平。

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    随着未来LED照明渗透率的持续提升,全球LED照明市场规模将持续稳定增长,根据咨询机构ZionMarketResearch数据,2016年全球LED照明市场规模为260亿美元,预计到2022年将增长到540亿美元,未来5年行业平均增速超过12%,仍属于持续高增长成长性行业。

    随着过去几年大陆政府对LED芯片投资的巨额支持,我国LED芯片产能规模飞速发展,已经全球最大产能所在地:根据LEDinside数据,2015年大陆LED芯片产能占全球47%,其次是台湾和日本,按照近两年各家LED芯片厂的产能扩张规划,到2017年年底,大陆LED芯片厂产能全球份额进一步提升到54%。

    凭借下游巨大的LED应用市场和上游成熟的LED芯片供应基础,我国LED封装市场全球占比非常高,根据LEDinside统计数据,2015年我国LED封装全球份额已经超过70%,并且随着国内公司规模的扩张和海外公司的逐步退出,我国LED封装的全球话语权将进一步提升。

    供需改善+集中度持续提升,产业链盈利能力改善我国LED产业国内的竞争环境和结构在持续优化,主要体现在我国LED芯片和LED封装的行业集中度的持续提升。

    2016年我国LED芯片前三大供应商分别是三安光电、华灿光电和澳洋顺昌,2016年分别占全国产能27%、13%和3%,CR3=43%,龙头凭借资金、客户等优势积累得以存活,行业集中度显著提升。上游芯片企业的格局稳定也导致了价格波动收敛、日趋平稳。

    LED封装技术壁垒和投资门槛均低于LED芯片环节,我国LED封装行业企业经历过12-14年的扩张,随着行业增速的回落、竞争的加剧,我国LED封装行业进入洗盘阶段,行业竞争结构得到优化。

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    目前LED封装环节面临上游供应商集中化的趋势和下游产品降价压力,我们判断LED封装行业里中小公司将面临严峻压力,而行业内领先公司的规模优势和成本优势将愈发突出,将持续受益于行业供给结构改善,从而能够在相当程度上缓解所面临的压力,保证公司盈利能力的稳定改善。

    瑞丰光电在LED照明和封装领域均深耕多年,作为国内规模和技术领先的LED封装企业,我们判断未来2-3年LED封装行业的竞争格局的优化将提升公司整体综合竞争力以及盈利能力。

    3.4.3与深创投战略合作,长期发展前景可期

    2017年7月,公司与深创投签订战略合作协议,双方利用各自优势,基于双方对LED产业未来发展趋势的认同,双方规划在如下领域重点进行产业整合:

    (1)寻求全球LED照明产业重构机遇,借助双方产业和资本杠杆在全球范围内寻求投资并购机会,提升公司行业竞争力;

    (2)重点关注车用照明相关产业链,在国内外市场寻求投资并购或合作机会,加快公司在车用LED照明和智能驾驶相关领域的生态布局,协助公司在细分领域做大做强;

    (3)建立新一代半导体相关技术领先优势,如激光光源、Micro LED等相关技术,在全球范围内寻求项目和技术合作机会,加快公司在此类领域的战略性突破。

    3.5三安光电

    3.5.1主营收入持续提升,龙头地位无可撼动。

    三安光电公司是目前国内成立最早、规模最大的全色系超高亮度发光二极管外延及芯片产业化生产基地,是国家发改委批准的“国家高技术产业化示范工程”企业、国家科技部认定的“半导体照明工程龙头企业”,承担国家“863”、“973”计划等多项重大课题,并拥有国家级博士后科研工作站及国家级企业技术中心。

    公司2017年度业绩预告,实现归属于上市公司股东净利润为3.15亿元—3.25亿元,同比增长45.39%-50.00%。2012年至2017年,公司的营收和净利润稳步增长。近三年的净利润同比增长率更是连创新高。业绩增长主要由于下游需求强劲,新增产能逐渐到位,并且公司是行业龙头,在规模、毛利、净利方面都处于领先地位。

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    公司主营

    三安主要从事LED芯片的研发,生产和销售,其超高亮度LED芯片具有国际领先的性能。主导产品有LED道路照明系列、LED工业照明系列、LED室内照明系列、LED光源系列等100多个品种。无论是产品范围还是市场占有率,三安都是该领域的龙头企业。

    其主营业务保持高速增长,2016的营收中,芯片、LED产品占到了89.46%,在2017年的利润预测公告中,公司也表示,报告期内,LED需求旺盛,致使公司2017年度实现的归属于母公司所有者主营业务净利润比上年同期有较大幅度增长。

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    化合物半导体业务稳步推进

    三安此前已投资建设6寸GaAs和GaN线,已经具备GaAsHBT/pHEMT和GaNSBD/FET方面的技术实力。在消费电子射频器件和IC占比逐渐加大的背景下,三安光电的GaAs、GaN业务将迎来巨大的发展机遇。

    2017年12月公司公告称:公司与福建省泉州市人民政府和福建省南安市人民政府签署《投资合作协议》的议案。根据协议约定:公司拟在福建省泉州芯谷南安园区投资注册成立一个或若干项目公司,投资总额333亿元。全部项目五年内实现投产,七年内全部项目实现达产,经营期限不少于25年。产业化项目为:1、高端氮化镓LED衬底、外延、芯片的研发与制造产业化项目;2、高端砷化镓LED外延、芯片的研发与制造产业化项目;3、大功率氮化镓激光器的研发与制造产业化项目;4、光通讯器件的研发与制造产业化项目;5、射频、滤波器的研发与制造产业化项目;6、功率型半导体(电力电子)的研发与制造产业化项目;7、特种衬底材料研发与制造、特种封装产品应用研发与制造产业化项目。达产后预计年收入达270亿,接近目前公司年收入的3倍,化合物半导体业务的稳步推进,势必会成为公司成长新的增长极。

    3.5.2LED行业集中度提升,龙头有望持续高增长

    据相关上市公司年报披露数据,2016年我国LED芯片前三大供应商分别是三安光电、华灿光电和澳洋顺昌,2016年分别占全国产能27%、13%和3%,CR3=43%,按照目前国内各家LED芯片厂的产能扩张规划,各家份额均有显著提升,排名前三的三安、华灿、澳洋三家的集中度持续提升,预计到2018年该三家公司全国份额分别为31%、24%和16%。并且CR3超过70%,主要由于前期行业激烈竞争,价格战后中小厂商被大幅挤出,而龙头凭借资金、客户等优势积累得以存活,行业集中度显著提升。上游芯片企业的格局稳定也导致了价格波动收敛、日趋平稳。三安龙头地位更加牢固。在集中度持续提升趋势下,三安的毛利会相对稳定,新增产能将在未来持续释放,公司业绩有望维持高增长。

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    3.5.3与三星战略合作,有望引领未来市场

    公司于2月6日发布公告:全资子公司厦门三安光电有限公司(以下简称“厦门三安”)于2018年2月5日与SamsungElectronicsCo.,Ltd.(以下简称“三星电子”)签订了《预付款协议》,合同约定:为了建立长期的商业合作关系,三星电子将支付厦门三安1,683万美元预付款,以换取厦门三安产线生产一定数量的用于显示产品(“显示屏”)的LED芯片,若三星电子每月的订单量有可能超过协议约定的最高数量,双方将提前讨论扩产的条件。厦门三安和三星电子将持续讨论Micro LED战略合作,待厦门三安达到大规模量产产能时,三星电子将考虑厦门三安作为首要供应方,并协商探讨一个双方都可以接受的供应协议。通过此次战略性合作,三星电子期望可以确保战略性的、稳定的供应方,厦门三安期望可以引领Micro LED市场。

    (1)三安作为全球的Led芯片的龙头企业,资本会更加向其集中。据LEDinside统计,三安光电在全球的市场占有率为17%,行业集中带来的市场占有率提升将进一步明显,预计未来达到40%的占有率。我们认为公司将充分享受市场占有率提升带来的红利。

    (2)此次与三星在Micro LED方面战略合作,体现了三安光电在Micro LED和MiniLED长线的布局。早在2017年6月,三安光电在全景网回复投资者提问时表示,Micro LED是未来的重点发展方向,公司在一两年前就开始在研发。据测算,Micro LED在背光和显示屏领域有10倍于目前市场的需求,有望为三安打开一片蓝海市场。

    4.投资建议

    Micro LED市场启动,对LED芯片需求成倍增加,直接利好LED芯片厂!首推国内LED芯片领跑企业,积极储备Micro LED技术的三安光电、瑞丰光电;建议关注华灿光电。


    发布日期:2018-06-11
  • 两分钟快速制备,热塑性碳纤维复合材料具备优异导电性和导热性!

    近日,来自韩国科学技术研究院先进复合材料研究所和韩国全北国立大学的研究团队在合成碳纤维增强复合材料方面取得了新进展。研究团队表示所得材料具有良好的导电性和导热性,可应用在汽车外板、发动机缸体和其他机械部件上。文章以《Electrically and Thermally Conductive Carbon Fibre Fabric Reinforced Polymer Composites Based on Nanocarbons and an In-situ Polymerizable Cyclic Oligoester》为题发表于期刊《Scientific Reports》。

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    由于容易快速生产,修复和再循环的特点,人们对基于热塑性基体的碳纤维增强复合材料越来越感兴趣。为了扩展热塑性碳纤维增强复合材料的应用,作者提出了一种使用具有原位可聚合性和热塑性的环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)低聚物基体制备具有良好导电性和导热性的碳纤维增强复合材料的方法。这种方法可使碳纤维浸渍良好并且使碳纳米填料高度分散。该方法有望在两分钟内制备出热塑性碳纤维增强复合材料。

    碳纤维增强复合材料表现出优异的机械性能可与结构金属相媲美,并且重量比金属更轻。因此,碳纤维增强复合材料被广泛用作轻质结构材料,尤其是用作航空材料。例如,碳纤维层合板和夹层占波音787飞机一半以上的重量。尽管其性能卓越,但由于碳纤维增强复合材料难以投入汽车行业所需的基于过程自动化的快速生产中,因此未能有效用于汽车减重。

    当将工程热塑性塑料应用于碳纤维增强复合材料时,热塑性树脂的高熔体粘度可能会导致连续碳结构不被浸渍的问题。为了解决这个问题,最近提出了通过使用开环、可聚合和低粘度的环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)树脂(一种大环低聚物)来制造热塑性碳纤维增强复合材料的方法。当加热到150℃以上时,CBT分子熔化并浸渍0.02Pa·s的低粘度碳纤维织物。随着进一步加热到170℃以上,它们聚合形成热塑性碳纤维增强复合材料。在各种大环低聚物中,CBT低聚物由于它们的低粘度和良好的机械性能具有广阔的应用前景。


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    图 1制造具有导电和导热特性的碳纤维增强复合材料方法示意图

    如图1所示,为了制造具有优异电导率的可快速生产、可修复和可再循环的碳纤维增强复合材料,研究团队提出了一种基于CBT低聚物的粉末混合和原位聚合的复合材料制造新工艺。这种工艺可以使填料含量高,分散性能好,同时也可以用热塑性树脂很好地浸渍碳纤维织物。为了优化碳纤维增强复合材料的导电和机械性能,该团队将具有优异导电性的碳纳米填料结合到了碳纤维增强复合材料中。


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    图 2表面电阻率

    图2显示了制造的复合材料的表面电阻率。在具有相同纳米填料含量的双组分复合材料(由纳米填料和pCBT基质组成)中,填充有多壁碳纳米管的复合材料的表面电阻率低于填充有石墨烯纳米片的复合材料的表面电阻率。这表明多壁碳纳米管比石墨烯纳米片更能提高复合材料的导电率。用多壁碳纳米管填充的三组分复合材料和填充石墨烯纳米片的三组分复合材料的表面电阻率之间的差异很小。这些结果可归因于纳米填料存在于富电子碳纤维层中电子的隧穿长度内,并且碳纤维的电子可以转移到三组分复合材料的表面。因此,开发的三组分复合材料可用于需要导电特性的应用,如静电耗散(<10 + 11Ω/ sq的表面电阻率),静电喷涂(<10 + 10Ω/ sq的表面电阻率)和EMI屏蔽(<10 + 5Ω/ sq的表面电阻率)。


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    图 3导热系数

    图3显示了制造的pCBT复合材料的热导率。具有多壁碳纳米管的三组分复合材料在热导率方面没有明显改善,而填充有石墨烯纳米片的三组分复合材料的热导率随着填料含量的增加呈线性增加。与多壁碳纳米管填料相比,石墨烯纳米片填料更适用于改善复合材料的导热性。填充20wt%石墨烯纳米片的碳纤维增强复合材料显示出了优异的的热导率,其值达到13.7W/m·K。与pCBT树脂0.15 W/m·K导热率和填充有20wt%石墨烯纳米片的pCBT复合材料7.10 W/m·K导热率的值相比,其值提高了9033.3%和93.0%。将多壁碳纳米管结合到碳纤维增强复合材料中对于改善导电性十分有效,而结合石墨烯纳米片则更有利于提高导热性。


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    图 4拉伸强度

    图4显示了制造的复合材料的拉伸强度。由于掺入碳纤维,与pCBT树脂(80MPa)相比,碳纤维增强复合材料的极限强度(794MPa)提高了892.5%。这一结果表明碳纤维增强复合材料的拉伸强度主要随碳纤维的增强而增强。


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    图 5载荷-位移曲线


    如图5中的载荷-位移曲线所示,由于载荷水平略有变化,纳米填料引入样品所导致的横截面积增加可能是影响具有超过5wt%的纳米填料的三组分复合材料拉伸强度下降的主要因素。

    含纳米填料的热塑性碳纤维增强复合材料在汽车部件应用领域具有很大潜力。

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    图 6碳纤维增强复合材料的静电涂装结果


    静电粉末涂装对于在汽车外板部件中使用复合材料非常重要。图6展示了碳纤维增强复合材料的静电粉末涂装结果。以前的研究报道表明,静电粉末涂装可以适用于大于10-5的导电率。在没有纳米填料的情况下,静电粉末涂装不能均匀地涂覆碳纤维增强复合材料试样。然而当将其涂覆到含纳米填料的碳纤维增强复合材料样品时可以观察到均匀的涂层。静电粉末涂装也可以均匀地涂覆到仅表面层引入纳米填料的复合材料中。这些发现表明,含纳米填料的热塑性碳纤维增强复合材料在汽车外板部件中具有潜在的应用价值。

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    图 7碳纤维增强复合材料的红外相机图像


    图7显示了制造的碳纤维增强复合材料的散热特性,在展现了高导热率的复合材料上观察到了优异的散热特性。相对于复合材料组成的热导率值趋势与其散热特性的趋势非常一致。该研究证实,优化填料组成和导热3D填料网络是优化复合材料散热特性及其导热性的重要物理因素。研究团队得出结论,所制造的含纳米填料的热塑性碳纤维增强复合材料可用于汽车发动机缸体部件和其他需要散热特性的部件。

    综上,为了制造可快速生产,可修复和可再循环的碳纤维增强复合材料,本文提出了基于粉末混合和CBT低聚物的原位聚合的新型复合制造工艺。所制得的材料具有优异的导电性和导热性。基于静电粉末喷涂和散热的适用性测试,含纳米填料的热塑性碳纤维增强复合材料在汽车部件(如汽车外板和发动机缸体)的应用具有广阔的前景。

    参考文献:

    [1] Ji-un Jang, Hyeong Cheol Park, Hun Su Lee, et al. Electrically and Thermally Conductive Carbon Fibre Fabric Reinforced Polymer Composites Based on Nanocarbons and an In-situ Polymerizable Cyclic Oligoester[J]. Scientific Reports, 2018, 8: 7659.


    文章地址:

    http://www.nature.com/articles/s41598-018-25965-w


    发布日期:2018-05-21
  • 精炼版 | 阻燃材料的发展现状与趋势

    阻燃材料包括有机阻燃材料以及无机阻燃材料,当前的阻燃材料是添加阻燃剂之后的能够实现阻燃效果的材料。

    一般来讲,阻燃剂种类多样,分有机阻燃剂以及无机阻燃剂,有机阻燃剂阻燃效果好,添加剂比较少。不过有机阻燃剂在燃烧中存在发烟量大以及释放有毒气体的弊端。无机材料具有无毒、无烟、不挥发以及价格便宜等优点,不过其中存在大量添加剂。

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    1、国内外发展现状

    阻燃剂是高分子合成材料助推剂,利用阻燃剂可以对高分子材料进行阻燃处理,从而避免材料燃烧以及阻止火势蔓延,促使合成材料具有消烟性、自熄性以及难燃性。

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    2、常用阻燃剂优缺点分析

    近几年,随着塑料产品产量的增加以及安全标准提高,阻燃材料应用更加广泛,一般来讲,阻燃材料可以分为有机阻燃材料以及无机阻燃材料。其中,有机阻燃材料主要是卤素添加剂,无机材料不但具有一定阻燃效果,而且产生氯化氢以及阻止发烟。此外,无机阻燃材料无毒、无腐蚀性以及价格便宜。美国、日本等国家的无机阻燃材料消费超过60%,然而,我国的无机阻燃材料消费只有不到10%。

    2.1 卤系阻燃

    卤系阻燃剂不但产量最大,而且应用最为广泛。添加了该阻燃剂的材料在燃烧过程中可以释放卤化氢,并且获得自由基,从而阻止传递燃烧链,进而生成活性低的自由基减缓燃烧。卤素阻燃剂一般应用在热塑性材料以及热固性材料中,不仅与高分子材料的兼容性较好,而且使用方便,因此受到市场欢迎,广泛应用于汽车、包装、纺织等行业中。

    2 .2磷系阻燃剂

    无机磷系阻燃剂主要包括磷酸盐、红磷等,应用比较广泛的是红磷,红磷属于较好的阻燃剂,但在实际应用中,红磷阻燃剂材料容易氧化并且释放有害剧毒气体,燃烧产生粉尘容易导致爆炸,在树脂混炼以及模塑加工中存在一定的危险性,因此,磷系阻燃材料受到一定使用限制。经过改进的红磷阻燃剂是在其中加入金属氢氧化物,一定程度上解决了高分子材料毒性问题。

    2.3 氮系阻燃剂

    常用品种有三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)等,往往需加入协同剂,氮/磷为最常用的协同阻燃体系,主要用于PA、PU、PO、PET、PS、PVC等树脂中。

    三聚氰胺氰尿酸盐是一种含氮的无卤环保型阻燃剂,特别适合于不加填料的PA6和PA66,具有粉末状和颗粒状两种形式。当用该产品阻燃的聚酰胺泡沫燃烧时,形成的碳泡沫层对聚合物起保护作用,绝热隔氧。

    2.4 金属氧化物阻燃剂

    金属氧化物阻燃剂主要是把具有本质阻燃性的无机元素以单质或化合物的形式添加到被阻燃的基材中,以物理分散状态与高聚物充分混合,在气相或凝聚相通过化学或物理变化起到阻燃作用。

    氢氧化铝是无机氢氧化物销售最多的阻燃剂,主要用于加工温度在200℃以下的人造橡胶、热固性树脂及热塑性塑料。氢氧化铝阻燃的塑料在火焰中发烟性较小是一个突出的优点。

    氢氧化镁是一种热稳定性更好的无机阻燃剂,超过300℃仍然稳定,广泛用于许多人造橡胶、树脂、包括工程塑料及其他在高温加工下的树脂。在聚合物体系中起到阻燃、消烟的作用。与ATH复合使用,互为补充,其阻燃效果比单独使用更好。

    3、阻燃剂未来发展趋势

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    近10年来,我国阻燃剂的增长率保持在15%~20%,目前年消费量在57万吨左右,2019年我国阻燃剂的消费量将增加到84万吨左右。尽管我国阻燃剂的消费总量高于世界平均水平,但从比例上看,我国阻燃材料的应用还远远低于世界平均水平,与欧美发达国家的差距更大。


    发布日期:2018-05-18