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最具性價比的高性能碳纖維增強材料

2018-09-18 12:50:53 作者：本網整理來源：艾邦高分子分享至：

碳纖維增強材料（簡稱CFK）因廣泛應用于制造賽車、飛機或運動器材而為人們所熟知。在這些應用中，價格是次要的，CFK的輕質特性才是選材中最重要的因素。安科羅（AKRO-PLASTIC）現在致力于使其他工業領域也能用得起這種優質材料。

碳纖維在需要輕質高強特性的組件應用方面具有極大優勢。盡管碳纖維幾十年前就已經實現了工業生產，但是其高昂的價格阻礙了CFK的廣泛應用。

過去幾年中，碳纖維織物的應用范圍日益廣泛，從飛機制造領域擴展到風力發電領域，最近幾年又擴展到車輛制造領域。這些應用促進了碳纖維的產能擴張。然而到目前為止，碳纖維的價格卻無明顯的下降。

碳纖維通常制成織物或復合材料使用，由此存在大量的邊緣切割，切割掉的邊角料無法再次使用。

2013年，位于德國萊茵蘭-普法爾茨州下齊森的工程塑料改性生產商AKRO-PLASTIC GmbH注意到了這些邊角料并開發了一種生產工藝用于邊角料的回收使用。該工藝可將碳纖邊角料適合用于改性過程，完全保持碳纖維的優異性能。例如，將寶馬車身制造中切割下的碳纖維織物部分用作原料。在成功開發此生產工藝后幾個月內，安科羅即開發出了AKROMID?ICF產品組合，包含以熱塑性聚酰胺為基材改性碳纖填充量從10％至40％，也可實現與其他增強材料混合等特殊要求（見表1）。

▲表1 AKROMID®ICF產品組合

性能不打折的輕量化

對比碳纖維增強聚酰胺和傳統玻璃纖維增強聚酰胺的機械性能可以發現，使用碳纖維可顯著降低增強填充含量并且實現類似性能。因此，使用碳纖維進行增強可以顯著降低部件重量，且不影響部件性能（見圖表1）。

▲圖表1 AKROMID®ICF與AKROMID?GF的對比

在碳纖維增強聚酰胺復合材料成功上市后，安科羅又開發了以聚酮（AKROTEK?ICF）和PBT（PRECITE?ICF）為基材的碳纖增強牌號。如同聚酰胺基材一樣，這些聚合物也展現出了碳纖維增強材料的優異性能（見圖表2）。

▲圖表2 AKROTEK PK ICF與PRECITE®ICF

ICF改性材料性能與傳統碳纖維復合材料相當，價格卻低得多。這使得之前由于材料的高昂成本而不可行的應用成為可能。具體而言，現在可以用具有較低填充量的ICF改性材料替代高玻纖增強改性材料，或者在碳纖維增強熱塑性塑料的現有應用中使用更具性價比的ICF材料以降低成本。已經量產的系列應用主要需要材料的導電性和剛性。

在載有燃油的部件中，出于安全原因需要最低水平的導電率。位于格蘭文的AFT Automotive GmbH制造用于靜電消散燃油系統的快插接頭（圖1），由MKS Kunststoff-Spritzgu GmbH用耐高溫材料AKROMID? T1 CGM 15/10 S1制造而成。該材料為玻纖和碳纖共同增強，沖擊改性的PPA復合材料，具有靜電放電功能和高機械性能，使快插接頭具備復雜的鎖定和組裝能力。

▲圖1 由MKS Kunststoff-Spritzgu®GmbH用AKROMID T1CGM

ICF改性材料性能與傳統碳纖維復合材料相當，卻更經濟

由Hasenthaler Kunststoffverarbeitung用AKROMID B3 CGM 15/20 1 黑色制造的燃油濾清器支架滿足了類似的性能要求，并且成本優勢明顯。這也使曼·胡默爾公司在全面測試后驗證了材料的性價比。玻纖和碳纖維共同增強的平衡比例也確保了按照最嚴格公差的精確制造。（圖2）。大多數由ICF改性材料制成的部件使用了低碳纖維填充百分比，來達到材料的極限剛度。比如，Grammer GmbH成功使用AKROMID?A3 ICF 10替代了PA66 GF 30制造的寶馬汽車中控臺，并在不降低機械性能的情況下減重15％以上。由Joma-Polytec GmbH制造的控制面板方向盤支架和由Michigan的JAC Product制造的車頂行李架也是成功減重的案例。

▲圖2 由Hasenthaler Kunststoffverarbeitung用AKROMID®B3CGM 15/20

由AKROMID A3 ICF 20（5102）制成的控制面板方向盤支架承載著方向盤的所有控制元件，必須以最小的振動和最高精度定位元件。使用AKROMID?A3 ICF 20（5102）替代PA66 GF 50后，重量顯著降低20％以上。車頂行李架由碳纖維增強的PA/PP接枝共聚物AKROMID B3 ICF 15 1 L制成，通過添加AF-Complex TM化學發泡母粒實現了最大減重。與使用玻璃纖維增強PA6改性材料相比，部件重量減少了約600g至1kg，并且滿足尺寸精度和機械承載的所有要求。黑色作為所有碳纖維復合材料的固有顏色，可能造成應用限制，但對許多應用來說黑色恰恰是所需要的顏色。

由于發動機艙內的高溫條件，大多數塑料引擎罩蓋在數小時內都會顯著變色，所以汽車的發動機蓋幾乎都是黑色的。發動機艙部件必須耐受高溫，同時不可避免地會接觸到腐蝕性介質，而且部件還必須能夠拆卸和重新組裝，這些因素決定必須使用結實的材料來制造該部件。被選中的聚合物是聚酰胺。目前，經常使用純礦物填充或玻纖礦物共混增強聚酰胺。這些材料易于加工并滿足機械要求，但所造部件的表面質量不易控制，有時無法滿足設計師的高要求。碳纖維增強材料是一種很好的替代品，10％的填充含量可以輕松滿足所需的機械性能。使用碳纖維增強材料可顯著減重約20％，制品表面質量明顯更均勻。

碳纖維增強的材料甚至可以制造最復雜的可視部件。空調出風口葉片在所有汽車中幾乎相同，通常具有水平葉片，由于其功能要求，葉片必須具有高剛性。這些部件也處于汽車乘客的直接視野范圍內，應符合儀表板設計要求，尤其是在質量方面。因此，對塑料部件的外觀質量要求很高，尤其是在需要免額外噴涂步驟的情況下。使用超高剛度的AKROLOY PARA ICF 40黑色（6128）材料（楊氏模量約40 GPa），Kronach-Neuses的Dr.Schneider Group生產的出風口葉片不僅能夠滿足技術要求，而且表面質量優異（圖3）。這些出風口葉片目前用于寶馬7系。