幾年前，寶馬集團(tuán)取得了革命性進(jìn)步，采用碳纖維增強(qiáng)塑料打造整個(gè)乘客艙。與往常一樣，新的生產(chǎn)方法也帶來(lái)了不少回收碳纖維，如何巧妙利用回收碳纖維，變廢為寶來(lái)看看本文。
汽車(chē)生產(chǎn)中的干碳纖維織布回收碳纖維可用于高性能的工程產(chǎn)品。作為原生纖維，可以利用創(chuàng)新工藝被加工成為短纖維，填充了這種新型纖維的復(fù)合材料可用于制造輕質(zhì)、高彈性的汽車(chē)部件。
輕量化帶來(lái)的回收碳纖維
航空業(yè)往往是輕量化部件應(yīng)用的領(lǐng)頭羊。對(duì)于這種成本密集型運(yùn)輸工具而言，減重的直接好處就是降低油耗。目前汽車(chē)行業(yè)正面臨著類(lèi)似挑戰(zhàn)。諸如歐洲、美國(guó)和中國(guó)這些核心市場(chǎng)均已制定遠(yuǎn)大的氣候改善目標(biāo)，力圖達(dá)到降低碳排放的法規(guī)要求。例如，歐洲按法規(guī)要求，到2020年前，乘用車(chē)的CO2排放量減至平均95g/km。為此，各大汽車(chē)制造商及其配套商紛紛投入大量資金，尋找新的降低油耗的方法，并將那些尚未實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)意落到實(shí)處， 以期將這些創(chuàng)意用于輕量化設(shè)計(jì)并能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
幾年前，寶馬集團(tuán)取得了革命性進(jìn)步，采用碳纖維增強(qiáng)塑料打造整個(gè)乘客艙。與往常一樣，新的生產(chǎn)方法也帶來(lái)了不少回收碳纖維。這些回收碳纖維包括干纖維殘余物和濕廢物。起初，汽車(chē)制造商著力于將干燥回收碳纖維制成相應(yīng)長(zhǎng)度的織物，用于小型的應(yīng)用之中。然而，剩余的纖維織物不一定能滿(mǎn)足新部件的形狀要求。人工處理被證實(shí)不但成本極高、耗時(shí)長(zhǎng)，而且容易出現(xiàn)人為誤差。因此必須找到新的解決方案。
織布碳纖維的有效使用
德國(guó)下齊森AKRO-PLASTIC GmbH公司已找到一種通過(guò)將回收碳纖維加入到聚合物熔體中的方法，以提高其附加值（見(jiàn)圖1）。切碎織布纖維， 跟傳統(tǒng)的切碳纖維方式一樣，分多個(gè)步驟進(jìn)行，然后在擠出機(jī)上進(jìn)行重力配料。其主要難點(diǎn)在于織布的粉末粘合劑。最初它的用途是將層疊的碳纖維織布粘貼固定到位，防止其在下游工序中分離。加料的關(guān)鍵點(diǎn)是如何在處理過(guò)程中精確控制溫度。在此情況下，使用的雙螺桿擠出機(jī)（制造商：FEDDEM GmbH & Co. KG）配備了新開(kāi)發(fā)的側(cè)邊進(jìn)料機(jī)， 能平緩地將最高40％的碳纖維加入到聚合物熔體中。接下來(lái)的步驟很關(guān)鍵，須確保機(jī)器在整個(gè)過(guò)程中電氣封裝妥當(dāng)，否則碳纖維的高導(dǎo)電性將損壞電氣部件。
圖1：碳纖維回收工藝流程
具有重量?jī)?yōu)勢(shì)的復(fù)合材料
被稱(chēng)為ICF的新型AKRO-PLASTIC碳纖維增強(qiáng)系列產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、低密度的特性，其價(jià)格也極具競(jìng)爭(zhēng)力。最高可以加入40％的碳纖維。新產(chǎn)品線旨在大幅減輕產(chǎn)品重量，特別是承重部件的重量。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備電氣屏蔽性及優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，特別適用于活性炭過(guò)濾器、控制單元支架和中央控制臺(tái)等部件。表1中的對(duì)比顯示，含 15％碳纖維（AKROMID B3 ICF 15 black（5026））的增強(qiáng)PA6的拉伸彈性模量與含30％玻璃纖維增強(qiáng)材料PA6的拉伸彈性模量相同。12％以上的比重優(yōu)勢(shì)足以讓客戶(hù)愿意接受20%彎曲強(qiáng)度的降低。隨著纖維填充量的增加，碳纖聚合物的剛性?xún)?yōu)勢(shì)明顯，最高可增加42％，而為此犧牲的彎曲強(qiáng)度也僅降低了12％。但重量?jī)?yōu)勢(shì)則非常明顯，減重達(dá)到 22％。
發(fā)泡減重
結(jié)合使用其它加工方法，還可以進(jìn)一步減輕部件重量。市場(chǎng)上最普遍的兩種技術(shù)是水輔和氣輔注射成型技術(shù)（WIT / GIT）。用發(fā)泡劑發(fā)泡聚合物熔體可以進(jìn)一步減輕6％~13％的重量，確切的數(shù)據(jù)取決于所采用的方法。在表2所示的試驗(yàn)中，20％碳纖維增強(qiáng)（聚酰胺+聚丙烯）共混物中加入了3.5％ 的化學(xué)發(fā)泡劑AF-Complex PE 990310TM ，應(yīng)用于拉桿的模具中。密度降低超過(guò)13％——低于水的密度。盡管重量大幅減輕，然而彎曲強(qiáng)度并沒(méi)有降低，與40％玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺6相比具有大致相同的彎曲剛度，但玻纖填充產(chǎn)品重量約高出50％。因此對(duì)彎曲應(yīng)力有要求的部件最宜選擇發(fā)泡。通過(guò) 與 PME Fluidtec GmbH，Ettenheim， Batz S. Coop. ，Igorre及Moldetipo li Lda公司進(jìn)行合作， AKRO-PLASTIC 的 黑 色 AKROMID?B3 ICF 15（5026）材料用在了離合器踏板上（見(jiàn)圖2）。
圖 用碳纖維填充復(fù)合材料 AKROMID?B3 ICF 15 black（5026）制成的離合器踏板的壁厚分布
該材料為15％碳纖維增強(qiáng)的聚酰胺6，且采用了水輔助注射成型技術(shù)（WIT）。與用標(biāo)準(zhǔn)PA6GF30 材料制成的離合器踏板相比，該踏板具有更高的（高出100 N ）的斷裂強(qiáng)度，達(dá)到1100 N，剛度高25％，重量反而輕了10％。在2016年的SPE 頒獎(jiǎng)儀式上，連同踏板軸承座一起獲得了動(dòng)力總成類(lèi)一等獎(jiǎng)。
潛在應(yīng)用
目前，大量的潛在應(yīng)用正在測(cè)試中，主要都是黑色的高剛性部件。對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，安裝在車(chē)輛重心上方的部件尤為重要。此種情況下，減重為車(chē)輛操縱帶來(lái)的益處是非常直觀的。中央控制臺(tái)的減重潛力巨大（見(jiàn)圖3）。當(dāng)使用PA 6.6 GF30 制造，重量為1680g。如用10％ ICF增強(qiáng)的PA 6.6（黑色AKROMID?A3 ICF 10（5117））制造，重量被減輕到1460g，且剛度相當(dāng)。
圖 用碳纖維填充復(fù)合材料 AKROMID?B3 ICF 10 black（5117）制成的中央控制臺(tái)
不僅大型部件的重量可以大幅減輕，例如螺絲等緊固件的重量也可以大幅降低。采用黑色AKROMID?T1 ICF 30（見(jiàn)圖4）生產(chǎn)的螺絲具有極大的剛性、優(yōu)異的耐化學(xué)性及低蠕變性。以這種方式制造的螺絲比標(biāo)準(zhǔn)金屬螺絲重量輕約80％，且能提供與塑膠件相同的螺栓連接效果。
圖 用碳纖維填充復(fù)合材料 AKROMID?B3 ICF 30 black（5148）制成的螺釘
接觸腐蝕
碳纖維增強(qiáng)塑料的接觸腐蝕問(wèn)題不容忽視。受腐蝕的部件與金屬腐蝕的表現(xiàn)非常相像，如在潮濕環(huán)境中與由鋁或鍍鋅鋼制成的螺釘或插件直接接觸，將會(huì)產(chǎn)生腐蝕。多個(gè)試驗(yàn)證明，具有適當(dāng)穩(wěn)定性的AKRO-PLASTIC 級(jí)別產(chǎn)品（如AKROMID?B3 ICF 15（5026））在鍍鋅螺釘上沒(méi)有產(chǎn)生任何腐蝕現(xiàn)象， 這在氣候交變?cè)囼?yàn)中也同樣得以確認(rèn)。這是因?yàn)樵诰埘０分惺褂昧穗娭行缘姆€(wěn)定工藝。部件在潮濕環(huán)境（如動(dòng)力總成、外飾件）中使用時(shí)，高增強(qiáng)聚酰胺不能防止接觸腐蝕，因此必須安裝由高品質(zhì) V4A 不銹鋼制成的插件。該問(wèn)題可通過(guò)采用高玻璃纖維增強(qiáng)塑料包覆鍍鋅鋼標(biāo)準(zhǔn)套管來(lái)避免。形成電中性絕緣層，該部件便可用于具有碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用中。
原標(biāo)題：輕巧創(chuàng)新由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的部件。文/Thilo Stier（AKRO-PLASTIC公司銷(xiāo)售及創(chuàng)新事業(yè)部總監(jiān)） Thomas Raithel（AKRO-PLASTIC公司大客戶(hù)經(jīng)理）
始發(fā)于微信公眾號(hào)：艾邦高分子