不断寻找新市场的碳纤维复材

根据复合材料的市场预测，未来碳纤维材料具有重要的发展潜力。碳纤维复合材料联盟（Carbon Composites e.V.）的最新研究《2016 年全球CFRP 市场》指出，未来几年内所有行业的碳纤维复合材料（CFRP）的平均增长率将达到11-12%。领先的碳纤维制造商正在寻找不同的业务发展方式，并扩大碳纤维复合材料在越来越多的应用中所起的作用。

图1：西格里集团（SGL Group）设在德国Meitingen 的纤维与复合材料业务部（CFM）运营总部。

西格里集团（SGL Group）的做法是通过对纤维和材料运作部门的合并，为客户提供一站式服务，同时支持其开发基于自动化生产流程的新材料解决方案。“我们不认为碳纤维增强塑料和复合材料会取代铝和钢，它们将会成为未来材料组合的一部分。”西格里集团（SGL Group）“复合材料－纤维和材料”业务部门的负责人Andreas Wüllner 表示：“特别是，它们将最大化的物尽其用，充分发挥它们的性能优势，同时，尽可能容易地集成到现有的生产工艺中来。通过这种方式，复合材料将在越来越多的行业中有所建树。当然，新的发展不会一蹴而就。在汽车领域，例如宝马7 系列中的碳纤维增强塑料的创新应用已经有一段时间了，并显现出良好的发展前景。正确的材料和适当的组合概念是成功的关键因素。因此，在项目的规划和实现过程中，材料专家和客户紧密合作非常重要。”

为了实现这些目标，西格里集团（SGL Group）还在德国奥格斯堡附近的Meitingen建立了一个新的轻量化及应用中心。该中心着重于生产过程和产品的开发，以及原型和小型系列组件的生产。此外，在今年的二月，西格里集团（SGL Group）决定将纤维和材料领域的业务与轻量化应用结合起来。集团将复合材料业务和西格里汽车碳纤维公司（SGL Automotive Carbon Fibers）的业务合并，成立了一个新的业务部门。西格里汽车碳纤维公司是西格里碳素集团和宝马集团组建的合资企业。新的业务部门“复合材料－纤维和材料”（CFM）由Andreas Wüllner负责领导。

Andreas Wüllner解释说：“通过整合我们的纤维与复合材料业务，我们可以提供一站式的服务。自2016年初以来，西格里集团（SGL Group）为汽车、航空航天、风能以及腈纶纤维领域的客户设立了专属服务点。其他的行业客户则由各个区域的销售团队负责全球运营。业务部还会通过新的轻量化及应用中心（LAC）为客户提供额外支持，帮助优化纤维和复合材料的应用。例如，促进工艺流程、产品、原型以及小批量生产的研发。此外，西格里集团（SGL Group）未来还将向其他客户提供一些材料和解决方案，这些材料和解决方案在过去仅由西格里汽车碳纤维公司（SGL ACF）向BMW独家供应。公司在借鉴汽车用大丝束纤维应用经验的基础上，还将利用其在其他工业领域如航空航天工业方面的专业知识。”

新宝马7系车身结构使用“碳芯”元素新材料，混合动力车是西格里集团（SGL Group）认为有助于扩大碳纤维复合材料使用的一个领域。在这一系列应用中，新型号系列的车顶框架采用碳纤维编织物与铝结合使用。编织好的预成型材料由西格里集团（SGL Group）通过全自动化过程进行生产，然后直接作为预制件提供给宝马集团。

Andreas Wüllner表示，目前复合材料行业所面临的主要挑战之一，是要以自动化方式来生产复合材料，并将其与现有的生产方法相结合。他说：“制造业所关注的首要问题是大规模的生产流程。来自西格里集团（SGL Group）的材料已经应用于复合材料部件所有常见连续应用中。并通过缩短周期时间和优化材料的使用来实现效率的提升。降低成本的关键在于，理想的部件概念与最佳材料设置的协调，以及复合材料的加工工艺。”

图2：新款宝马7 系的碳芯车体结构。（来源：宝马集团）

西格里集团（SGL Group）还开发了智能材料混合概念，突出了未来汽车工程中不同材料综合使用新的具体的可能性。这些包括预浸纤维束——基于50k 连续碳纤维丝束的SIGRAPREG® TowPregs。由于其宽度的稳定性和良好的缠绕行为，这些被认为特别适用于自动化生产过程。例如，它们可以结合新型快速固化预浸树脂，比如西格里集团（SGL Group）最近开发的“快速固化”E420环氧树脂体系。E420材料工具箱具有快速固化时间（150℃时小于3分钟）和良好的储存稳定性（常温环境）等优点。预浸半成品也具有优化的自动化加工功能。140-150℃的高玻璃化转变温度使组件能够在较高的温度下脱模。

据公司介绍，工具箱中的各种材料可以实现灵活的组合和处理，从而为用户提供最大的设计自由度。同时，它们减少了组件的确认和生产的复杂性。这是因为它们是基于相同的树脂系统，能够实现高标准化，并确保不同半成品之间良好的兼容性。西格里集团（SGL Group）表示，通过使用工具箱材料，用户只需经过一次虽然高额、耗时的矩阵系统资格认证（例如，粘合剂兼容性和EDC 适用性），但是即可拥有多种半成品、成品可供使用。利用单个半成品特殊优势的新型轻量化设计概念——例如UD 与各向同性——有助于满足汽车行业CFRP 部件成本效益可持续及大规模的生产要求。

同时，西格里集团（SGL Group）在葡萄牙建立了新的碳纤维原丝生产线，总投资额达3000万欧元，以完成其内部完整的基于碳纤维的解决方案价值链。原丝是一种聚合物基纤维，是碳纤维生产的主要原料。该生产线由西格里集团（SGL Group）Lavradio部分现有FISIPE生产设备改造和升级而建成。作为西格里集团全球生产网络的一部分，产自葡萄牙的原丝已经开始向美国华盛顿州Moses Lake以及苏格兰Muir of Ord基地进行供应，用来生产集团新一代高端工业用SIGRAFIL碳纤维。此种碳纤维将应用于汽车、航空航天以及其他各工业领域中。

图3：纤维束被收集在西格里集团（SGL Group）的卷轴上。

在复合材料与石墨材料及系统业务领域，西格里集团（SGL Group）的增长计划是实现50%的销售增长率，而原丝生产也是这个可持续性盈利增长计划中的一部分。未来，公司将重点扶持和加速与交通动力、能源供应以及数字化大趋势相关的发展。

CFRP继续提供了广泛的优势，尤其是对于最终用户而言，Wüllner 总结道：“例如，减轻重量、提高稳定性，不仅可以提升燃油效率，而且可以提高汽车的驾驶特性，带来更高的安全性能。在飞机制造上，CFRP有助于减轻重量，从而推动实现燃油效率的提高，并提高安全标准。而且，现在复合材料已经应用于许多其他领域，例如医疗和运动器材等，并提供了众多优势。除了重量轻、刚度大之外，该材料通常也具有持久性、耐腐蚀性，可吸收x 射线，且具有低的热膨胀性能。

高拉伸模量纤维

赫氏公司（Hexcel）的目标是开发更高拉伸和模量的纤维，以满足航空航天工业对碳纤维材料性能的快速增长。赫氏公司（Hexcel）增强纤维产品管理的集团总监Lyndon Smith认为，就目前碳纤维复合材料市场而言，碳纤维的应用在许多领域都在不断增长，包括航空航天、风能、国防、太空、汽车领域和在全球工业的应用。

图4：生产中的碳纤维。来源：西格里集团（SGL Group）

Lyndon Smith说：“持续的轻量化需求是行业发展的新动力。碳纤维提供了强度、耐用性，以及和独特的设计方案。”当然，是否有必要采用碳纤维，最终还是取决于对成本与性能的仔细衡量。但是Hexcel认为，随着设计师们将在未来的设计中学习如何优化这项技术，碳纤维的应用将会越来越强大。更高拉伸和模量纤维的增长将使设计的灵活性更高，但这些参数必须考虑到性能与成本。

为了满足这些需求，赫氏公司（Hexcel）已经推出了高模量纤维，如HexTow® HM63，以及HexTow® IM10——目前市场上最高的抗拉纤维。赫氏公司（Hexcel）补充说，其最近还发布了一款具有价格竞争力的高复合拉伸转换强度的IMA航空级中模量纤维。

“HexTow® 碳纤维是世界上最先进的航空和工业复合材料应用的首选碳纤维。”Lyndon Smith 说，“这些连续纤维可以与所有热固性和热塑性树脂体系结合使用。它们用于织造、编织和长丝缠绕制品，以及用于纤维自动铺丝（AFP）工艺和铺带（ATL）工艺的单向带，和纤维铺放工艺中的预浸丝束。”

图5：碳纤维编织机。来源：西格里集团（SGL Group）

赫氏公司（Hexcel）的HM或高模量纤维是推向市场的最新研发产品。该公司表示HexTow® HM63对任意高强度高刚度方面的应用都是一种理想材料，这些应用包括空间探索、卫星、无人机、商用飞机和直升机等以及高端运动和娱乐应用，如一级方程式、海洋运动、自行车和钓鱼竿。

Lyndon Smith补充说：“在激动人心的高增长应用中，奥尔巴尼工程复合材料（Albany Engineered Composites）和SAFRAN 选择了IM7 12 K用于制造LEAP 发动机，是HexTow®碳纤维的应用范例。LEAP发动机为波音737MAX、空中客车A320NEO和COMAC 919飞机提供动力。HexTow®IM7 纤维编织成3D预制件，以便在发动机上构建LEAP发动机风扇叶片和其他复合结构。HexTow® IM7碳纤维之所以被选用，是因为它具有满足这一关键应用所需的苛刻性能和可靠标准。

图6：碳纤维编织物。来源：西格里集团（SGL Group）

对于未来，Lyndon Smith认为，提高结构中碳纤维的设计利用，将从轻量化和定向强度中受益，这将进一步优化给定应用，同时最大限度地降低纤维成本。他说：“Hexcel与最终用户之间的进一步合作，有着特定的要求，这将增强我们共同发展市场的能力。”

赫氏公司（Hexcel）还在法国Roussillon建设了一家新工厂，以扩大其碳纤维和原丝的生产能力。新的碳纤维设生产施投资2.5亿美元，位于法国Roussillon的Osiris化工区内，占地37 英亩。该公司表示，该工厂是其持续性全球投资的一部分，从而为集团创建多元化和强大的供应链，以支持航空航天客户对碳纤维复合材料不断增长的需求。

图7：SAFRAN 使用Hexcel 的HexTow® IM7 碳纤维制成的LEAP 发动机。

来自新工厂的碳纤维将提供给包括空客A350 XWB和SAFRAN 的CFM LEAP 发动机在内的Hexcel的客户。该工厂将于2018年初全面投入使用。Roussillon工厂位于靠近里昂的Hexcel编织和预浸料生产制造厂附近，这些设施还将从进一步投资中获利2200万美元。

进一步的市场扩容

索尔维（Solvay）最近扩建了其美国生产线，使应用于飞机结构的碳纤维制造能力翻了一番。这家位于美国南卡罗来纳州Piedmont的新工厂已经获得了波音公司的认证，用于制造机翼活动襟翼、发动机舱以及室内应用等二级结构。扩建包括将丙烯腈单体转化为标准模量碳纤维的设施和设备。这种类型的纤维用于复合材料的生产，这些复合材料经预浸渍，用于商用和军用飞机的应用中。

“通过这一战略性的产能扩张，我们为客户可提供更大的供应能力，并有助于为增强复合材料不断增加的需求作出贡献，以减少重量和燃料消耗，并通过一体化的部件设计来减轻组装成本。对于索尔维，这一生产扩张的结果将使我们有更大的灵活性，增强了我们在创新的复合材料的增长和行业的领先地位。”索尔维首席执行官Jean-Pierre Clamadieu表示。

三菱丽阳（MRC）正在增加其在日本大竹（Otake）生产中心的大丝束碳纤维的生产能力，从目前的2700吨到3900吨。新设施预计将于2017年7月至9月开始运行。加上美国Sacramento小丝束碳纤维工厂生产能力的增长，公司的碳纤维总产能将增长约30%，从10100/年吨增加到13300吨/年。

三菱丽阳（MRC）开发了一种“高功能大丝束碳纤维”，与用于飞机部件及压缩燃气罐的“小丝束碳纤维”产品相比，保持了同等的物性和品质，同时提高了制造大尺寸成型品时的生产效率。大竹事业所（Otake）的碳纤维工厂于2011年7月开始运转，该公司也一直在开拓高功能大丝束碳纤维的用途，比如空客“A320neo”的地板材料中。目前该产品已经获得市场认可，高端应用正在迅速增长。

图8：空客A350 XWB 飞机是Hexcel 碳纤维主要用户，后者为飞机的所有主要复合结构提供预浸料 ©AIRBUS S.A.S2014 – photo by master films/A. DOUMENJOU

该公司表示，需求大幅增加的是风力发电机叶片用途。随着海上风力发电及低风速地区用设备向叶片大型化发展，相关设备厂商要求叶片实现轻量化并确保刚性；作为玻璃纤维的替代品，高功能大丝束碳纤维的需求不断增加。此外，为了使汽车实现轻量化，有越来越多的汽车厂商开始咨询使用高功能大丝束碳纤维的中间材料，因此，三菱丽阳（MRC）决定增强生产设备。三菱丽阳介绍称，提高产能后的大竹事业所（Otake）生产中心将成为世界上最大的生产碳纤维的单一生产线。

三菱丽阳是三菱化学控股集团旗下企业，该集团在截至2020年的中期经营计划中提出了令碳纤维及复合材料业务实现1000亿日元销售额的目标。公司计划在汽车和其他工业应用中实现增长。三菱丽阳在2017年4月与三菱化学公司、三菱塑料公司整合为一体。公司希望将通过子公司增加协同效应。这包括位于欧洲、在汽车领域占有重要位置的Quadrant公司。MRC补充说，它将继续在欧洲市场上作为碳纤维和复合材料的供应商。

三菱丽阳（MRC）最近的其他举措，包括与Fiberline Composites A/S了一家合资公司，为风力发电机叶片制造和分销碳纤维层压板。MRC将向位于丹麦的合资公司提供在大竹（Otake）生产的高性能大丝束纤维。该项业务将利用Fiberline的一种复合拉挤成型技术和加工技术，为风力发电机叶片市场提供轻质、且价格具有竞争力的复合材料层压板。

MRC最近还与意大利兰博基尼汽车公司签署了谅解备忘录（MOU），以考虑联合开发汽车用碳纤维复合材料。这将使三菱丽阳（MRC）在CFRP中间材料和工艺技术方面与兰博基尼的技术和开发轻型组件产品的知识相结合。

日本东丽公司（Toray）旗下TORAYCA® 预浸料产品具有高强度中模碳纤维T800S通过空客公司认证，被选为空客A380的主结构原材料。东丽公司（Toray）说，东丽已经开始向空客位于德国的工厂供货。A380是世界上最大、最宽敞的客机，旨在为乘客提供最平滑、最安静的航班感受。2010年5月，东丽（Toray）与空客集团S.E. 签署了碳纤维预浸料长期供应协议，主要用于空客S.A.S.。此次T800S碳纤维预浸料通过认证正是基于这份供应协议做出的决定。东丽（Toray）一直为空客飞机提供TORAYCA® 碳纤维，这是空客公司首次使用TORAYCA® 预浸料。

此外，东丽（Toray）还表示，正在将其高性能碳纤维TORAYCA® 的供应量增加到空中客车业务中。该纤维已被Pratt ＆ Whitney选用于制造PW1100G-JM发动机的风扇箱。PW1100G-JM是新型单通道飞机A320neo的引擎，该机型于2016年1月首次交付。此外，A330neo主要结构采用了高性能碳纤维TORAYCA®。