宝马碳纤维的创新轻量化应用

几年前，宝马集团取得了革命性进步，采用碳纤维增强塑料打造整个乘客舱。与往常一样，新的生产方法也带来了不少回收碳纤维，如何巧妙利用回收碳纤维，变废为宝来看看本文。

汽车生产中的干碳纤维织布回收碳纤维可用于高性能的工程产品。作为原生纤维，可以利用创新工艺被加工成为短纤维，填充了这种新型纤维的复合材料可用于制造轻质、高弹性的汽车部件。

轻量化带来的回收碳纤维

航空业往往是轻量化部件应用的领头羊。对于这种成本密集型运输工具而言，减重的直接好处就是降低油耗。目前汽车行业正面临着类似挑战。诸如欧洲、美国和中国这些核心市场均已制定远大的气候改善目标，力图达到降低碳排放的法规要求。例如，欧洲按法规要求，到2020年前，乘用车的CO2排放量减至平均95g/km。为此，各大汽车制造商及其配套商纷纷投入大量资金，寻找新的降低油耗的方法，并将那些尚未实现的创意落到实处， 以期将这些创意用于轻量化设计并能实现批量生产。

几年前，宝马集团取得了革命性进步，采用碳纤维增强塑料打造整个乘客舱。与往常一样，新的生产方法也带来了不少回收碳纤维。这些回收碳纤维包括干纤维残余物和湿废物。起初，汽车制造商着力于将干燥回收碳纤维制成相应长度的织物，用于小型的应用之中。然而，剩余的纤维织物不一定能满足新部件的形状要求。人工处理被证实不但成本极高、耗时长，而且容易出现人为误差。因此必须找到新的解决方案。

织布碳纤维的有效使用

德国下齐森AKRO-PLASTIC GmbH公司已找到一种通过将回收碳纤维加入到聚合物熔体中的方法，以提高其附加值（见图1）。切碎织布纤维， 跟传统的切碳纤维方式一样，分多个步骤进行，然后在挤出机上进行重力配料。其主要难点在于织布的粉末粘合剂。最初它的用途是将层叠的碳纤维织布粘贴固定到位，防止其在下游工序中分离。加料的关键点是如何在处理过程中精确控制温度。在此情况下，使用的双螺杆挤出机（制造商：FEDDEM GmbH & Co. KG）配备了新开发的侧边进料机， 能平缓地将最高40％的碳纤维加入到聚合物熔体中。接下来的步骤很关键，须确保机器在整个过程中电气封装妥当，否则碳纤维的高导电性将损坏电气部件。






图1：碳纤维回收工艺流程

具有重量优势的复合材料

被称为ICF的新型AKRO-PLASTIC碳纤维增强系列产品具有高强度、低密度的特性，其价格也极具竞争力。最高可以加入40％的碳纤维。新产品线旨在大幅减轻产品重量，特别是承重部件的重量。碳纤维增强复合材料具备电气屏蔽性及优异的导热性能，特别适用于活性炭过滤器、控制单元支架和中央控制台等部件。表1中的对比显示，含 15％碳纤维（AKROMID B3 ICF 15 black（5026））的增强PA6的拉伸弹性模量与含30％玻璃纤维增强材料PA6的拉伸弹性模量相同。12％以上的比重优势足以让客户愿意接受20%弯曲强度的降低。随着纤维填充量的增加，碳纤聚合物的刚性优势明显，最高可增加42％，而为此牺牲的弯曲强度也仅降低了12％。但重量优势则非常明显，减重达到 22％。

发泡减重

结合使用其它加工方法，还可以进一步减轻部件重量。市场上最普遍的两种技术是水辅和气辅注射成型技术（WIT / GIT）。用发泡剂发泡聚合物熔体可以进一步减轻6％~13％的重量，确切的数据取决于所采用的方法。在表2所示的试验中，20％碳纤维增强（聚酰胺+聚丙烯）共混物中加入了3.5％ 的化学发泡剂AF-Complex PE 990310TM ，应用于拉杆的模具中。密度降低超过13％——低于水的密度。尽管重量大幅减轻，然而弯曲强度并没有降低，与40％玻璃纤维增强的聚酰胺6相比具有大致相同的弯曲刚度，但玻纤填充产品重量约高出50％。因此对弯曲应力有要求的部件最宜选择发泡。通过 与 PME Fluidtec GmbH，Ettenheim， Batz S. Coop. ，Igorre及Moldetipo li Lda公司进行合作， AKRO-PLASTIC 的 黑 色 AKROMID®B3 ICF 15（5026）材料用在了离合器踏板上（见图2）。



图 用碳纤维填充复合材料 AKROMID®B3 ICF 15 black（5026）制成的离合器踏板的壁厚分布

该材料为15％碳纤维增强的聚酰胺6，且采用了水辅助注射成型技术（WIT）。与用标准PA6GF30 材料制成的离合器踏板相比，该踏板具有更高的（高出100 N ）的断裂强度，达到1100 N，刚度高25％，重量反而轻了10％。在2016年的SPE 颁奖仪式上，连同踏板轴承座一起获得了动力总成类一等奖。

潜在应用

目前，大量的潜在应用正在测试中，主要都是黑色的高刚性部件。对于汽车制造商来说，安装在车辆重心上方的部件尤为重要。此种情况下，减重为车辆操纵带来的益处是非常直观的。中央控制台的减重潜力巨大（见图3）。当使用PA 6.6 GF30 制造，重量为1680g。如用10％ ICF增强的PA 6.6（黑色AKROMID®A3 ICF 10（5117））制造，重量被减轻到1460g，且刚度相当。



图 用碳纤维填充复合材料 AKROMID®B3 ICF 10 black（5117）制成的中央控制台

不仅大型部件的重量可以大幅减轻，例如螺丝等紧固件的重量也可以大幅降低。采用黑色AKROMID®T1 ICF 30（见图4）生产的螺丝具有极大的刚性、优异的耐化学性及低蠕变性。以这种方式制造的螺丝比标准金属螺丝重量轻约80％，且能提供与塑胶件相同的螺栓连接效果。



图 用碳纤维填充复合材料 AKROMID®B3 ICF 30 black（5148）制成的螺钉

接触腐蚀

碳纤维增强塑料的接触腐蚀问题不容忽视。受腐蚀的部件与金属腐蚀的表现非常相像，如在潮湿环境中与由铝或镀锌钢制成的螺钉或插件直接接触，将会产生腐蚀。多个试验证明，具有适当稳定性的AKRO-PLASTIC 级别产品（如AKROMID®B3 ICF 15（5026））在镀锌螺钉上没有产生任何腐蚀现象， 这在气候交变试验中也同样得以确认。这是因为在聚酰胺中使用了电中性的稳定工艺。部件在潮湿环境（如动力总成、外饰件）中使用时，高增强聚酰胺不能防止接触腐蚀，因此必须安装由高品质 V4A 不锈钢制成的插件。该问题可通过采用高玻璃纤维增强塑料包覆镀锌钢标准套管来避免。形成电中性绝缘层，该部件便可用于具有碳纤维增强塑料的应用中。