碳纖維增強(qiáng)材料（簡稱CFK）因廣泛應(yīng)用于制造賽車、飛機(jī)或運動器材而為人們所熟知。在這些應(yīng)用中，價格是次要的，CFK的輕質(zhì)特性才是選材中最重要的因素。安科羅（AKRO-PLASTIC）現(xiàn)在致力于使其他工業(yè)領(lǐng)域也能用得起這種優(yōu)質(zhì)材料。

    碳纖維在需要輕質(zhì)高強(qiáng)特性的組件應(yīng)用方面具有極大優(yōu)勢。盡管碳纖維幾十年前就已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)，但是其高昂的價格阻礙了CFK的廣泛應(yīng)用。

    過去幾年中，碳纖維織物的應(yīng)用范圍日益廣泛，從飛機(jī)制造領(lǐng)域擴(kuò)展到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，最近幾年又?jǐn)U展到車輛制造領(lǐng)域。這些應(yīng)用促進(jìn)了碳纖維的產(chǎn)能擴(kuò)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(fù)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(chǎn)商AKRO-PLASTIC GmbH注意到了這些邊角料并開發(fā)了一種生產(chǎn)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(yōu)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(fā)此生產(chǎn)工藝后幾個月內(nèi)，安科羅即開發(fā)出了AKROMID?ICF產(chǎn)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(xiàn)與其他增強(qiáng)材料混合等特殊要求（見表1）。

▲表1 AKROMID®ICF產(chǎn)品組合

    性能不打折的輕量化

    對比碳纖維增強(qiáng)聚酰胺和傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺的機(jī)械性能可以發(fā)現(xiàn)，使用碳纖維可顯著降低增強(qiáng)填充含量并且實現(xiàn)類似性能。因此，使用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)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(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料成功上市后，安科羅又開發(fā)了以聚酮（AKROTEK?ICF）和PBT（PRECITE?ICF）為基材的碳纖增強(qiáng)牌號。如同聚酰胺基材一樣，這些聚合物也展現(xiàn)出了碳纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)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(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，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(yīng)用成為可能。具體而言，現(xiàn)在可以用具有較低填充量的ICF改性材料替代高玻纖增強(qiáng)改性材料，或者在碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的現(xiàn)有應(yīng)用中使用更具性價比的ICF材料以降低成本。已經(jīng)量產(chǎn)的系列應(yīng)用主要需要材料的導(dǎo)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(dǎo)電率。位于格蘭文的AFT Automotive GmbH制造用于靜電消散燃油系統(tǒng)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(qiáng)，沖擊改性的PPA復(fù)合材料，具有靜電放電功能和高機(jī)械性能，使快插接頭具備復(fù)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(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，卻更經(jīng)濟(jì)

    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(yōu)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(qiáng)的平衡比例也確保了按照最嚴(yán)格公差的精確制造。（圖2）。大多數(shù)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(dá)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(jī)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(qiáng)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(xué)發(fā)泡母粒實現(xiàn)了最大減重。與使用玻璃纖維增強(qiáng)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(jī)械承載的所有要求。黑色作為所有碳纖維復(fù)合材料的固有顏色，可能造成應(yīng)用限制，但對許多應(yīng)用來說黑色恰恰是所需要的顏色。

    由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的高溫條件，大多數(shù)塑料引擎罩蓋在數(shù)小時內(nèi)都會顯著變色，所以汽車的發(fā)動機(jī)蓋幾乎都是黑色的。發(fā)動機(jī)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(zhì)，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(jié)實的材料來制造該部件。被選中的聚合物是聚酰胺。目前，經(jīng)常使用純礦物填充或玻纖礦物共混增強(qiáng)聚酰胺。這些材料易于加工并滿足機(jī)械要求，但所造部件的表面質(zhì)量不易控制，有時無法滿足設(shè)計師的高要求。碳纖維增強(qiáng)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(jī)械性能。使用碳纖維增強(qiáng)材料可顯著減重約20％，制品表面質(zhì)量明顯更均勻。

    碳纖維增強(qiáng)的材料甚至可以制造最復(fù)雜的可視部件。空調(diào)出風(fēng)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(nèi)，應(yīng)符合儀表板設(shè)計要求，尤其是在質(zhì)量方面。因此，對塑料部件的外觀質(zhì)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(chǎn)的出風(fēng)口葉片不僅能夠滿足技術(shù)要求，而且表面質(zhì)量優(yōu)異（圖3）。這些出風(fēng)口葉片目前用于寶馬7系。

▲圖3 由Dr. Schneider Company Group.用AKROLOY®PARA ICF 40

    ICF改性材料的應(yīng)用重點不僅在于輕質(zhì)高強(qiáng)度等優(yōu)異的技術(shù)性能，還在于高質(zhì)量表面的可能性：“結(jié)構(gòu)輕質(zhì)美觀”。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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