幾年前，寶馬集團取得了革命性進步，采用碳纖維增強塑料打造整個乘客艙。與往常一樣，新的生產方法也帶來了不少回收碳纖維，如何巧妙利用回收碳纖維，變廢為寶來看看本文。
汽車生產中的干碳纖維織布回收碳纖維可用于高性能的工程產品。作為原生纖維，可以利用創新工藝被加工成為短纖維，填充了這種新型纖維的復合材料可用于制造輕質、高彈性的汽車部件。
輕量化帶來的回收碳纖維
航空業往往是輕量化部件應用的領頭羊。對于這種成本密集型運輸工具而言，減重的直接好處就是降低油耗。目前汽車行業正面臨著類似挑戰。諸如歐洲、美國和中國這些核心市場均已制定遠大的氣候改善目標，力圖達到降低碳排放的法規要求。例如，歐洲按法規要求，到2020年前，乘用車的CO2排放量減至平均95g/km。為此，各大汽車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，并將那些尚未實現的創意落到實處， 以期將這些創意用于輕量化設計并能實現批量生產。
幾年前，寶馬集團取得了革命性進步，采用碳纖維增強塑料打造整個乘客艙。與往常一樣，新的生產方法也帶來了不少回收碳纖維。這些回收碳纖維包括干纖維殘余物和濕廢物。起初，汽車制造商著力于將干燥回收碳纖維制成相應長度的織物，用于小型的應用之中。然而，剩余的纖維織物不一定能滿足新部件的形狀要求。人工處理被證實不但成本極高、耗時長，而且容易出現人為誤差。因此必須找到新的解決方案。
織布碳纖維的有效使用
德國下齊森AKRO-PLASTIC GmbH公司已找到一種通過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（見圖1）。切碎織布纖維， 跟傳統的切碳纖維方式一樣，分多個步驟進行，然后在擠出機上進行重力配料。其主要難點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。加料的關鍵點是如何在處理過程中精確控制溫度。在此情況下，使用的雙螺桿擠出機（制造商：FEDDEM GmbH & Co. KG）配備了新開發的側邊進料機， 能平緩地將最高40％的碳纖維加入到聚合物熔體中。接下來的步驟很關鍵，須確保機器在整個過程中電氣封裝妥當，否則碳纖維的高導電性將損壞電氣部件。
圖1：碳纖維回收工藝流程
具有重量優勢的復合材料
被稱為ICF的新型AKRO-PLASTIC碳纖維增強系列產品具有高強度、低密度的特性，其價格也極具競爭力。最高可以加入40％的碳纖維。新產品線旨在大幅減輕產品重量，特別是承重部件的重量。碳纖維增強復合材料具備電氣屏蔽性及優異的導熱性能，特別適用于活性炭過濾器、控制單元支架和中央控制臺等部件。表1中的對比顯示，含 15％碳纖維（AKROMID B3 ICF 15 black（5026））的增強PA6的拉伸彈性模量與含30％玻璃纖維增強材料PA6的拉伸彈性模量相同。12％以上的比重優勢足以讓客戶愿意接受20%彎曲強度的降低。隨著纖維填充量的增加，碳纖聚合物的剛性優勢明顯，最高可增加42％，而為此犧牲的彎曲強度也僅降低了12％。但重量優勢則非常明顯，減重達到 22％。
發泡減重
結合使用其它加工方法，還可以進一步減輕部件重量。市場上最普遍的兩種技術是水輔和氣輔注射成型技術（WIT / GIT）。用發泡劑發泡聚合物熔體可以進一步減輕6％~13％的重量，確切的數據取決于所采用的方法。在表2所示的試驗中，20％碳纖維增強（聚酰胺+聚丙烯）共混物中加入了3.5％ 的化學發泡劑AF-Complex PE 990310TM ，應用于拉桿的模具中。密度降低超過13％——低于水的密度。盡管重量大幅減輕，然而彎曲強度并沒有降低，與40％玻璃纖維增強的聚酰胺6相比具有大致相同的彎曲剛度，但玻纖填充產品重量約高出50％。因此對彎曲應力有要求的部件最宜選擇發泡。通過 與 PME Fluidtec GmbH，Ettenheim， Batz S. Coop. ，Igorre及Moldetipo li Lda公司進行合作， AKRO-PLASTIC 的 黑 色 AKROMID?B3 ICF 15（5026）材料用在了離合器踏板上（見圖2）。
圖 用碳纖維填充復合材料 AKROMID?B3 ICF 15 black（5026）制成的離合器踏板的壁厚分布
該材料為15％碳纖維增強的聚酰胺6，且采用了水輔助注射成型技術（WIT）。與用標準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 ）的斷裂強度，達到1100 N，剛度高25％，重量反而輕了10％。在2016年的SPE 頒獎儀式上，連同踏板軸承座一起獲得了動力總成類一等獎。
潛在應用
目前，大量的潛在應用正在測試中，主要都是黑色的高剛性部件。對于汽車制造商來說，安裝在車輛重心上方的部件尤為重要。此種情況下，減重為車輛操縱帶來的益處是非常直觀的。中央控制臺的減重潛力巨大（見圖3）。當使用PA 6.6 GF30 制造，重量為1680g。如用10％ ICF增強的PA 6.6（黑色AKROMID?A3 ICF 10（5117））制造，重量被減輕到1460g，且剛度相當。
圖 用碳纖維填充復合材料 AKROMID?B3 ICF 10 black（5117）制成的中央控制臺
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（見圖4）生產的螺絲具有極大的剛性、優異的耐化學性及低蠕變性。以這種方式制造的螺絲比標準金屬螺絲重量輕約80％，且能提供與塑膠件相同的螺栓連接效果。
圖 用碳纖維填充復合材料 AKROMID?B3 ICF 30 black（5148）制成的螺釘
接觸腐蝕
碳纖維增強塑料的接觸腐蝕問題不容忽視。受腐蝕的部件與金屬腐蝕的表現非常相像，如在潮濕環境中與由鋁或鍍鋅鋼制成的螺釘或插件直接接觸，將會產生腐蝕。多個試驗證明，具有適當穩定性的AKRO-PLASTIC 級別產品（如AKROMID?B3 ICF 15（5026））在鍍鋅螺釘上沒有產生任何腐蝕現象， 這在氣候交變試驗中也同樣得以確認。這是因為在聚酰胺中使用了電中性的穩定工藝。部件在潮濕環境（如動力總成、外飾件）中使用時，高增強聚酰胺不能防止接觸腐蝕，因此必須安裝由高品質 V4A 不銹鋼制成的插件。該問題可通過采用高玻璃纖維增強塑料包覆鍍鋅鋼標準套管來避免。形成電中性絕緣層，該部件便可用于具有碳纖維增強塑料的應用中。
原標題：輕巧創新由碳纖維增強復合材料制成的部件。文/Thilo Stier（AKRO-PLASTIC公司銷售及創新事業部總監） Thomas Raithel（AKRO-PLASTIC公司大客戶經理）
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