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竹纖維增強復合材料應用研究蔚然成風,在汽車市場初具雛形

2017-06-27 09:20:57 南京聚隆 閱讀

在中國節能減排政策收緊和材料輕量化趨勢不可逆的背景下,汽車新材料成為人們關注的熱點,未來在汽車工業的市場規模或達數千億元。

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據竹纖維產業網調查顯示,在諸多新材料中,“以竹代塑、以竹代鋼”等輕質材料在汽車中的應用研究已經蔚然成風,尤其是竹纖維增強熱塑性復合材料越來越受到汽車制造商的青睞,是大量汽車公司包括寶馬、奧迪、福特、大眾、豐田等全球知名品牌重點關注的天然新型輕質材料。

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竹纖維:汽車輕量化材料的優質之選

竹纖維,即竹原纖維,也稱天然竹纖維,有別于化學竹粘膠纖維(竹漿纖維、竹炭纖維),是從竹子莖部取得的韌皮纖維,采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維,是繼棉、毛、絲、麻之后的世界第五大天然纖維。竹纖維作為重點基礎材料,是一種性能優異的高分子材料,可廣泛應用于紡織、非織造、復合材料、建筑材料、環保材料等生產領域。

作為一種出色的輕量化原材料,竹纖維具有輕質高強、適合模塊化設計、減少零部件數量和工序數量以及設計靈活和耐腐蝕等優勢,是汽車輕量化材料的優質之選。

竹纖維增強材料,是指由長的、連續的竹纖維,經過特殊工藝被樹脂充分浸潤、再切成特定尺寸后得到的增強材料。

該產品具備如下材料性能特點:

(1)優異的力學性能

竹纖維增強復合材料制造的制品中竹纖維形成三維立體網狀結構,可以承受較大的應力和載荷,有效吸收能量,從而使復合材料達到更優異的力學性能。

下圖為不同纖維增強復合材料的力學性能:

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由上圖可知,竹纖維的加入可有效提高材料的力學性能,且竹纖維增強的復合材料在拉伸模量和缺口沖擊等力學性能上明顯優于相同玻纖含量增強的短纖增強材料。在相同竹纖維含量增強下,受到同樣作用力,竹纖維增強的PP材料僅發生韌性發白,而玻纖增強的PP材料發生脆性斷裂。

(2)翹曲程度

竹纖維的加入能明顯降低基體樹脂的成型收縮率,但有時竹纖維在基體中易產生取向不均,出現熔膠流動方向和垂直方向的收縮率差異大等問題,最終導致制件翹曲變形而無法裝配(如圖示)。通過改善提高纖維與基體的界面結合力,在注塑過程中大大改善纖維取向的均勻性,明顯降低材料的翹曲變形度。

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(3)產品外觀

由于竹纖維的加入,竹纖維在樹脂基體中的分布較難控制,導致產品表面出現浮纖,影響產品外觀。通過特殊工藝,可以實現了復合材料中竹纖維的較好控制,使產品表面光潔,無浮纖。

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圖5 竹纖維增強復合材料的改觀(1)傳統材料(2)

竹纖維增強復合材料千億市場初具雛形

隨著汽車輕量化發展趨勢的不可逆轉,汽車行業對于復合材料的需求正在增長。

據中汽協統計數據顯示,2016年,我國汽車產量為2811.9萬量,預計到2020年將達3000萬輛。若以平均車重1100kg、增強復合材料用量占比20%計算,到2020年竹纖維增強復合材料潛在市場需求達660萬噸,以3.5萬/噸的價格計算,僅中國潛在市場空間達2310億元以上。

不過,目前竹纖維增強復合材料在國內的推廣還受到制造加工工藝不高等因素的限制,產量并不高。

福州竹纖材料科技有限公司與國內高校、科研院所聯合攻關,突破技術瓶頸,采用特殊的單向連續工藝生產,材料中纖維分散均勻,界面結合優異。在作為發動機周邊用材時,可在長期耐熱條件下實現較高的力學性能保持率;作為汽車內飾材料時,具有無VOC、低散發性等特點,廣泛應用在汽車頂棚、前端框架、換檔器底座、門內板等,得到了業內人士的一致認可。

當今汽車工業趨勢表明,汽車工業的發展日益向著輕量化、環境保護、節約能源的方向發展。竹纖維增強復合材料作為重要的汽車輕質材料,不僅可以在一定程度上改善和提高單一常規材料的力學性能、物理性能和化學性能,并能解決在工程結構上常規材料無法解決的關鍵性問題。作為汽車部件一種新型的加工原料,竹纖維增強復合材料將成為今后汽車輕量化的發展趨勢。


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