美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）降低碳纤维成本方法

摘要

美国橡树岭国家实验室正在研发降低碳纤维成本的新技术，预期成本能减少50%且能耗降低超过60%。该技术已获得专利，并正在寻找商业合作伙伴。LeMond复合材料公司成为首个签署专利转让协议的公司，计划将低成本碳纤维应用于多个市场。ORNL的碳纤维技术工厂年产能达25吨，用于开发和测试新工艺，其生产的碳纤维性能符合汽车制造商要求。此外，ORNL与Harper International合作，通过高性能计算项目进一步优化碳纤维生产过程，以提高产量并降低成本。

正文

高成本已经成为碳纤维作为强劲的、增强的复合材料广泛应用的主要障碍。在美国，一项举措正在进行以降低这些成本。研究人员在美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)展示了一种生产方法，通过这种方法，他们估计有望降低碳纤维的成本高达50%，并节省生产中所使用的能量60%以上。ORNL在碳纤维技术基金会上所展示的这一成本较低的生产方法，是其在该领域所进行的一项十多年的研究。研究人员的成功有望加速碳纤维复合材料在大批量工业应用中的应用，包括汽车、风力发电设备、压缩气体储存罐，以及基础建筑设施等方面。经过业界合作伙伴的广泛分析和成功的原型设计，去年，ORNL的这种新方法获得了专利。

图1，ORNL 的碳纤维技术工厂

ORNL高级制造计划副主任Alan Liby博士说：“ORNL正在通过竞争性的选择过程，为其低成本碳纤维工艺找到合适的合作伙伴。目前有五项专利许可协议正在进行中。LeMond复合材料公司是第一个签署专利转让协议的公司，其他协议仍在谈判中。”

“创新就是生产低成本的碳纤维。”他补充道，“许可方生产的材料属性将决定最终用途应用。ORNL生产的碳纤维符合一些汽车制造商规定的用于大批量应用的高强度复合材料的性能标准。然而，该工艺有望加速在其他工业应用中采用先进的复合材料。这种材料的未来市场可能包括风力发电设备和储气罐行业。这项技术是在ORNL碳纤维技术工厂中被开发的。这是一个中试规模的工厂，每年的产能可达25吨。可以预期是，被许可方将在其自己业务中增加这种能力。”

First licensee第一家取得许可的合作伙伴

LeMond复合材料公司是由三次环法自行车赛冠军Greg LeMond所创建的，是一家为大量低成本碳纤维提供解决方案的新公司。与ORNL达成的专利转让协议将使其位于Oak Ridge的公司首先向运输、可再生能源和基础设施市场提供新的碳纤维。

图2，118 米（390 英尺）的生产线被设计为具有灵活性和高度仪表化，以展示先进的技术可扩展性，生产市场开发所需要的原型碳纤维。

LeMond复合材料公司补充说，碳纤维将通过提高强度、刚度和减重来为许多行业提供优势，而这一过程将具有全球性的应用。该公司现在已经准备好推进这一技术的扩展。

汽车工业不断增长的需求，在很大程度上是由于全球都在要求提高几乎每一辆汽车的燃油经济性。在美国，需求是由企业平均燃油经济性标准驱动的。提高燃油经济性的最佳方法是减少汽车及其零部件的重量。对于风力发电行业来说，碳纤维可以使涡轮叶片变得更轻更硬，从而提高系统的效率。在此之前，碳纤维在这个市场上的使用成本太高。

低成本的工艺过程

根据ORNL的说法，制造高级复合材料所需的90%以上的能量都用于制造碳纤维本身。在制造过程中，能源消耗的减少将得到更早的净能源回报——使用由重量较轻的材料制成的产品与制造材料所消耗的能量相比，节省了能源。一项详细的分析将新工艺与已公布的传统碳纤维生产基准进行了比较。考虑了9个主要工序的成本因素，从前体和预处理开始，表面处理、上浆、缠绕，到检查和运输。

图3，采用丝束为24k 的PAN，每年的额定容量为25 吨，碳纤维生产线的配置为聚丙烯腈（PAN）、聚烯烃、木质素和沥青前体，以及可升级人造纤维和高模量碳纤。

碳纤维是通过一系列仔细控制的加热和拉伸步骤，将含有碳的聚合物前体纤维转化为纯碳纤维而产生的。在目前的商业实践中，前体——聚丙烯腈或PAN——被化学改性和优化，以最大限度地提高最终产品的机械性能。该转换过程的高成本，以及转换过程的能量和资本密集性，是最终产品高成本的主要因素。

然而，有类似化学性的丙烯酸纤维是生产大批量服装和地毯商品的基础，其成本大约是碳纤维工业中使用的专用PAN的一半。ORNL的研究人员认为，纺织级PAN是一种低成本碳纤维的途径，但实验室规模的实验不能充分挖掘其在生产规模上的潜力。为了提供这种能力，美国能源部的先进制造和车辆技术办公室资助了ORNL的碳纤维技术工厂的研究和运营，这是一个具有高度检测控制、半生产规模的碳纤维转换工厂。广泛的力学性能测试证实了新工艺所生产的碳纤维的性能，一些汽车制造商和他们的供应商获得了大量适用的原型产品，结果令人鼓舞。

ORNL的碳纤维技术工厂是由Harper International设计、制造和安装的，该公司是一家专门从事热处理解决方案和技术服务的公司，主要生产先进材料。该118米(390英尺)的流水线被设计为具有灵活和高度的仪表化，以展示先进的技术可扩展性，生产市场开发所需要的原型碳纤维，并且也是实现商业化生产规模的关键步骤。它的生产能力为每小时4.3公斤，使得工业界能够在半生产规模上验证碳纤维原材料的转化率。

采用丝束为24k的PAN，每年的额定容量为25吨，碳纤维生产线的配置为聚丙烯腈（PAN）、聚烯烃、木质素和沥青前体，以及可升级人造纤维和高模量碳纤维。在内部，它被设计成具有很高的耐蚀性的替代前体。该设施设计用于3k至80k的丝束和织物，可达300mm宽x12.7mm。可以实现400℃的氧化温度，气流可配置为平行、交叉或向下流动，并且驱动的后滚辊被安装在低负荷下防止打滑。通过消除烟囱效应，优化了更快的氧化效果，改善了速度的均匀性和范围，以及在各种流速下保证了温度均匀性。Harper表示，整个生产线的柔性内部设计允许以丝束或网状形式进行材料加工。具有在1000℃的低温碳化时能够生产结构或微/纳米多孔纤维的能力。也可以实现2000℃的高温碳化。后处理是为与性能或有利树脂相容纤维而设计的系统。

更高的能力

在进一步的碳纤维开发方面，Harper还与ORNL合作，通过美国能源部(DOE)高级制造部门的“制造业高性能计算(HPC4Mfg)”计划启动了一个项目。该计划旨在刺 激使用高性能超级计算机，通过公私伙伴关系推动美国制造业。该项目开发和验证了高容量生产碳纤维的模拟能力，将重点分析碳纤维生产设备的温度、气体流量和化学反应等关键加工因素。目的是确保在设计上提供必要的均匀性，以生产适用于汽车行业应用的、具有一定质量、产能和成本效益的纤维。其结果将在碳纤维技术工厂得到验证，然后在商业生产设施中进行测试。

Harper高级工艺技术工程师Peter Witting博士表示，与ORNL新一年的项目是一种自然延伸，该项目是由碳纤维改造而来的。“这个项目目前还没有设计用于低成本碳纤维过程，但最终可能会有所帮助。”他补充说：“现在的目的是开发对化学动力学的理解，以及在制造碳纤维方面所起的作用。”这是一个耦合的热、化学反应、流体流动模型，它要求复杂的软件和相当大的计算能力，以在合理的时间内适当地解决这个固有的多重物理问题。此外，ORNL和Harper人员对计算、化学和工艺条件的理解，在解决困难分析的能力方面是互补的。

“最初我们要做的是建立一个关键处理因素的模型，这需要在ORNL的试验工厂进行验证，然后再扩展到商业规模的设备。在此期间，分析将有助于控制和设备设计。因此，这是一个多阶段的努力，其中的步骤不能并行。在这个阶段，这个项目不会解决纤维的一致性问题。然而，在后面的一个阶段，它可以帮助我们设计设备。这样，材料的属性，如线性密度、强度和模量，在整个丝束带上都是均匀的。”

Witting博士认为，当所有的阶段都完成的时候，该项目提供更高产量和更低成本生产碳纤维的潜力很大。“这一年的努力是许多需要执行的阶段之一。”他说，“一旦所有的阶段都完成了，我们就可以用它来设计处理高纤丝数的设备，比如500k丝束，如果碳纤维在汽车应用中取得成功，就必须以这些设备进行加工。”

来源：赛奥碳纤维