자동차용 탄소섬유의 저가 응용 기술

자동차용 탄소섬유복합재료(CFRP)는 자동차 경량화 발전의 주역 소재라 할 수 있다. 최근 업계에서는 이 '블랙 골드' 소재를 응용하기 위한 연구도 계속되고 있다. 개발하다. 국내에서 대량 생산되는 탄소섬유 복합 부품 모델 Qiantu K50과 NIO ES6가 출시되면서 독립 브랜드들이 탄소섬유 응용 대량생산 시대에 돌입했습니다! 동시에 탄소섬유복합재료의 응용범위도 확대되고 있다. 차체와 내외장 장식 시스템부터 섀시 및 파워트레인 시스템까지, 외부 커버 소재부터 구조재 또는 구조 보강재까지 확장됩니다. 그러나 탄소섬유의 높은 가격은 여전히 그 개발을 제한하는 중요한 요소이다. 현재 상업용 등급 자동차 탄소섬유는 주로 PAN 기반 탄소섬유이며, 높은 비용 문제는 주로 PAN 전구체의 높은 생산 비용과 긴 생산 공정에 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 자동차용 CFRP의 원가를 절감할 수 있는 주요 방법은 자동차용 탄소섬유 전구체의 원가를 절감하고 저가의 섬유 생산 공정과 저비용의 CFRP 제조 공정을 모색하는 것이다.

1. 대형 토우 생산 공정

일반적으로 48K 이상의 탄소 섬유를 대형 토우 탄소 섬유라고 합니다. 대형 토우 탄소 섬유의 성능 이점은 주로 다음 두 가지 측면에 있습니다. 1) 대형 토우 토우 탄소섬유는 소형 토우에 비해 PAN 생 필라멘트에 대한 품질 요구 사항이 낮으므로 민간용 PAN 필라멘트를 사용할 수 있습니다. (2) 대형 토우 탄소섬유의 제조원가는 소형 토우의 약 60% 수준이다.

그러나 대형 토우 탄소섬유 생산의 어려움은 대형 토우 섬유가 뭉쳐서 실 퍼짐 효과가 좋지 않고, 거즈 시트에 고르게 침투하기 어렵고, 거즈 시트 두께가 얇다는 점이다. 품질이 제품 구조 설계 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 원사 퍼짐 과정에서 울이 자주 나타나 원사 혼란과 실 파손이 발생하여 생산 효율성과 제품 외관에 영향을 미치고 제품 성능이 저하됩니다. 불안정한.

대형 토우탄소섬유 저비용 제조기술의 초기 대가들은 일본 미쓰비시와 도레이가 대표적이다. 최근에는 Shanghai Petrochemical, Geely Petrochemical, Guangwei Composite Materials, Lanzhou Fiber 등 국내 기업에서도 이 프론트 엔드 기술을 잇달아 개발하여 이제 대형 토우 탄소 섬유의 국산화를 달성했습니다.

2. 저가형 탄소섬유 전구체 개발

관련 자료에 따르면 PAN 가격이 탄소섬유 생산원가의 약 50%를 차지하는 것으로 나타났다. 이에 국내외 탄소섬유 제조사들도 탄소섬유 제조를 위해 PAN 이외의 저가 원료를 찾기 시작했다. 미국, 일본 등 주요 자동차 탄소섬유 제조국에서는 폴리올레핀 폴리머, 리그노셀룰로오스, 전기방사 페놀섬유, 방사선 아크릴 섬유 등을 포함한 저가형 대체 소재를 개발해 왔다. 예를 들어 미국 오크리지국립연구소(ORNL)는 펄프폐액에서 리그닌을 추출해 용융방사와 탄화를 통해 저가형 탄소섬유를 만들었는데, 생산원가를 4~5$/kg 정도로 조절할 수 있다. 다우케미칼은 폴리에틸렌 등의 섬유를 무산소 상태에서 탄화시켜 평평한 표면에 탄소섬유를 배열하거나 엮은 뒤 수지로 보강해 CFRP를 만든다. 스웨덴 연구 기관인 Innventia와 Swerea SICOMP도 100% 침엽수 리그닌 전구체를 기반으로 약 1.8g 무게의 직조 CFRP 라미네이트를 만들 수 있다고 주장합니다.

3. 하이브리드 탄소섬유 기술

탄소섬유를 다른 섬유와 혼합하면 성능면에서 서로 보완하고 생산 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 예를 들어 탄소섬유에 유리섬유, 아라미드 섬유 등을 혼합하면 합리적인 구조 설계를 통해 소재 본래의 고성능을 유지하면서 생산 비용을 절감할 수 있다.

4. 사전 산화 공정

탄소섬유 제조 공정에서 사전 산화 시간이 길어지면 생산 주기가 길어지고 탄소 단가가 높아지는 중요한 이유이기도 합니다. 섬유 생산. 현재 PAN 전구체에 자외선, X선 등의 물리적 처리를 사용하거나 KMnO4, C6H5COOH 등의 화학적 처리를 사용하여 고리화 온도를 낮추고 전산화 시간을 단축시키는 연구가 진행되고 있다. 기술적인 측면에서는 온도, 시간, 가스 분위기 등의 공정 변수를 변경하여 탄소섬유의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

탄소섬유 복합재료의 제조원가는 크게 두 가지 측면으로 구성된다.

첫 번째 이유는 오토클레이브, 자동적층 등 성형 장비의 가격이 비싸기 때문이고, 두 번째 이유는 복합재료의 성형 시간이 길어 인력과 물적 자원이 소모된다는 점이다. 따라서 효율적인 성형을 기반으로 한 수지재료와 새로운 성형공정은 탄소섬유복합재료의 저비용을 최적화하는 중요한 방법이 될 것이다.

에폭시 수지는 우수한 접착 강도와 모듈러스, 크리프 저항성, 높은 인성 및 우수한 피로 저항성으로 인해 탄소 섬유 복합재에 가장 먼저 선택되는 소재입니다. 미국 헥시온(Hexion)과 다우오토모티브시스템(Dow Automotive Systems)은 60초 만에 '즉시 경화'할 수 있는 에폭시 수지 2종을 잇달아 출시했다. 그중 Hexion은 수지 이송 성형(RTM) 및 액체 압축 성형(LCM) 공정을 위한 EPIKOTE TRAC06170 에폭시 수지와 EPIKURE TRAC06170 경화제를 출시했습니다. 이 공정은 완료하는 데 20초의 수지 주입 시간(RTM 또는 LCM)과 40초의 경화 시간만 필요합니다. . 복합 성형.

다우가 LCM 공정을 위해 출시한 VORAFORCE 수지는 건식 섬유 프리폼에 직접 수지를 고르게 도포하고, 압력을 이용해 수지 원단에 두께 방향으로 고르게 침투시킬 수 있다.

Gurit UK는 또한 "즉각 경화" 에폭시 수지를 출시했습니다. 이 수지 공식은 주로 프리프레그 및 핫인/완전 세트에 사용됩니다. 핫아웃 스탬핑 및 성형 공정. 본 공정의 경화주기는 5분 정도 소요되나, 금형 후처리 없이 제조된 부품의 표면이 A등급에 도달할 수 있는 것으로 보고된다.

헌츠만 어드밴스드 머티어리얼즈(Huntsman Advanced Materials)도 속경화형 에폭시 수지 출시를 발표했습니다. Huntsman에 따르면 수지는 140°C에서 단 30초 만에 경화될 수 있어 1분 이내에 복합 성형 공정이 가능합니다. 이를 위해 Huntsman은 수지에 맞는 동적 유체 압축 성형(DFCM)도 개발했습니다. 이를 통해 고압 사출 성형이 필요 없으며 많은 경우 섬유 프리프레그 공정이 필요하지 않습니다. 기존 습식 압축 성형(WCM)과 비교할 때 이 공정의 주요 장점 중 하나는 라미네이트 층 사이의 간격을 줄일 수 있고 복합 기공률이 1% 미만이며 성능이 고압 RTM 공정과 비슷하다는 것입니다. 특별한 가공 조건 없이 최대 66%의 섬유 부피 함유량(FVC) 복합재를 얻을 수 있습니다.

탄소섬유 복합재료의 재활용 및 재사용은 탄소섬유 사용 비용을 절감하고 경제적 부가가치를 높이는 효과적인 방법이다. 현재 고온열분해, 산화유동층법, 초임계유체기술 등 탄소섬유 재활용 방법에 대한 연구도 지속적으로 업데이트되고 있다.

적용 측면에서 포드는 2018년형 스포츠유틸리티차량(SUV) 익스플로러의 A필러 브래킷 강성 부분에 재활용 탄소섬유 강화 폴리프로필렌 PP 복합재료를 사용해 기존 ASA 소재를 대체했다.