聚焦生物基热固性树脂、植物纤维复合材料、绿色复合材料应用、复合材料回收等话题

几十年来，碳纤维未能像复合材料行业所希望的那样突破主流汽车应用

第一个大批量应用是 1984 年福特Econoline全尺寸货车的纤维缠绕传动轴，每年大约 40,000 辆。在三年之内，它就停产了，成本是主要因素。

2021 年 11 月于盐湖城举行的Composites World碳纤维会议上，行业顾问 Dan Pichler 和 Tony Roberts 指出 BMW i3平台即将停产，随之而来的是汽车行业碳纤维使用量的显着下降。他们还强调，目前没有“已宣布”的大型碳纤维汽车项目，预计到 2026 年的复合年增长率仅为 2.4%，主要用于赛车运动、定制和小批量利基平台。

纯电动 BMW i3 图片来源：BMW 官网

碳纤维在汽车应用已出现疲软现象，植物纤维增强复合材料在汽车领域应用前景如何？

由于全球对环境和资源问题的日益关注，越来越多的汽车制造商开始寻求可持续发展材料来制备汽车零部件。梅赛德斯-奔驰、宝马、奥迪和大众等德国汽车制造商大规模地在汽车内部和外部部件使用植物纤维增强复合材料。不管是迈凯轮赛车的第一个植物纤维F1座椅，保时捷Cayman 718 GT4 CS MR的全植物纤维车身套件，日本丰田汽车公司开发的由甘蔗制成的生态塑料汽车内饰，还是沃尔沃采用植物纤维作内饰材料的Polestar Precept，都是植物纤维复合材料在汽车领域的探索应用。

植物纤维复合材料汽车应用

图片来源：Bcomp

植物纤维增强复合材料性能如何？

植物纤维复合材料不但具有来源广泛、可回收可降解、重量更轻等优势，而且具有较为优异的力学和声热等物理性能，是继玻璃纤维、碳纤维等人造纤维之后，又一类引起广泛关注的复合材料增强纤维，有望成为部分替代玻璃纤维等人造纤维的有力竞争者。

1. 力学性能

植物纤维的力学性能很大程度上取决于其纤维素的含量，纤维素含量越高则植物纤维的力学性能越好。另外，植物纤维中微纤丝螺旋角的大小也会对纤维的性能产生影响，螺旋角越大，植物纤维的强度越低，但韧性越大。实际上，植物纤维的化学组成和微观结构还会受到植物纤维植株所种植的地域、提取方式、生长的阶段以及收获的季节等因素的影响。因此，植物纤维的力学性能具有较大的分散性。

由于植物纤维长度受生长植株长度的限制，植物纤维的力学性能相对较弱，需通过加捻制备连续纱线增强复合材料，这种单向、有捻、无屈曲植物纤维纱线增强复合材料的比强度与比模量与玻璃纤维增强复合材料接近。

植物纤维与合成纤维的成本及能耗对比

数据来源：《生物质树脂、纤维级生物复合材料》益小苏、李岩编著

2. 声学性能

植物纤维具有独特的化学组成、天然的多空腔多层级结构,使其展现出比人造纤维增强复合材料更加优异的吸声、隔热、电磁波吸收及阻尼降噪等物理性能,为实现结构功能一体化复合材料结构的研制提供了可能。

植物纤维吸声机理，图片来源：于涛《天然纤维增强复合材料的研究、应用及展望》

材料或结构的吸声能力大小常用吸声系数来表示。植物纤维种类繁多，结构多样，不同植物纤维的吸声系数也有较为明显的差异。植物纤维的吸声系数均高于玻璃纤维和碳纤维的吸声系数。

总体来说，植物纤维在50~2000 Hz频段都具有良好的吸声性能，尤其是当频率大于500Hz时，几种植物纤维的吸声系数普遍高于0.5，这说明垂直入射的声能有50%以上能被植物纤维所吸收。当频率大于1000Hz时，黄麻纤维的垂直入射吸声系数在三种植物纤维中最高(接近1)，且明显高于碳纤维和玻璃纤维(分别高于50%和125%)。

3.热性能

植物纤维增强复合材料除具有优良的声学性能之外，其隔热性能也非常优异。植物纤维的化学组成、微观结构及其增强复合材料的细观结构均对其导热性能有不同程度的影响。

植物纤维增强复合材料的热导率明显低于玻璃纤维及碳纤维增强复合材料，具有更优异的隔热性能。在纤维体积分数和铺层方式相同的情况下，碳纤增强复合材料的导热系数约是其他几种纤维增强复合材料的6倍以上，这主要是由于碳纤维的主要成分石墨具有高度整齐排列的晶体结构。

注：目前,玻璃纤维已被广泛应用于隔热材料,这主要得益于其主要成分为具有低热导率的二氧化硅陶瓷等。

4. 介电性能

近年来，树脂基复合材料的吸波透波性能已得到广泛研究。玻璃纤维以其较低的介电损耗、较好的耐腐蚀性能和优异的力学性能，已作为透波材料被广泛应用于雷达天线罩等结构中。植物纤维增强复合材料除具有轻质、环保，以及与玻璃纤维增强复合材料相近的比强度和比模量外，其透波性能也很优异。植物纤维增强复合材料的介电常数和介电损耗均低于碳纤维增强复合材料，并与玻璃纤维增强复合材料的介电性能相近。

5.阻燃性能

植物纤维复合材料因植物纤维的易燃特性，阻燃性能较差，通常需要添加阻燃剂等方式改善复合材料的阻燃性能。

6.吸水性能

植物纤维的化学组成和独特的微观结构使其吸水行为明显不同于人造纤维，例如，玻璃纤维和碳纤维皆为实心结构，主要由二氧化硅或碳元素构成，而植物纤维中的纤维素含有大量的亲水性羟基，且具有空腔结构，由于纤维素中羟基所带来的化学吸附水和空腔存在所产生的物理吸附水共同作用，植物纤维相比玻璃纤维或碳纤维等人造纤维更容易吸水。

7. 老化性能

植物纤维本身具有较强的吸水能力，随着湿热老化时间的延长，植物纤维内部不同层级之间的脱黏所造成的纤维微纤化以及由湿热引起的部分纤维素大分子的分解、断链，使得植物纤维自身发生损伤，从而导致其力学性能下降。

植物纤维独特的化学组成同样使得其增强复合材料的紫外老化机制与人造纤维增强复合材料有所不同。当植物纤维增强复合材料在紫外光线的作用下，除树脂基体发生降解外,植物纤维也会发生一定程度降解。此外,由于树脂降解所带来的基体性能的下降或脆化,以及纤维各层级间结合力的下降,使得纤维与树脂基体间的界面性能变差。因此，紫外老化将带来植物纤维增强复合材料的整体力学性能的下降。

不同于人造纤维,植物纤维具有空腔结构且带有大量羟基,易吸湿,因此容易形成适宜于微生物生长扩散的环境与空间,导致微生物侵蚀纤维,使复合材料的性能下降。因此,需采用有效的方法提高植物纤维增强复合材料抗霉菌性能。

在汽车领域的核心应用场景有哪些？

目前植物纤维复合材料在汽车领域的核心应用场景主要在内饰材料以及非承力或次承力结构件中。

在汽车领域，早在20世纪中期，植物纤维就开始应用于汽车内饰材料，主要的产品形式是无纺织物。随后，也开发了一些非承力或次承力结构的植物纤维增强复合材料内饰制品。

从大麻田到汽车仪表盘的整个过程，图片来源：APM

福特公司福克斯轿车的发动机罩使用大麻纤维增强聚丙烯(PP)材料制造，其重量比使用玻璃纤维复合材料减轻了30%；奔驰S级系列轿车使用了32个采用植物纤维制造的部件，总重达24.6 kg。在日本，诸多汽车公司使用可全降解的植物纤维增强聚乳酸(PLA)复合材料制造汽车零部作，丰田公司在“Raum”车型上采用了洋麻纤维增强聚乳酸复合材料制造备用轮脂罩和车垫；马自达公司制造的混合动力汽车”Premacy Hydrogen RE Hybrid”的中控台和内饰板都是由植物纤维增强聚乳酸复合材料制造的；本田公司的燃料电池车“FCX Clarity”顶棚部分也是由植物纤维增强聚乳酸复合材料制造的。

在我国，植物纤维增强复合材料在汽车领域的应用相对滞后，除成本等因素之外，制约其发展的技术瓶颈也亟需突破。

植物纤维增强复合材料目前存在问题

虽然植物纤维的成本较低，但是受限于应用开发较少，植物纤维增强复合材料的生产成本仍然较高，目前植物纤维复合材料产品的价格较为昂贵。而且相对于碳纤维、玻璃纤维等人工合成纤维，植物纤维相对较弱的力学性能以及易燃、强吸湿等特性，限制了其增强复合材料的大规模工业应用。此外，植物纤维增强复合材料的上下游产业，包括植物纤维的来源、植物纤维原材料的提取、植物纤维预浸料的研制、植物纤维增强复合材料的结构设计方法及结构件的开发等都还不够成熟，这也进一步制约了相关产业的发展。

植物纤维想要在汽车领域成功应用，需要克服几个核心问题，包括零部件成本（原材料+制造+连接）、结构设计和仿真分析（各向异性）以及售后维修和回收等。

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为了更好的促进绿色复合材料在汽车、小家电等领域应用，“2022第二届绿色复合材料论坛”特设主题圆桌：“绿色复合材料在汽车及小家电领域的应用破局”，将重点邀请汽车主机厂、小家电企业、植物纤维复合材料制品制造企业、行业专家等，探讨植物纤维复合材料性能优劣势、核心应用场景、全生命周期评估、成本等下游应用关注的核心问题。