新能源汽車輕量化發(fā)展與碳纖維材料的開發(fā)趨勢

隨著全球節(jié)能、環(huán)保法律法規(guī)與政策的實施和不斷強(qiáng)化，汽車的輕量化、低成本和電動化是最終的發(fā)展目標(biāo)。對電動汽車（EV）而言，由于目前占主導(dǎo)的鋰離子電池（LiB）存在續(xù)航距離有限、質(zhì)量重、成本高和安全問題，實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)材料和部件的輕量化和低成本成了當(dāng)務(wù)之急。汽車要達(dá)到發(fā)達(dá)國家每消耗1L汽油行駛的里程，最終必須減重50%～60%的目標(biāo)，而綜合性能最理想的材料是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），但目前成本較高。

對EV來說，要實現(xiàn)輕量化和低成本，還需要研發(fā)新型高效、安全、相對輕量和成本可以接受的動力電池?？上驳氖墙陙砀鞣N新型電池的研發(fā)日新月異，特別是燃料電池和金屬-空氣類電池，均達(dá)到了500km的續(xù)駛距離，2015年起將逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

以下就全球碳纖維（CF）、CFRP及汽車用CF和CFRP的需求預(yù)測、工藝技術(shù)的創(chuàng)新、新型動力電池的新進(jìn)展、新型塑料添加劑在汽車零部件的應(yīng)用前景、芳綸橡膠制品和塑料光纖（POF）在汽車的推廣應(yīng)用意義，作簡要的闡述。

一、碳纖維及其復(fù)合材料的需求預(yù)測與技術(shù)進(jìn)步

1.需求預(yù)測與發(fā)展趨勢

圖1示出美國復(fù)合材料協(xié)會和AVK碳纖維復(fù)合材料研究所共同統(tǒng)計的全球2008-2020年CF的需求情況，圖2示出全球2008-2020年CFRP的需求增長預(yù)測。由這2圖可以看出，2015年起CF和CFRP的需求出現(xiàn)較快增長，5年間CF和CFRP各增長約91%和93%。

圖3示出2008-2020年CF在汽車的消費變化及未來發(fā)展預(yù)測。不難看出2015年后的市場推動力主要是汽車領(lǐng)域。

據(jù)統(tǒng)計2012年CF在航空航天和國防領(lǐng)域的消費量約占40%，預(yù)計從2012至2020年其需求將由8 000t增至23 000t，而汽車的需求預(yù)期將從2013年的2 600t猛增至2020年的23 000t，與航空航天持平，成為2個最大消費市場。

2.CF與CFRP的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新

（1）CF的技術(shù)發(fā)展趨勢

CF正向低成本的通用級產(chǎn)品和超高性能產(chǎn)品發(fā)展，滿足CF在上述2個最大市場的需求。

低成本CF包括大絲束PAN-CF的生產(chǎn)高效化和高性能化（相當(dāng)于T700），以及選用廉價的PE、木質(zhì)素及混合聚合物的熔紡工藝及紡織用腈綸。

超高性能品有東麗株式會社（以下簡稱“東麗”）的T1100G（強(qiáng)度6.6GPa、模量324GPa）和M70J，三菱麗陽的MR-70（強(qiáng)度7GPa、模量325GPa）及ASI的超碳纖維（強(qiáng)度8.7GPa、模量350GPa）。

值得欣喜的是，全新高效的原絲紡絲技術(shù)和碳化與表面處理技術(shù)，可以制備強(qiáng)度從4～9GPa以上的超碳纖維（UCF）、模量300～350GPa以上，且由于UCF的斷裂伸長率可達(dá)2.5%以上，改變了CF是脆性材料的概念，使之具有優(yōu)良的抗沖擊和防彈性能。

采用該創(chuàng)新工藝技術(shù)所生產(chǎn)的CF與傳統(tǒng)的方法相比，在達(dá)到同樣的性能和質(zhì)量檔次時，便宜15%～20%，因此有利于應(yīng)用至汽車CFRP部件。

（2）CFRP成型技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展趨勢

汽車用CFRP部件要降低成本，還取決于提高CFRP的成型效率。目前在CF增強(qiáng)熱塑性樹脂（CFRTP）非承力件方面，帝人株式會社（以下簡稱“帝人”）、東麗和三菱麗陽集團(tuán)的成型時間各達(dá)到了1min、3min和5min，有利于實現(xiàn)自動化和連續(xù)化生產(chǎn)，而且由于可一體化成型。以“TEEWAVE”AR1車為例，與鋼制品相比，部件數(shù)減少至1/20，并減重約53%，二氧化碳（CO2）排放量減少約9%，并有利于快速組裝和降低成本。

在CF增強(qiáng)熱固型樹脂（CFRP）作為汽車的承力件，最近出現(xiàn)了新型的固化劑，成型時間可縮短至1min，而且由于樹脂體系粘度低，無需采用熱壓罐而可通過樹脂傳遞模塑工藝（RTM）等成型工藝，快速制成各種復(fù)雜和較大尺寸的CFRP部件，尺寸穩(wěn)定性和精度高。

CFRP成型過程如何發(fā)揮CF的力學(xué)性能利用率，是今后研發(fā)的重點課題之一。東麗開發(fā)的納米結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，就可達(dá)成此效果，其示意圖如圖4所示，圖5示出其具體效果。

二、塑料配件和輪胎用改性添加劑的新發(fā)展

作為汽車配件用塑料添加劑，有短切碳纖維、研磨粉體、碳納米管（CNT）、三氧化二鋁（Al2O3）和植物纖維粉體等。前3項可提高CFRP的性能和功能，但成本高，后幾種成本低但性能改進(jìn)不明顯。

現(xiàn)介紹一種陶瓷中空微納米粉體（CHMNP）添加劑，來源于發(fā)電廠的粉煤灰，經(jīng)特殊加工處理后，變成Al2O3和二氧化硅（SiO2）為主成分的微納米粉，表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖6）其中納米微粒約占40%。

平均粒徑有1 250～12 500目，其中2 500～5 000目的產(chǎn)品經(jīng)表面處理后適用于塑料添加劑，售價只有6～7元/ kg，低于所用塑料價格，可降低成本。添加CHMNP后的各種通用塑料曾試制過56種汽車部件，提高了耐熱性、保溫性、隔熱性、強(qiáng)度、剛性、抗沖擊性、耐老化性和耐腐蝕性。加入玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP）如玻纖增強(qiáng)聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）后，其制品無表面浮纖現(xiàn)象，且光潔度好、耐翹曲。在輪胎表面層添加它后，可提高耐磨性和使用壽命。在輪胎制作過程用它替代碳黑后，硫化速度不變，硫化曲線平攤、耐高低溫、耐磨、耐老化，并可加入顏料生產(chǎn)有色輪胎，而成本下降了。若在汽車漆中添加適量的CHMNP，部件表面平整光滑、光澤平、耐劃傷。

三、電動汽車用動力電池的新進(jìn)展

1.VB2-空氣電池（VB2-AB）

這種電池是波恩項目投資有限公司與德國公司合作研發(fā)的具有劃時代意義的高性能電池。該電池?zé)o需充電，靠二硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在下，形成氧負(fù)離子并透過電池隔膜和電解液與外層的循環(huán)VB2反應(yīng)產(chǎn)生電流，一個分子能產(chǎn)生11個電子，而其他電池只產(chǎn)生1～2個電子。VB2+2.75O-2→B2O3+0.5V2O5+11e

單電池結(jié)構(gòu)如圖7所示，其創(chuàng)新點在于改變傳統(tǒng)電池的平板式隔膜和棒狀或板式電極舊模式，改成微管式隔膜和環(huán)繞它的高導(dǎo)電層與均勻分布的活性物質(zhì)。因此單位體積能容納的單電池數(shù)和總體膜面積越大，反應(yīng)效率越高。

這種電池的先進(jìn)性體現(xiàn)在：①微管直徑越小，電池組體積和質(zhì)量就越小，而能量密度和續(xù)航距離越長，以直徑3mm的微管為例，若想續(xù)駛1 000km，據(jù)測算電池組質(zhì)量只有176kg、體積78L，而鋰離子電池約需1 080kg和1 340L；②反應(yīng)溫度不超過60℃，運(yùn)行過程不會發(fā)生冒煙、自燃或爆炸；③反應(yīng)產(chǎn)物在一定條件下能可逆反應(yīng)成VB2循環(huán)使用；④更換粉體時間只有3～5min。⑤達(dá)到同樣功率密度的成本比鋰離子低。該技術(shù)已2013年取得實用新型專利，而發(fā)明專利現(xiàn)已進(jìn)入實審期。

2.氫-空氣燃料電池（H-AFB）

該電池是典型的清潔能源，原料和反應(yīng)產(chǎn)物均無污染，但存在鉑等催化劑較貴、而且需建設(shè)配套的大型或中型高壓供氫罐，成本相對較高。其反應(yīng)效率只有50%～55%，難以再有效提高。

充一次氫只需2～3min，但要想續(xù)航500～600km，須將攜帶的氫氣瓶內(nèi)壓由目前的35MPa提高至70MPa，即需要采用耐高壓的碳纖維纏繞氣瓶。

豐田汽車率先在加拿大等地進(jìn)行試運(yùn)行的效果良好，最長可續(xù)航620km，計劃2015年投放市場。

3.Na-S電池（Na-SB）

這種電池的優(yōu)點是價廉、能量密度高、壽命長，缺點是操作溫度為300～350℃，具有強(qiáng)腐蝕性，發(fā)生過自燃。最近日本某公司利用碳纖維片材將每個單電池包卷起來，解決了耐熱和阻燃問題。

現(xiàn)國外使用該電池的電動汽車的續(xù)航距離已達(dá)500km，據(jù)透露我國已超過此距離。

4.Al-空氣電池（Al-AB）

該電池的優(yōu)點是理論能量密度高達(dá)8 135Wh/kg，現(xiàn)實際已達(dá)到400～600Wh/kg，其鋁負(fù)極電流密度可高達(dá)350～500mA/cm2，有利于驅(qū)動；缺點是陽極極化嚴(yán)重，鋁表面易形成氧化膜，使負(fù)極腐蝕嚴(yán)重，同時正極材料的催化劑需用貴金屬。為了降低貴金屬的用量和成本，也需采用CNF作為催化劑載體。目前國外初步試運(yùn)行，其續(xù)駛航離可達(dá)500km。

5.熱電材料發(fā)電機(jī)

利用電動汽車的蓄電池驅(qū)動后，靠車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的熱量通過含有電熱轉(zhuǎn)換材料的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流，不僅可供自身續(xù)駛所需的電能，而且可把多余的電能儲存至電池中。

我國在1～2年前便取得實用新型專利，目前已進(jìn)入試運(yùn)行和不斷優(yōu)化階段。

四、汽車輕量化和現(xiàn)代化的其他途徑

1.塑料光纖（POF）的應(yīng)用

據(jù)報道，如果每輛小轎車采用POF替代電線，用于車內(nèi)的信息傳輸和光顯示系統(tǒng)后，可減重10～20kg，即實現(xiàn)30%的輕量化。

目前三菱麗陽的車載POF正向全球普及，POF的芯材為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、鞘材為透明氟樹脂，直徑1mm或0.75mm為主?，F(xiàn)奔馳、寶馬、奧迪、大眾、福特等高檔車都已使用這種材料

此外，還有一種聚苯乙烯為芯材、PMMA為鞘材的廉價POF，已部分應(yīng)用于我國某些車型中，作為LED照明與光顯示系統(tǒng)。

2.各種對位芳酰胺纖維（P-ARF）

為了實現(xiàn)汽車輕量化，P-ARF（芳綸）子午胎、膠帶、膠管和剎車片的使用量在遞增。P-ARF的子午胎要比鋼絲胎輕且滾動阻力小、節(jié)能、不生銹、耐磨。當(dāng)然因價格貴和CFRP在汽車的應(yīng)用一樣，要先從高檔車開始。

我國目前已有7家P-ARF生產(chǎn)廠商，總產(chǎn)能近6 000t/a，但產(chǎn)量小，與國外差距甚大。目前，晨光化工研究院正與投資方探討將產(chǎn)能擴(kuò)大至1萬t/a的可能性。

五、汽車輕量化后需要跟緊解決的問題

1.CFRP報廢部件的回收再利用

由于CFRP在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正快速擴(kuò)大，全球需求量將從2013年的6萬t/a增至2020年的14萬t/a。其中在汽車領(lǐng)域，由于到2025年的油耗要求高達(dá)54.5mpg（英里/加侖），因此CFRP用量高的汽車將由目前2萬輛增至4萬輛，廢品再生問題迫在眉睫。

CFRTP的回收相對容易，一般采用分類粉碎再熔融制成CFRP母粒，或直接擠壓成型。關(guān)鍵是CF增強(qiáng)熱固型樹脂，到2020年在汽車的用量預(yù)期將與CFRTP相當(dāng)。

目前已開發(fā)出的回收方法有超臨界液體法、熱分解法、常壓水溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法。其中有些方法有些已開始產(chǎn)業(yè)化。

表1和表2分別示出歐美和日本研發(fā)企業(yè)和大學(xué)等的回收技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模，其中美、歐多為熱分解法，而日本兩者并存。所回收的碳長絲等，可制成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP部件。

其中，電解氧化法所制得的CF表面官能基和殘留的上漿劑可以控制、處理較簡單、成本低，可望大規(guī)模處理。

再生CF的表面處理技術(shù)、成本和再使用壽命周期的評價，尚有待進(jìn)一步考核。

2.汽車噪音問題

有些國外專家提出，汽車輕量化后行駛過程噪音會增大，因此多家公司開發(fā)了各種吸音或消音材料。一般高檔車采用CF或P-ARF針刺氈，而普通車多采用廉價的滌綸或丙綸非織造布。

帝人開發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構(gòu)體“V-LAP”，作為車頂和車底的吸音材料。

可樂麗公司開發(fā)具有震動吸收能的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產(chǎn)的芯鞘型纖維非織造布板，其芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇共聚物（EVA）。

六、結(jié)語

為了促進(jìn)我國電動汽車的輕量化和產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)該借鑒國外成功的經(jīng)驗，以整車廠為主開展與電池、汽車配件及主要材料供應(yīng)商和緊密協(xié)作。同時，為了迅速趕上國外的先進(jìn)水平，一方面要加大自主創(chuàng)新的研發(fā)力度，另一方面應(yīng)盡可能利用海外的科技和人才資源，走跨越式發(fā)展的道路。此外，建議利用中歐國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟這個平臺更好地發(fā)揮信息交流、合作共贏和取長補(bǔ)短等作用。

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