汽車輕量化，高性能纖維機(jī)會來了

郝杰

去年的12月21日，紡織業(yè)的六位院士一起出現(xiàn)在江蘇奧新新能源汽車有限公司的展廳，面前是我國首輛具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維電動汽車。相比同類汽車，采用碳纖維車重減輕了50%、零部件減少了40%，親眼看到碳纖維汽車，院士們感到很振奮。而就在那幾天，北京等地正遭受著嚴(yán)重霧霾的侵襲，汽車尾氣排放無疑是造成霧霾的元兇之一。

汽車在人們的生活中是不可或缺的交通工具，但汽車在給人們帶來交通便利的同時，也帶來了環(huán)境污染和能源消耗等問題，為了應(yīng)對這些問題，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要研究課題。數(shù)據(jù)顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升，二氧化碳排放可減少約10克/公里。因此，基于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車業(yè)發(fā)展的潮流。

而輕質(zhì)高強(qiáng)纖維材料的應(yīng)用是車輛減少燃料消耗、降低污染排放的有效途徑，以高性能纖維及復(fù)合材料為代表的輕量化纖維材料制造技術(shù)正逐漸成為未來市場競爭的核心技術(shù)。

高性能纖維的機(jī)會來了。在12月21日舉行的“紡織之光”中國車用纖維新材料及應(yīng)用重點(diǎn)成果現(xiàn)場推廣活動暨高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研討會上，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會副會長兼秘書長高勇指出，紡織工業(yè)在“十一五”、“十二五”期間承擔(dān)了很多國家支持的新材料工程開發(fā)項目，經(jīng)過兩個五年的攻關(guān)，如今陸續(xù)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。過去在新材料領(lǐng)域的空白，已經(jīng)基本得到填補(bǔ)，特別是碳纖維、芳綸、聚酰亞胺、聚苯硫醚等高性能纖維大部分實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了豐碩成果。他強(qiáng)調(diào)，面對“十三五”，國家對新材料的支持重點(diǎn)發(fā)生重大改變，從過去支持新材料轉(zhuǎn)變到扶持高端材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成為重點(diǎn)。新能源汽車輕量化是國家重點(diǎn)支持的項目，這為高性能纖維和復(fù)合材料的應(yīng)用提供了廣闊空間。

六院士領(lǐng)銜助推高性能纖維應(yīng)用

在同一場合，紡織業(yè)內(nèi)六位院士同時到場的情況并不多見，這是由于“高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)發(fā)展”這一話題，引起了郁銘芳、周翔、蔣士成、孫晉良、姚穆、俞建勇六位院士的極大關(guān)注。去年3月，中國工程院專門啟動了“高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究”咨詢項目，目前已經(jīng)進(jìn)行了大量文獻(xiàn)資料收集，從對專家和企業(yè)高層人員問卷調(diào)查訪問，到有關(guān)高性能纖維、復(fù)合材料、汽車及飛機(jī)高鐵等制造企業(yè)實地考察，進(jìn)行了調(diào)研和座談等一系列活動，預(yù)計今年一季度即將結(jié)題。

蔣士成介紹說，輕量化是制造業(yè)提高科技水平和競爭力的核心技術(shù)之一，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是輕量化的有效途徑。輕量化技術(shù)也是“中國制造2025”的重點(diǎn)領(lǐng)域。高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以部分代替金屬材料，而且近年來發(fā)展迅猛，正在推廣應(yīng)用到飛機(jī)、汽車、高鐵、電力能源、機(jī)器人、建筑、化工與海洋工程等制造業(yè)各個領(lǐng)域，將顯著提高制造業(yè)科技水平和競爭力。汽車是我國支柱產(chǎn)業(yè)，迫切需要節(jié)能減排技術(shù)，輕量化是節(jié)能減排的最有效途徑。我國幾乎所有汽車主機(jī)廠都在開展碳纖維復(fù)合材料汽車研發(fā)和制定輕量化技術(shù)應(yīng)用的規(guī)劃。

蔣士成在指出高性能纖維領(lǐng)域不足時說，我國高性能纖維與復(fù)合材料輕量化技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步建立，但制造業(yè)終端應(yīng)用技術(shù)滯后，一般制造業(yè)領(lǐng)域缺乏復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，應(yīng)用國產(chǎn)碳纖維不多，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)線開工率低，影響質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本，終端客戶更無法使用，大多集中于小絲束碳纖維，市場容量有限，生產(chǎn)企業(yè)虧損嚴(yán)重。

對于近一年來，高性能纖維輕量化技術(shù)的進(jìn)展，東華大學(xué)教授余木火認(rèn)為，首先，一年前提到輕量化技術(shù)，大家會產(chǎn)生不少疑問，如今情況已經(jīng)發(fā)生根本變化，高性能纖維與復(fù)合材料是輕量化工程化的有效途徑，在制造業(yè)中有望大規(guī)模推廣應(yīng)用，從政府到企業(yè)必須立即采取行動。汽車行業(yè)是輕量化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最快的行業(yè)，誰掌握了碳纖維誰就是未來汽車企業(yè)的龍頭。第二，以前汽車領(lǐng)域的人不熟悉復(fù)合材料，材料領(lǐng)域的人不懂汽車，目前這種狀況在不斷改變，未來汽車行業(yè)通過這種改變將形成正向開發(fā)能力。第三，我國還正在制定高鐵的輕量化計劃，令人鼓舞。第四，碳纖維要在工業(yè)上應(yīng)用必須要實現(xiàn)低成本化、大規(guī)?；?，一個型號的車型上市就會拉動上千噸碳纖維供應(yīng)，但國內(nèi)大多是小絲束生產(chǎn)，市場有限，大絲束從原絲、氧化碳化、織物到高速自動化成型設(shè)備也有企業(yè)在涉足。第五，零部件自動化快速量產(chǎn)技術(shù)有所突破。第六，一體化成型技術(shù)也取得進(jìn)展。

對于高性能纖維與復(fù)合材料輕量化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，余木火建議，首先要建設(shè)示范工程，該工程要形成從上游到終端應(yīng)用的閉環(huán)機(jī)制，使得產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都能提高開工率，通過政策支持使產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)生利潤，從而建立高性能纖維在制造業(yè)中應(yīng)用的循環(huán)體系，樹立行業(yè)信心，培育一種盈利模式，提高纖維質(zhì)量，降低成本，拓展高性能纖維在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。第二，依靠國家支持，集中資源，集中終端用戶，培育萬噸級高性能纖維龍頭企業(yè)。第三，建立面向產(chǎn)業(yè)的知識庫平臺、面向關(guān)鍵技術(shù)和人才培養(yǎng)的工程實驗室。第四，在有條件的地方建立產(chǎn)業(yè)園區(qū)，通過園區(qū)聚集人才。

2萬輛汽車可帶動千噸級碳纖維生產(chǎn)線

目前，我國也有一些企業(yè)開始探索碳纖維及其復(fù)合材料在汽車方面的應(yīng)用。奧新新能源汽車有限公司是專業(yè)從事純電動和增程式純電驅(qū)動車輛研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，已成功研發(fā)出純電動轎車、純電動貨車等多款車型，廣泛應(yīng)用于城市短途代步、物流、郵政、環(huán)衛(wèi)等領(lǐng)域。去年1月，我國首輛碳纖維新能源汽車在奧新成功問世。公司總經(jīng)理史踐說，電動企業(yè)最大的問題是“跑不快，跑不遠(yuǎn)，能耗高”，主要原因是化學(xué)電池與液體燃料相比能量不高，因此，電動汽車第一要素就是解決輕量化問題，即重量問題。電池占整車質(zhì)量的30%以上，所以復(fù)合材料是電動汽車減重的最佳出路，可以有效平衡電池所增加的重量。碳纖維復(fù)合材料是新能源汽車的必然選擇，碳纖維是輕量化材料中唯一能使零部件減重一半以上的材料，也是傳統(tǒng)汽車減重、實現(xiàn)燃油減耗的重要措施。汽車企業(yè)愿意與高性能纖維企業(yè)聯(lián)合，從新能源汽車入手，把高性能纖維用量做起來。

史踐認(rèn)為，下一步還要解決一些共性問題，比如碳纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫建立、成型、加工、粘接、涂裝工藝，可循環(huán)利用技術(shù)、可修補(bǔ)技術(shù)等。還要由汽車企業(yè)和高性能纖維企業(yè)共同建立起公共研發(fā)、檢測平臺和標(biāo)準(zhǔn)體系。

對于碳纖維的需求，史踐坦言“大絲束太少了”，24K是大絲束的邊界，24K以上才能更好地滿足需求，降低成本。他給碳纖維企業(yè)描述了樂觀的前景，汽車是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)，可以拉動高性能纖維連續(xù)滿負(fù)荷的生產(chǎn)，公司將在原來熱固成型年產(chǎn)千輛級基礎(chǔ)上達(dá)到2萬輛能力，未來底盤也有望采用碳纖維復(fù)合材料。2萬輛汽車產(chǎn)量即可以帶動一個千噸級碳纖維生產(chǎn)線。中國新能源汽車2020年要達(dá)到500萬輛，車用復(fù)合材料大有可為。

高性能纖維企業(yè)齊發(fā)力滿足汽車輕量化需求

對于如何降低碳纖維生產(chǎn)成本，中復(fù)神鷹碳纖維有限公司總經(jīng)理劉芳認(rèn)為，在碳纖維的生產(chǎn)成本中，原絲成本占到總成本的70%左右，因此低成本的原絲制備技術(shù)是碳纖維低成本化的重要途徑。干噴濕紡絲噴絲板孔徑大，單位時間供漿量多，在空氣段可實現(xiàn)數(shù)倍正牽伸，紡絲速度在300m/min以上，是濕紡4倍以上。在同樣幅寬的設(shè)備上，產(chǎn)能是濕紡生產(chǎn)線的2倍以上，生產(chǎn)效率高，單位成本可降低10%。截至2015年底，中復(fù)神鷹共銷售各類碳纖維7000余噸，從2013年起主要以干噴濕紡碳纖維為主。未來低成本實現(xiàn)路徑主要靠提高紡絲速度，以及增大紡絲絲束從12K到24K，并與國內(nèi)廠家進(jìn)行多軸向織物制備工藝開發(fā)，拓展碳纖維在汽車上的應(yīng)用。

吉林碳谷公司的碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)曾經(jīng)獲得紡織之光科技一等獎，據(jù)吉林碳谷公司負(fù)責(zé)人王繼軍介紹，目前公司已經(jīng)有1K～24K、48K 碳纖維原絲的生產(chǎn)能力。主要通過增加紡位數(shù)量、提高紡絲速度、提高總旦數(shù)等方法降低生產(chǎn)成本，往往是二或三種方法同時使用。他認(rèn)為，未來幾年中國四大產(chǎn)業(yè)將帶動碳纖維市場強(qiáng)勢增長，分別是汽車輕量化、高速鐵路領(lǐng)域、海上風(fēng)力發(fā)電、大飛機(jī)項目。他同時認(rèn)為，碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用需要解決的問題首先是理念問題，復(fù)合材料不應(yīng)作為金屬材料的替代材料，重點(diǎn)在于碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案。此外，復(fù)合材料供應(yīng)商要與汽車制造企業(yè)一起創(chuàng)新戰(zhàn)略合作模式，發(fā)展低成本材料，開發(fā)大絲束碳纖維及其織物，并拿出有吸引力的價格。

常州宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司采用輕量化復(fù)合材料制造出第一輛模塊化大巴，公司總經(jīng)理談昆侖說，采用復(fù)合材料制造減少了模具投資，取消了原有的大型裝配車間，以及焊接、酸洗、涂裝的投資，零配件可在異地組裝，2天即可組裝一輛車。宏發(fā)縱橫采用展纖、混編、預(yù)定型、高壓快速成型、高性能低成本裝備等技術(shù)實現(xiàn)了低成本制造。

河北硅谷新材料有限公司的“高模量芳綸產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及其裝備國產(chǎn)化”項目曾獲2014年紡織之光科技一等獎，公司還成功突破了碳纖維復(fù)合芯生產(chǎn)的壁壘，設(shè)計生產(chǎn)了新型碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線芯，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，引發(fā)輸電領(lǐng)域的革命。公司副總經(jīng)理李東風(fēng)對未來充滿希望，他說，盡管芳綸纖維和碳纖維目前實現(xiàn)盈利還很難，但公司將一如既往加大投入，大力發(fā)展碳纖維和芳綸纖維下游產(chǎn)品，推進(jìn)碳纖維和芳綸纖維的發(fā)展。

碳纖維與汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展離不開設(shè)備制造企業(yè)的努力，福建海源自動化機(jī)械股份有限公司是一家裝備制造企業(yè)，公司瞄準(zhǔn)新能源汽車碳纖維輕量化的機(jī)遇，決心整合國內(nèi)外先進(jìn)資源，為中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)提供碳纖維汽車車身輕量化的整體解決方案。公司顧問蔣鼎豐介紹，公司投資62億元開發(fā)“新能源汽車碳纖維車身部件生產(chǎn)工藝技術(shù)及生產(chǎn)線裝備的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目”，預(yù)計在2017年將有3～4條具有國際先進(jìn)水平的全自動大批量碳纖維車身零部件生產(chǎn)線竣工投產(chǎn)。