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經(jīng)過10多年的快速發(fā)展和奮起直追，我國高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)取得了突破性發(fā)展。尤其是近幾年，產(chǎn)業(yè)緊緊把握“汽車輕量化”發(fā)展機遇，插上了快速騰飛的“翅膀”。
輕量化是制造業(yè)核心技術(shù)之一，高性能纖維，尤其是碳纖維及其復(fù)合材料在其中能夠“大展拳腳”，發(fā)揮關(guān)鍵作用。
從國際市場看，寶馬、福特、通用、大眾等知名汽車企業(yè)都與碳纖維企業(yè)緊密合作，全球幾乎所有的汽車企業(yè)均有碳纖維車研發(fā)項目。
目前，我國在輕量化技術(shù)方面的研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，一批本土汽車企業(yè)對于碳纖維的研究和應(yīng)用也在加速。
相信在集合多方智慧的“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目的有效推動下，國產(chǎn)高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展將大大推進。
“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目成果發(fā)布
為促進我國高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展及產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，使項目成果更好服務(wù)政府決策，4月29日，“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目成果發(fā)布與座談會在位于北京的中國工程院召開。來自江蘇奧新新能源汽車、北汽等汽車企業(yè)的代表，來自中復(fù)神鷹碳纖維有限公司、吉林化纖、浙江石金玄武巖纖維有限公司等我國高性能纖維及其復(fù)合材料企業(yè)的代表，以及中國工程院院士蔣士成、郁銘芳、姚穆、俞建勇，中國工程院二局局長高中琪，國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)司副司長盧衛(wèi)生，工信部消費品工業(yè)司副司長曹學(xué)軍，科技部高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化司副司長曹國英，中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技管理部主任彭燕麗，中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)、中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會等領(lǐng)導(dǎo)專家參加了會議。來自中國汽車工程學(xué)會、中國汽車工業(yè)協(xié)會、中國汽車輕量化聯(lián)盟、中國復(fù)合材料學(xué)會、國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟等機構(gòu)的相關(guān)負責(zé)人也參加了會議。會議由蔣士成院士主持。
中國工程院于2015年設(shè)立了“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”咨詢項目，由紡織領(lǐng)域的院士牽頭，邀請紡織、汽車、復(fù)合材料、輕工機械等領(lǐng)域的院士共同參與，依托東華大學(xué)，由纖維材料改性國家重點實驗室、民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心和上海市輕質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室具體組織實施。
項目自2015年3月啟動后，進行了大量實地考察，考察的企業(yè)包括中國商用飛機有限責(zé)任公司、上海汽車集團、江蘇恒神股份、中國一汽、長春客車、吉林化纖、奧新新能源汽車有限公司、浙江石金玄武巖纖維有限公司、北京汽車研究院、奇瑞汽車等國內(nèi)知名汽車企業(yè)和國產(chǎn)高性能纖維企業(yè)。項目聚焦國內(nèi)外高性能纖維及其輕量化技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展環(huán)境和現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，對我國高性能纖維及其輕量化技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)科技前沿領(lǐng)域進行了深入系統(tǒng)地分析研究，取得了許多新的認(rèn)識和重要研究成果。
項目提出了我國高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)途徑、高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵工程技術(shù)專項，以及高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議，并形成了項目研究報告1份，調(diào)研報告15份，提交了院士建議1份。
高中琪在項目成果發(fā)布與座談會致辭中指出，中國工程院的主要工作之一就是服務(wù)于政府決策，希望通過該項目的推進實施，充分發(fā)揮中國工程院國家工程科技思想庫作用，用科學(xué)咨詢支撐科學(xué)決策，用科學(xué)決策推動科學(xué)發(fā)展。
作為項目負責(zé)人之一，蔣士成在會上介紹了項目背景及相關(guān)推進情況。他介紹，項目啟動后在上海、浙江蕭山和江蘇鹽城先后召開過3次大型研討會，還舉行了多次小型研討會，并經(jīng)過實地考察企業(yè)和問卷調(diào)查等形式，形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。項目秘書長余木火在會上就項目研究成果做了詳細介紹。
會上，來自汽車企業(yè)和高性能纖維企業(yè)的代表分別進行了發(fā)言。奧新新能源汽車有限公司總經(jīng)理史踐、北京汽車研究院副院長王旭、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司技術(shù)部副部長郭鵬宗和吉林化纖股份有限公司董事長宋德武分別就碳纖維在新能源汽車上的應(yīng)用技術(shù)、碳纖維在量產(chǎn)車領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)、碳纖維高效生產(chǎn)技術(shù)和碳纖維原絲規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)做了介紹。
在座談交流研討環(huán)節(jié)，幾位嘉賓結(jié)合相關(guān)政策，對于高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展提出了相關(guān)建議。
曹國英指出，碳纖維及其復(fù)合材料是實現(xiàn)汽車、飛機、高鐵輕量化的重要材料，是“十三五”國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中的重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，科技部將會以新的應(yīng)用項目持續(xù)支持碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。曹學(xué)軍指出，高性能纖維、以電力動力為主的新能源汽車產(chǎn)業(yè)是《中國制造2025》十大發(fā)展領(lǐng)域的重要方向，建議將項目研究提出的建議轉(zhuǎn)化成可操作、能推進的具體項目落實到位。國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)司機械裝備處處長吳衛(wèi)建議，應(yīng)以市場需求和未來技術(shù)水平為基礎(chǔ)的市場為主導(dǎo)，通過國家權(quán)威機構(gòu)的橫向合作和產(chǎn)業(yè)鏈間的縱向合作，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)合作的優(yōu)勢，借助國家相關(guān)政策支持，進一步促進高性能纖維與汽車輕量化應(yīng)用取得更大成果。中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會副會長賀燕麗指出，以碳纖維為代表的高性能纖維企業(yè)今后要更加重視產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，這也是下一步的發(fā)展重點，目前企業(yè)對此的重視程度還不夠高。下游產(chǎn)業(yè)鏈也屬于高科技，需要下功夫。此外，碳纖維企業(yè)和汽車企業(yè)除了要重視產(chǎn)品開發(fā)，還要重視碳纖維汽車的回收和循環(huán)再利用，否則汽車輕量化會面臨阻礙。
項目揭示“高”“輕”戰(zhàn)略和技術(shù)路線圖
高性能纖維是國家戰(zhàn)略物資，也是新材料產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容。“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目取得的重要成果為：形成了我國高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)途徑、工程技術(shù)專項以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。
碳纖維為輕量化立下“汗馬功勞”
輕量化技術(shù)是制造業(yè)的核心技術(shù)之一，如運輸工具減排降耗，機械運動慣量減少、精度提高、能耗減少，海洋化工裝備防腐蝕等都要運用輕量化技術(shù)，世界各國對此高度重視。
以美國為例，2015年，美國投資2.5億美元宣布成立國家輕量化復(fù)合材料研究所，有122個單位參加，發(fā)展低成本復(fù)合材料技術(shù)，大規(guī)模應(yīng)用于制造業(yè)，提高制造業(yè)競爭力。2016年4月，美國又成立革命性纖維研究所，投資3億美元，有89個單位參加。
而纖維增強復(fù)合材料是目前綜合性能最好、在工程上應(yīng)用廣泛的輕量化材料，其中，高性能纖維是關(guān)鍵。目前，全球主要高性能纖維產(chǎn)能為33萬噸，其中，碳纖維產(chǎn)能約12.3萬噸，芳綸產(chǎn)能約12.02萬噸。
我國高性能纖維產(chǎn)能目前約7.3萬噸，碳纖維產(chǎn)能1.5萬噸，產(chǎn)量4000噸，開工率20%，且企業(yè)基本處于虧損狀態(tài)，這種現(xiàn)狀與我國的經(jīng)濟地位不匹配。我國約有碳纖維企業(yè)30多家，但企業(yè)規(guī)模整體偏小，產(chǎn)能較大的企業(yè)年產(chǎn)能僅有1000~3000噸。而日本東麗的碳纖維年產(chǎn)能為2.11萬噸，美國卓爾泰克的碳纖維年產(chǎn)能為1.95萬噸。
除了在規(guī)模方面無法與國際“龍頭”碳纖維企業(yè)抗衡，我國還缺乏大絲束碳纖維技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)鏈，而大絲束是碳纖維未來的發(fā)展方向。同時，我國還面臨碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈及價值鏈不合理、碳纖維制造高效低成本新技術(shù)研發(fā)投入少等挑戰(zhàn)。
整體看，我國終端企業(yè)使用碳纖維技術(shù)相對滯后，碳纖維企業(yè)規(guī)模小，抗風(fēng)險能力弱，受到國外規(guī)模企業(yè)的降價打壓，開工率低，大部分企業(yè)虧損，影響品質(zhì)穩(wěn)定和運行成本。
另一方面，汽車是我國支柱產(chǎn)業(yè)之一，新能源汽車是國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，預(yù)計到2020年我國新能源汽車將達到500萬輛，輕量化則是汽車減排降耗的必由之路，是提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程最有效的技術(shù)途徑之一。而在汽車輕量化領(lǐng)域，碳纖維及其復(fù)合材料能夠立下“汗馬功勞”。汽車輕量化的里程碑事件是，2015年，寶馬i3、i8電動車成功商業(yè)化，采用全碳纖維車身，重量151公斤，而價格約3.4萬歐元，與金屬車的價格相當(dāng)。
目前在國際市場上，幾乎所有汽車企業(yè)都開展了碳纖維及其復(fù)合材料汽車或零部件研發(fā)，也與碳纖維企業(yè)緊密合作，如日產(chǎn)本田汽車與東麗、寶馬與西格里、福特汽車與陶氏化學(xué)、通用汽車與帝人都有合作。
國產(chǎn)汽車碳纖維應(yīng)用加速
我國高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展目前已經(jīng)取得了一定的成果。
奧新新能源汽車有限公司是首個國內(nèi)“吃螃蟹者”。2015年，該公司研發(fā)成功首量碳纖維新能源汽車，2016年3月通過所有測試。目前，該公司正在建設(shè)年產(chǎn)2萬輛碳纖維車身電動車生產(chǎn)線。
奧新新能源汽車輕量化的研究重點體現(xiàn)在以下幾方面：碳纖維車身與鋁合金底盤的一體化設(shè)計方法，碳纖維復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)CAE仿真方法，輕量化純電動轎車及其關(guān)鍵部件的低成本自動化制造技術(shù)，輕量化純電動轎車試驗與評價體系，低成本大絲束碳纖維的制造技術(shù)。
奧新新能源汽車有限公司總經(jīng)理史踐介紹，智能網(wǎng)聯(lián)和輕量化是汽車行業(yè)、尤其是電動車行業(yè)新的發(fā)展趨勢。電動車的輕量化一是整車(包括車身和底盤)的輕量化，二是電池和比能量的輕量化。“奧新最初研究汽車輕量化是從對傳統(tǒng)汽車的改造開始，嘗試過玻璃鋼，也嘗試過純碳纖維，2011年正式確立全碳纖維的電動車技術(shù)。我們現(xiàn)在走上了一條‘不歸路’，‘十三五’期間多種車型都將大量運用高性能纖維復(fù)合材料。建議國產(chǎn)大絲束碳纖維必須突破，我們現(xiàn)在迫切需要它。”史踐在打趣的同時，也提出了一些建議。
我國第一個使用碳纖維零部件的量產(chǎn)車型是北京汽車BJ40碳纖維發(fā)動機蓋。目前北汽在部分薩博系列車上初步嘗試運用碳纖維減重，在一款量產(chǎn)大型SUV上搭載了碳纖維車蓋，運用了T300、T700和小絲束碳纖維。
北汽也在進行多方面的輕量化研發(fā)，建立了輕量化管理、專家技術(shù)指導(dǎo)委員會等機構(gòu)，公司旗下二級單位圍繞整車和零部件的輕量化設(shè)計、輕量化材料和制造、輕量化知識產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)群等形式展開輕量化工作。今年3月，北汽還成立了工作小組，前往歐洲，與號稱歐洲“輕量化搖籃”的一所大學(xué)接觸并進行深度合作，雙方確立了十大方向的輕量化共同研發(fā)內(nèi)容。
北京汽車研究院副院長王旭介紹，未來汽車技術(shù)創(chuàng)新將在互聯(lián)網(wǎng)+、智能化、電動化和輕量化的基礎(chǔ)上創(chuàng)造更多可能，四大趨勢驅(qū)動行業(yè)革新發(fā)展。在碳纖維應(yīng)用方面，北汽正在全力推進產(chǎn)學(xué)研合作，如與東華大學(xué)等高校及研究所合作，進行課題研究及專項技術(shù)開發(fā)，與康得新復(fù)材等企業(yè)建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，形成“外覆蓋件—結(jié)構(gòu)件”的三步走碳纖維部件開發(fā)戰(zhàn)略，逐步推進碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用，加快商用車、乘用車和新能源汽車的輕量化步伐。
值得一說的是，在汽車輕量化使用碳纖維產(chǎn)學(xué)研合作方面，這幾年國內(nèi)開展了大量工作。例如奧新新能源汽車有限公司和東華大學(xué)緊密合作，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)與制造效率、制造成本等技術(shù)，研發(fā)自動化量產(chǎn)技術(shù)與裝備；東華大學(xué)、寧波材料研究所與奇瑞汽車合作，在汽車底板、傳動軸、防撞梁、吸能盒、踏板等方面展開研究。
在這個過程中，國產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料企業(yè)的突破發(fā)展和提升也至關(guān)重要。例如奧新所在的江蘇，目前碳纖維產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)具備一定基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善，尤其是對于發(fā)展汽車用碳纖維的產(chǎn)業(yè)化比較重視，中復(fù)神鷹(碳纖維產(chǎn)能2500噸/年)、恒神股份(碳纖維產(chǎn)能3000噸/年)等國內(nèi)碳纖維行業(yè)的“龍頭”企業(yè)都位于該省。
碳纖維企業(yè)在技術(shù)上的突破，使原絲和碳纖維及其復(fù)合材料成本降低，在為國產(chǎn)汽車輕量化提供堅實基礎(chǔ)的同時，也促進了企業(yè)自身的發(fā)展。對此吉林化纖有限公司董事長宋德武表示，吉化的碳谷公司已經(jīng)初步具備了生產(chǎn)T700碳纖維的條件，下一步，吉化將朝低成本、大絲束和工業(yè)化方向努力，與下游廠家精誠合作，廣泛開發(fā)24K、48K碳纖維產(chǎn)品在汽車等市場領(lǐng)域的應(yīng)用。
“如果碳纖維及其復(fù)合材料汽車部件的可靠性經(jīng)過用戶考驗，依據(jù)數(shù)學(xué)模型研究我們發(fā)現(xiàn)，運用碳纖維復(fù)合材料的模具價格其實并不高，我們在開發(fā)應(yīng)用中也獲得了信心。今后，碳纖維復(fù)合材料的價格還將往下走，其成本還能再降20%，汽車企業(yè)用得起、開發(fā)得起很重要。”王旭這樣強調(diào)道。
發(fā)展戰(zhàn)略分兩個階段
近幾年我國在高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展方面取得的突破和發(fā)展有目共睹。但不可否認(rèn)，目前，我國乘用車重量平均比歐洲汽車重5%~10%，商用車更是比歐洲汽車重17%，我國汽車行業(yè)的輕量化需求仍然迫切。
也必須認(rèn)識到，我國高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展仍面臨一系列“瓶頸”，涉及的方面主要包括：缺乏復(fù)合材料整車及零部件設(shè)計準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)庫與評價標(biāo)準(zhǔn)；復(fù)合材料零部件制造節(jié)拍慢，自動化程度低，生產(chǎn)成本高；從碳纖維到復(fù)合材料汽車整個產(chǎn)業(yè)鏈的合作機制仍需深化；碳纖維汽車維修、回收及循環(huán)利用技術(shù)體系亟待建立；車用低成本碳纖維及其中間體材料產(chǎn)業(yè)鏈仍需加強；輕量化科技創(chuàng)新體系科技投入不足；具有汽車學(xué)科基礎(chǔ)又有材料學(xué)科基礎(chǔ)的交叉人才隊伍需要加強培養(yǎng)。
針對這些“瓶頸”問題，“高性能纖維與汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目組提出如下建議：建立若干“高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ獭保纬僧a(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)具有合理開工率、連續(xù)穩(wěn)定運行、合理企業(yè)利潤的完整示范工程；培育行業(yè)龍頭企業(yè)，提高規(guī)模效益，參與國際競爭；設(shè)立“高性能纖維與輕量化”重點科技專項，加大科技攻關(guān)力度；建立我國高性能纖維與輕量化技術(shù)科技與人才培養(yǎng)體系和高性能纖維與輕量化國家實驗室或國家重點實驗室、國家工程實驗室、國家知識服務(wù)平臺；制定我國高性能纖維及其輕量化復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。
同時，依據(jù)項目研究，我國高性能纖維與汽車輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略分為兩個階段。第一階段為2016~2020年，通過科技攻關(guān)，建立高性能纖維與汽車輕量化設(shè)計制造技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)鏈體系，形成從原材料到碳纖維汽車及其零部件的標(biāo)準(zhǔn)及其檢測體系。第二階段為2020~2025年，逐步推廣應(yīng)用到整個汽車產(chǎn)業(yè)，爭取使用碳纖維2萬~3萬噸，碳纖維成本降低50%，零部件制造成本從70%~80%降低到50%。
