汽車輕量化，高性能纖維機會來了

郝杰

去年的12月21日，紡織業的六位院士一起出現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權的碳纖維電動汽車。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，也帶來了環境污染和能源消耗等問題，為了應對這些問題，節能減排已經成為汽車工業的重要研究課題。數據顯示，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，基于環保和節能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車業發展的潮流。

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

高性能纖維的機會來了。在12月21日舉行的“紡織之光”中國車用纖維新材料及應用重點成果現場推廣活動暨高性能纖維與汽車輕量化技術創新發展戰略研討會上，中國紡織工業聯合會副會長兼秘書長高勇指出，紡織工業在“十一五”、“十二五”期間承擔了很多國家支持的新材料工程開發項目，經過兩個五年的攻關，如今陸續進入了產業化階段。過去在新材料領域的空白，已經基本得到填補，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了產業化應用，取得了豐碩成果。他強調，面對“十三五”，國家對新材料的支持重點發生重大改變，從過去支持新材料轉變到扶持高端材料產業，產業化應用成為重點。新能源汽車輕量化是國家重點支持的項目，這為高性能纖維和復合材料的應用提供了廣闊空間。

六院士領銜助推高性能纖維應用

在同一場合，紡織業內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發展”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科技創新發展戰略研究”咨詢項目，目前已經進行了大量文獻資料收集，從對專家和企業高層人員問卷調查訪問，到有關高性能纖維、復合材料、汽車及飛機高鐵等制造企業實地考察，進行了調研和座談等一系列活動，預計今年一季度即將結題。

蔣士成介紹說，輕量化是制造業提高科技水平和競爭力的核心技術之一，高性能纖維增強復合材料是輕量化的有效途徑。輕量化技術也是“中國制造2025”的重點領域。高性能纖維增強復合材料可以部分代替金屬材料，而且近年來發展迅猛，正在推廣應用到飛機、汽車、高鐵、電力能源、機器人、建筑、化工與海洋工程等制造業各個領域，將顯著提高制造業科技水平和競爭力。汽車是我國支柱產業，迫切需要節能減排技術，輕量化是節能減排的最有效途徑。我國幾乎所有汽車主機廠都在開展碳纖維復合材料汽車研發和制定輕量化技術應用的規劃。

蔣士成在指出高性能纖維領域不足時說，我國高性能纖維與復合材料輕量化技術產業已經初步建立，但制造業終端應用技術滯后，一般制造業領域缺乏復合材料結構設計能力，應用國產碳纖維不多，國內碳纖維生產線開工率低，影響質量穩定性和生產成本，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，生產企業虧損嚴重。

對于近一年來，高性能纖維輕量化技術的進展，東華大學教授余木火認為，首先，一年前提到輕量化技術，大家會產生不少疑問，如今情況已經發生根本變化，高性能纖維與復合材料是輕量化工程化的有效途徑，在制造業中有望大規模推廣應用，從政府到企業必須立即采取行動。汽車行業是輕量化技術應用發展最快的行業，誰掌握了碳纖維誰就是未來汽車企業的龍頭。第二，以前汽車領域的人不熟悉復合材料，材料領域的人不懂汽車，目前這種狀況在不斷改變，未來汽車行業通過這種改變將形成正向開發能力。第三，我國還正在制定高鐵的輕量化計劃，令人鼓舞。第四，碳纖維要在工業上應用必須要實現低成本化、大規模化，一個型號的車型上市就會拉動上千噸碳纖維供應，但國內大多是小絲束生產，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備也有企業在涉足。第五，零部件自動化快速量產技術有所突破。第六，一體化成型技術也取得進展。

對于高性能纖維與復合材料輕量化產業的發展，余木火建議，首先要建設示范工程，該工程要形成從上游到終端應用的閉環機制，使得產業鏈各環節都能提高開工率，通過政策支持使產業鏈各環節產生利潤，從而建立高性能纖維在制造業中應用的循環體系，樹立行業信心，培育一種盈利模式，提高纖維質量，降低成本，拓展高性能纖維在其他領域的應用。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。第三，建立面向產業的知識庫平臺、面向關鍵技術和人才培養的工程實驗室。第四，在有條件的地方建立產業園區，通過園區聚集人才。

2萬輛汽車可帶動千噸級碳纖維生產線

目前，我國也有一些企業開始探索碳纖維及其復合材料在汽車方面的應用。奧新新能源汽車有限公司是專業從事純電動和增程式純電驅動車輛研發、生產和銷售的高新技術企業，已成功研發出純電動轎車、純電動貨車等多款車型，廣泛應用于城市短途代步、物流、郵政、環衛等領域。去年1月，我國首輛碳纖維新能源汽車在奧新成功問世。公司總經理史踐說，電動企業最大的問題是“跑不快，跑不遠，能耗高”，主要原因是化學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。電池占整車質量的30%以上，所以復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，也是傳統汽車減重、實現燃油減耗的重要措施。汽車企業愿意與高性能纖維企業聯合，從新能源汽車入手，把高性能纖維用量做起來。

史踐認為，下一步還要解決一些共性問題，比如碳纖維的結構設計、數據庫建立、成型、加工、粘接、涂裝工藝，可循環利用技術、可修補技術等。還要由汽車企業和高性能纖維企業共同建立起公共研發、檢測平臺和標準體系。

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。他給碳纖維企業描述了樂觀的前景，汽車是大批量生產的產業，可以拉動高性能纖維連續滿負荷的生產，公司將在原來熱固成型年產千輛級基礎上達到2萬輛能力，未來底盤也有望采用碳纖維復合材料。2萬輛汽車產量即可以帶動一個千噸級碳纖維生產線。中國新能源汽車2020年要達到500萬輛，車用復合材料大有可為。

高性能纖維企業齊發力滿足汽車輕量化需求

對于如何降低碳纖維生產成本，中復神鷹碳纖維有限公司總經理劉芳認為，在碳纖維的生產成本中，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，在空氣段可實現數倍正牽伸，紡絲速度在300m/min以上，是濕紡4倍以上。在同樣幅寬的設備上，產能是濕紡生產線的2倍以上，生產效率高，單位成本可降低10%。截至2015年底，中復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，并與國內廠家進行多軸向織物制備工藝開發，拓展碳纖維在汽車上的應用。

吉林碳谷公司的碳纖維原絲生產技術曾經獲得紡織之光科技一等獎，據吉林碳谷公司負責人王繼軍介紹，目前公司已經有1K～24K、48K 碳纖維原絲的生產能力。主要通過增加紡位數量、提高紡絲速度、提高總旦數等方法降低生產成本，往往是二或三種方法同時使用。他認為，未來幾年中國四大產業將帶動碳纖維市場強勢增長，分別是汽車輕量化、高速鐵路領域、海上風力發電、大飛機項目。他同時認為，碳纖維復合材料在汽車工業中應用需要解決的問題首先是理念問題，復合材料不應作為金屬材料的替代材料，重點在于碳纖維復合材料在汽車上應用的系統解決方案。此外，復合材料供應商要與汽車制造企業一起創新戰略合作模式，發展低成本材料，開發大絲束碳纖維及其織物，并拿出有吸引力的價格。

常州宏發縱橫新材料科技股份有限公司采用輕量化復合材料制造出第一輛模塊化大巴，公司總經理談昆侖說，采用復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。宏發縱橫采用展纖、混編、預定型、高壓快速成型、高性能低成本裝備等技術實現了低成本制造。

河北硅谷新材料有限公司的“高模量芳綸產業化關鍵技術及其裝備國產化”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合芯生產的壁壘，設計生產了新型碳纖維復合材料導線芯，并實現了產業化，引發輸電領域的革命。公司副總經理李東風對未來充滿希望，他說，盡管芳綸纖維和碳纖維目前實現盈利還很難，但公司將一如既往加大投入，大力發展碳纖維和芳綸纖維下游產品，推進碳纖維和芳綸纖維的發展。

碳纖維與汽車輕量化技術的發展離不開設備制造企業的努力，福建海源自動化機械股份有限公司是一家裝備制造企業，公司瞄準新能源汽車碳纖維輕量化的機遇，決心整合國內外先進資源，為中國新能源汽車產業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“新能源汽車碳纖維車身部件生產工藝技術及生產線裝備的研發及產業化項目”，預計在2017年將有3～4條具有國際先進水平的全自動大批量碳纖維車身零部件生產線竣工投產。