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(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(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，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)化應用，取得了豐碩成果。他強調(diào)，面對“十三五”，國家對新材料的支持重點發(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(lǐng)銜助推高性能纖維應用

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)進行了大量文獻資料收集，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、復合材料、汽車及飛機高鐵等制造企業(yè)實地考察，進行了調(diào)研和座談等一系列活動，預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，高性能纖維增強復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”的重點領(lǐng)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(fā)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(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廠都在開展碳纖維復合材料汽車研發(fā)和制定輕量化技術(shù)應用的規(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)終端應用技術(shù)滯后，一般制造業(yè)領(lǐng)域缺乏復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，應用國產(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)虧損嚴重。

對于近一年來，高性能纖維輕量化技術(shù)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(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)上應用必須要實現(xiàn)低成本化、大規(guī)?；粋€型號的車型上市就會拉動上千噸碳纖維供應，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)也取得進展。

對于高性能纖維與復合材料輕量化產(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用的閉環(huán)機制，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(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，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(zhì)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(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(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(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年要達到500萬輛，車用復合材料大有可為。

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，中復神鷹碳纖維有限公司總經(jīng)理劉芳認為，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)廠家進行多軸向織物制備工藝開發(fā)，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(chǎn)技術(shù)曾經(jīng)獲得紡織之光科技一等獎，據(jù)吉林碳谷公司負責人王繼軍介紹，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。他認為，未來幾年中國四大產(chǎn)業(yè)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(lǐng)域、海上風力發(fā)電、大飛機項目。他同時認為，碳纖維復合材料在汽車工業(yè)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(tǒng)解決方案。此外，復合材料供應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合芯生產(chǎn)的壁壘，設(shè)計生產(chǎn)了新型碳纖維復合材料導線芯，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，福建海源自動化機械股份有限公司是一家裝備制造企業(yè)，公司瞄準新能源汽車碳纖維輕量化的機遇，決心整合國內(nèi)外先進資源，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(chǎn)線竣工投產(chǎn)。