羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

汽車輕量節(jié)能和低成本環(huán)保的創(chuàng)新解決方案

羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

我國汽車工業(yè)正面臨4 個方面的重大挑戰(zhàn)：2020年節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)的強化；汽車碳纖維復合材料化是大勢所趨，日本碳纖維廠家開發(fā)部分預氧化黑色原絲，并采用微波碳化和等離子體表面處理，使生產(chǎn)效率提高10 倍；碳纖維增強熱塑性和熱固性復合材料的成型時間各達到1～3 min；動力電池的創(chuàng)新發(fā)展拉大了與中國的差距。為此提出以下6 個方面創(chuàng)新的解決方案加以應對：引進高效低成本的大絲束PAN基碳纖維生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率提高5倍，并研發(fā)上述黑色原絲；引進新型低成本快速成型CFRP固化劑；添加廉價的中空微納米陶瓷粉體，可大幅度降低汽車用工程塑料和CFRP部件的成本，提高綜合性能和附加某些功能；用對位芳綸輪胎取代鋼絲胎；加快固體釩動力電池的中試和產(chǎn)業(yè)化，其理論質(zhì)量能量密度是鋰離子電池的10 倍，小試已達到400～600 kWh/kg，由于設計理念全新，體積和質(zhì)量越小，電動車的續(xù)駛距離越遠，無需充電，不存在安全問題，反應產(chǎn)物可再生循環(huán)使用；采用塑料光纖顯示系統(tǒng)等。綜上如是，方能使我國汽車產(chǎn)業(yè)邁向世界先進或領先水平。

汽車；輕量化；低成本碳纖維；陶瓷粉體；新型電池；新固化劑

0 前言

全球各發(fā)達國家及我國汽車工業(yè)節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)的強化，對我國新材料界特別是高新技術纖維行業(yè)的發(fā)展，無疑是極大的機遇和挑戰(zhàn)。

然而汽車的輕量化是一項艱巨的系統(tǒng)工程，特別是我國汽車產(chǎn)業(yè)約60%的核心技術，掌握在國外手里，如何走出一條有我國創(chuàng)新特色的發(fā)展道路，已成為我國汽車人和新材料人的共同歷史使命。我們通過多年的國內(nèi)外調(diào)研和初步實踐，提出了如下的創(chuàng)新解決方案，以期通過多方面的共同努力，使我國汽車產(chǎn)業(yè)盡快邁向世界先進或領先水平。

1 我國汽車工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

到2020年，美國、歐盟和日本的節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)所規(guī)定的新出廠汽車須達到消耗每升汽油續(xù)駛里程和所排放的每立方米尾氣不應超過的溫室氣體排放量是相當嚴格的，意味著整車須減輕質(zhì)量50%～60%。

我國工信部也出臺了相應的法規(guī)，到2020年新車每消耗7 L汽油須能續(xù)駛100 km，這對我國新材料界來說是一塊難啃的“骨頭”。為此新一代汽車的碳纖維復合材料（CFRP）化是大勢所趨。

2 國外新技術的挑戰(zhàn)

2.1 引領世界碳纖維發(fā)展的日本企業(yè)，創(chuàng)新出黑色PAN原絲的新工藝等，使PAN-CF的生產(chǎn)效率提高10 倍

2012～2014年日本經(jīng)濟部啟動“創(chuàng)新碳纖維基礎技術開發(fā)”計劃，由東京大學的影山和郎教授統(tǒng)管基礎研究，而產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（NEDO）的羽鳥浩章任該項目領導。2015～2016年NEDO委托東麗、帝人（東邦Tenax）和三菱麗陽3 大企業(yè)加盟，形成全日本的開發(fā)體制，研究成果和知識產(chǎn)權(quán)由東京大學一體化管理。

圖1 以往從PAN原絲至碳纖維的工藝流程

圖2 創(chuàng)新的碳纖維制造工藝

圖1～2分別示出以往采用進藤方式的PAN-CF制造流程和創(chuàng)新開發(fā)的碳纖維制造流程對比。

圖3為無需預氧化的碳纖維原絲及碳纖維截面圖。

圖4示出含側(cè)鏈提醒結(jié)構(gòu)（溶劑可溶）的新型聚合物結(jié)構(gòu)示意圖。

研發(fā)目標：①開發(fā)無需預氧化工序的新型碳纖維前驅(qū)體化合物，②解明碳化結(jié)構(gòu)的形成機理，③碳纖維的評價手段和標準化，④具體目標數(shù)據(jù)（2016年）：拉伸強度3.5 GPa、拉伸模量≥235 GPa和斷裂伸長率≥1.5%。

表1示出該新工藝和以往工藝的生產(chǎn)效率、能耗和CO2排放量的對比。

目前該計劃所達到的研發(fā)實績示于表2。

圖3 黑色碳纖維原絲的紡絲原液、紡出纖維的洗凈和最終碳纖維的截面

圖4 含側(cè)鏈的梯形結(jié)構(gòu)示意圖

表1 新舊兩種碳纖維工藝的綜合對比

表2 日本創(chuàng)新碳纖維基礎技術開發(fā)計劃的研發(fā)業(yè)績

圖5 微波加熱法的碳化基礎技術

該新型聚合物是在衣料用PAN溶液中添加能溶于其中的促進劑和氧化劑，在液體中進行預氧化。由于聚合物含有堿性含氮官能團，且可溶于溶劑中，因此原絲的碳化收率是預氧化PAN纖維的1.5 倍。在拉伸模量與以往PAN-CF相同的情況下，可制得單絲直徑大2 倍以上的碳纖維。由于采用微波對黑原絲進行直接加熱，不需要將碳化爐維持高溫，碳化時間可縮短，能耗少，如圖5所示。采用等離子表面處理，可大幅度簡化工藝，使能耗削減50%。

2.2 低成本快速成型CFRP工藝

為了使CFRP擴大應用于量產(chǎn)車，開發(fā)低成本的CFRP成型新技術和快速成型固化劑很重要。目前用的較成功的是HP-RTM（高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑）法、PCM（預浸料壓縮模塑）法和SMC（片狀模塑物）法，可制成各種復雜形狀的汽車部件，如圖6所示。

最近名古屋大學開發(fā)了LFT-D（長纖維增強熱塑性樹脂）法，是將PAN-CF與尼龍先制成中間基材的方法，而東京大學開發(fā)了采用CTT（帶狀物）、CMT（席狀物）等各種碳纖維形態(tài)的中間基材，直接制成PP復合材料來降低成本，可使車體減質(zhì)量60%。

圖7示出用激光進行碳纖維UD帶進行自動積層的設備和鋪層情況。

在快速成型固化劑方面。無論是熱塑性還是熱固性CFRP，都可實現(xiàn)1～5 min的固化時間，但胺類或酸酐類固化劑的添加質(zhì)量分數(shù)高達30%～50%，條件較苛刻，存在污染問題。

2.3 汽車用動力電池

最典型是Tesla（特斯拉）電動汽車用的三元體系電池，充一次電只需1 h就可續(xù)駛500 km，但仍存在安全問題，需安裝大量充電樁。氫燃料電池已于2015年實現(xiàn)商品化，豐田氫燃料電池汽車裝載70 MPa壓力的CFRP氫氣瓶，可續(xù)駛600 km，需建大量CFRP充電站。石墨烯電池在網(wǎng)上曾廣為傳播，實際上只是在鋰離子電池的電極材料中添加少量石墨烯，據(jù)說充一次電只需8～10 min就可續(xù)駛1 000 km，但遠未產(chǎn)業(yè)化。我國也開發(fā)了各種各樣的新型電池，但沒有一款真正的具有顛覆性的新電池。

2.4 其他

為實現(xiàn)汽車輕量化，對位芳綸輪胎的需求量大增，同時日本在本國銷售的汽車光顯示系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了塑料光纖化。

3 建議應對的創(chuàng)新解決方案

3.1 引進或研發(fā)高效大絲束PAN-CF生產(chǎn)技術和設備

據(jù)了解目前可向我國輸入的大絲束PAN-CF生產(chǎn)裝置，預氧化時間可縮短至10 min，各爐體加熱方式可選用微波，使生產(chǎn)效率提高約5 倍，降低成本約50%～60%。應抓緊研發(fā)上述黑色原絲，以砍掉預氧化工序和設備，爭取5 年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3.2 在汽車塑料或CFRP部件中添加中空微納米陶瓷粉體(HMNCP)

HMNCP是我國獨創(chuàng)的高技術產(chǎn)品，由電廠排放的粉煤灰加工而成，其中微米級圓球狀粉體約60%，納米級約40%，表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈中空結(jié)構(gòu)。圖8示出其外觀。

圖6 汽車前端部件(長碳纖維質(zhì)量分數(shù)20%+PP)

圖7 靠激光進行UD帶自動鋪層

圖8 陶瓷微納米混合粉體外觀

HMNCP經(jīng)表面處理后，曾在56 種各類塑料部件中添加20%～30%，提高了模量、抗沖擊強度、耐磨性、耐腐蝕性、阻燃性等，而成本下降（表面處理品售價5～6 元/kg）。

在寧波博利隆復合材料有限公司做過應用研究，在CFRP的環(huán)氧樹脂中添加入10%～30%經(jīng)活化處理的HMNCP，結(jié)果拉伸強度持平或略有下降，但彎曲模量和抗沖擊強度、阻燃和耐高低溫性等大幅提高，成本大幅下降，這對發(fā)展汽車用CFRP承力件十分重要。在汽車用涂料中添加HMNCF，可增加光潔度、耐劃傷、耐磨、耐腐蝕、耐高低溫、保溫性提高約6 ℃。在汽車輪胎的橡膠中添加HMNCP，可提高耐磨性、耐高低溫性、阻燃性、彈性和壽命。同時可代替碳黑或白碳黑作有色輪胎，售價翻幾倍，而成本下降。在汽車耐熱部件中添加HMNCP，可進一步提高耐熱壽命。

3.3 CFRP快速成型固化劑

我們將引進新型快速成型固化劑BPH，BPH-環(huán)氧樹脂體系是一種低粘度液體，其中BPH質(zhì)量分數(shù)只有1%～4%，在無陽光照射下可儲存6 個月以上。且加工性能好，吸濕性比胺-環(huán)氧樹脂固化劑體系低50%。

采用BPH固化劑-環(huán)氧樹脂體系所加工出的CFRP等復合材料成型品，尺寸精度高，收縮率只有1%～2%，而胺固化劑-環(huán)氧樹脂體系固化后的收縮率為4%～7%，酸酐固化劑-環(huán)氧樹脂體系固化后的收縮率為3%～6%。BPH固化劑與胺類固化劑的加入量與最終復合材料的彎曲強度、彎曲模量和抗沖擊強度3 大重要力學性能指標的對比，詳見表3。

可見，BPH固化劑雖加入量極小，但制成的復合材料3 大重要指標均大大高出不同的胺類固化劑成型品。

3.4 用對位芳綸子午胎逐步取代鋼絲胎

中國化工集團公司已收購了世界3 大輪胎企業(yè)之一的意大利輪胎廠，為今后發(fā)展對位芳綸輪胎以滿足國外日益增長的需求。在國內(nèi)為中藍集團晨光化工研究院有限公司發(fā)展年產(chǎn)萬噸對位芳綸產(chǎn)能提供機遇，并可向國內(nèi)輸入該輪胎，實現(xiàn)汽車輕量化。

我國還有其他4 家同種纖維生產(chǎn)企業(yè)，他們也可與天津輪胎廠等實現(xiàn)芳綸輪胎的國產(chǎn)化。

3.5 今后重點發(fā)展固體釩動力電池

由中德合作研發(fā)的全新VB2-空氣電池，具有設計理念新穎，無需充電，能量密度與功率密度極高（見表4），不存在自燃、爆炸等安全問題，反應產(chǎn)物可回收再生等優(yōu)點。具體簡介如下：其理論能量密度，居各種電池第二位，相當于鋰離子電池的11 倍，意味著今后的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

創(chuàng)新點是將傳統(tǒng)的平板式電池隔膜設計成中空微管膜或中空纖維膜，使單位體積的總膜面積大大擴大，而且微管直徑越小，膜面積越大，反應效率越高，如圖9所示。

表3 彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度3 大重要力學性能指標的對比

為此動力電池體積和質(zhì)量越小，電動汽車的續(xù)駛里程越遠。

表5和圖10示出固體釩電池體積、質(zhì)量與電動汽車續(xù)駛里程的關系。

反應機理是靠比表面積大的VB2納米粉體與空氣中的氧在催化劑的存在下反應產(chǎn)生電流，一個VB2分子能產(chǎn)生11 個電子，而其他已商品化的電池，一個分子只能產(chǎn)生1～2 個電子，因此能量密度極高。反應溫度不超過60 ℃，加上膜材質(zhì)具有耐高低溫、抗燃、電絕緣等優(yōu)良特性，因此不存在安全問題。電池結(jié)構(gòu)被設計成反應器和VB2粉體儲存器，靠小泵將VB2納米粉體打入裝有列管式膜反應器中循環(huán)反應產(chǎn)生電流。因此其電動汽車續(xù)駛500～1 000 km后，無需將電池卸下，只需打開釩粉儲存器頂蓋，用特制吸槍插入容器中，將反應產(chǎn)物（V2O5+B2O3）吸出，再將新VB2置入，換粉時間只需3～5min，電動車又可續(xù)駛。反應產(chǎn)物在特定條件下，可進行可逆反應變回原料，反復循環(huán)使用。

表4 各種主要電池的理論能量密度對比 Wh/kg

圖9 直徑與能量密度的關系曲線

表5 反應器尺寸

圖10 釩粉儲存器尺寸

表6～7分別示出全球各時期動力電池的發(fā)展目標和固體釩電池所達到的能量密度對比。

據(jù)估算，固體釩電池的成本，比同樣能量密度的鋰離子電池低約20%～30%。未來電動汽車的綜合使用成本估算，固體釩電池汽車約比燃油車低40%，而鋰離子電池汽車比燃油車貴68%。

總之，固體釩動力電池具有劃時代意義，未來產(chǎn)業(yè)化后必能引領中國電動車走向世界領先水平。

表6 國內(nèi)外動力電池的研發(fā)目標

表7 固體釩電池的研發(fā)目標

3.6 其他

我國石英光纖和塑料光纖已躍居世界先進水平，完全可以取代進口車所用的光纖顯示系統(tǒng)。同時應加強光纖廠家與國產(chǎn)車廠家的溝通，利用國產(chǎn)光纖配置車內(nèi)的光顯示系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

綜上所述，國家有關部門若能對上述創(chuàng)新建議給予資金和政策上的大力支持，在未來10 年間，就有望使我國汽車產(chǎn)業(yè)邁向世界先進或領先水平。

[1] 編輯部. 革新碳纖維基礎技術的開發(fā)和朝汽車工業(yè)的應用[J]. 化學經(jīng)濟, 2016, (5): 32-37.

[2] 鈴木智史. 碳纖維增強塑料的最近成型技術和裝置[J].塑料時代, 2016, 62(5): 42-49.

[3] Toho Tenax: High efficiency thermoset CFRP production technology[J]. atb, 2015, (1): 12.

[4] 東麗擴充面向汽車CFRP模壓成型材料[N]. 石油化學新聞, 2016, (5 006): 4.

[5] JFE的氫燃料電池用CFRP壓力容器[N]. 石油化學新聞, 2015, (4 970): 20.

[6] 羅益鋒. 大絲束PAN原絲及碳纖維生產(chǎn)裝置考察報告.內(nèi)部資料, 2016.

[7] BPH新型固化劑. 內(nèi)部資料, 2016.

[8] 羅益鋒. 國外新型動力電池最新進展. 內(nèi)部資料, 2016.

The innovation solution of light weight, energy saving and low cost environmental cars

LUO Yi-feng, LUO Xi-min

( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

The 4 major challenges are faced with China’s automobile industry: First is the strengthening of energy saving and environmental protection laws and regulations; second is the general trend of the times for using carbon fiber reinforced plastics (CFRP) car, while the production efficiency of Japanese carbon fiber companies will increase 10 times by using partial preoxidized black precursor fiber, and using microwave for carbonizing and plasma for carbon fiber surface treatment; third is the forming time both for carbon fiber reinforced thermoplastic and thermoset composites have reach 1～3 min respectively; Forth is the gap of innovation development between advanced countries and China in power batteries is increased. So the innovative solutions should be put forward as counter measure: The high efficient and low cost large tow PAN-based carbon fiber production line, which could be increased the production efficiency by 5 times, should be imported from abroad, the R&D of above black PAN precursor should be carried on at the same time; A low cost high speed new forming curing agent for CFRP should be imported from abroad; Add the low price hollow micro-and nano-ceramic powder into car using engineering plastics and CFRP parts in order to decrease the cost to large extent, increase the comprehensive properties and add some functions; Using para-aramid fiber tire instead of stainless steel filament tire; Speed up the pilot experiment and in dustrialization of solid vanadium battery, its theoretical energy density per weight is more than 10 times compared with lithium ion battery, now 400～600 kWh/kg have reached for solidvanadium battery in laboratory, the smaller volume and lighter weight of vanadium battery the longer last run distance for electric car due to it’s entirely new design concept, the battery need bot charge with electricity, no any safety problems, the reactant can be regenerated and reused; Using plastic light transmitting fiber for display system in the car etc. these could make Chinese automobile industry striding toward worlds’ advanced or leading levels.

car; light weight; low cost carbon fiber; ceramic powder; new type battery; new curing agent

TB33; U46

A

1007-9815（2016）05-0001-06

定稿日期:2016-09-15

羅益鋒（1937-），男，浙江寧波人，教授級高工，中心主任，《高科技纖維與應用》雜志主編，中國化纖工業(yè)協(xié)會顧問，波恩項目投資有限公司專家組組長，從事高新技術纖維、復合材料、新能源化工等技術、經(jīng)濟和信息綜合研究，(電子信箱)luoyifengzg@163.com。