高性能纖維：借力搬山 實現(xiàn)低成本應(yīng)用

牛方

對于以碳纖維、芳綸為代表的中國高性能纖維來說，值得贊賞的是，行業(yè)用了短短十年縮短了與發(fā)達(dá)國家近三十年的差距，依靠自主研發(fā)實現(xiàn)了從無到有。然而解決了“有”的問題后，下一步的“量產(chǎn)應(yīng)用”成為了橫立在行業(yè)發(fā)展大道上的一座多年來難以撼動的大山。

以碳纖維為例，輕量化應(yīng)用市場廣闊，然而居高不下的原料成本及制造成本阻礙了下游大量使用碳纖維實現(xiàn)輕量化目的的進程。東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院余木火教授告訴記者：“目前我國碳纖維產(chǎn)能1.5萬噸，產(chǎn)量只有4000噸，開工率20%，企業(yè)虧損的現(xiàn)狀與中國經(jīng)濟地位不匹配?！倍谟y、量產(chǎn)難、開工率低的窘境背后，癥結(jié)的根源就在于“成本高”。

10位院士、88位專家 前瞻未來十年

4月29日，中國工程院召開了《高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究》項目成果發(fā)布會。

作為國家最具權(quán)威的工程戰(zhàn)略咨詢單位，中國工程院環(huán)境與輕紡工程學(xué)部意識到輕量化產(chǎn)業(yè)對于國家能源、環(huán)境、制造業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)和新材料戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要性以及當(dāng)前我國在此領(lǐng)域的嚴(yán)重不足，于2015年確立了《高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究》咨詢項目，項目力圖梳理目前高性能纖維在汽車輕量化領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題、未來戰(zhàn)略、技術(shù)途徑、專項建議等，為高性能纖維在汽車輕量化領(lǐng)域建立具有可行性的操作指南。

中國工程院院士蔣士成在發(fā)布會上表示：“該項目是一個跨學(xué)科、跨行業(yè)的研究項目，由紡織領(lǐng)域院士牽頭，邀請了紡織、汽車、復(fù)合材料、輕工機械等領(lǐng)域院士共同參與，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?！?/p>

整個課題組經(jīng)過了一年多的深入調(diào)研、座談，走訪企業(yè)包括產(chǎn)業(yè)鏈上游碳纖維生產(chǎn)廠家、下游汽車生產(chǎn)企業(yè)，共計10多家。經(jīng)過廣泛討論，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。

在項目最終形成的未來十年發(fā)展戰(zhàn)略中指出：在第一階段，即第一個五年——從2016年到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。在第二階段，即第二個五年——從2020年到2025年，推廣應(yīng)用到整個汽車產(chǎn)業(yè)，爭取使用碳纖維2～3萬噸。碳纖維成本降低50%，零部件制造成本從70%～80%降低到50%。

原料、制造、設(shè)計 三大途徑攻克成本瓶頸

從項目的最終目標(biāo)來看，“成本的降低”是未來十年碳纖維在汽車輕量化應(yīng)用中需要重點解決的問題，正如前文所述，這也是目前碳纖維行業(yè)面臨的最大瓶頸。

毋庸置疑，輕量化對于制造業(yè)各個領(lǐng)域如交通運輸、機械制造、海洋化工都至關(guān)重要，世界各國都高度重視。2015年3月，奧巴馬親自宣布成立了國家輕量化復(fù)合材料研究所，目標(biāo)是發(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。

而在輕量化應(yīng)用中，纖維增強復(fù)合材料是迄今綜合性能最好的材料，在汽車領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣的就是碳纖維。而對于汽車企業(yè)來說，能夠被列為首選材料的首要衡量指標(biāo)就是“成本”。

余木火教授在成果發(fā)布會上代表課題組做匯報時指出：“在中國碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈中，原料成本占比為20%～30%，從碳纖維到零部件的制造成本占到70%～80%，是原材料的3～4倍。”

因此解決復(fù)合材料的成本問題，已經(jīng)不單單是降低碳纖維的成本，還要從零部件的具體生產(chǎn)過程中依靠技術(shù)升級，進行成本壓縮，“降低制造成本比降低碳纖維成本更有空間?！庇嗄净鹫f道。

為此項目組提出了三大工程技術(shù)專項：汽車輕量化復(fù)合材料關(guān)鍵原材料低成本化技術(shù)專項；復(fù)合材料汽車零部件自動化量產(chǎn)制造技術(shù)與裝備專項；輕量化復(fù)合材料汽車及零部件設(shè)計與評價技術(shù)專項。

三大專項，三個著力點，全面發(fā)力試圖攻克碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域內(nèi)的成本瓶頸。

余木火教授表示：“目前我國碳纖維的生產(chǎn)企業(yè)有30多家，基本全部生產(chǎn)小絲束，根本沒有大絲束碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品。”而大絲束的生產(chǎn)模式是降低碳纖維成本的重要途徑，并且在應(yīng)用領(lǐng)域也更受歡迎：“大絲束碳纖維可以將纖維成本降低20%～30%，織物效率更高，鋪層次數(shù)少且滿足量產(chǎn)的節(jié)奏?！庇嗄净鹫f。

而在自動化量產(chǎn)方面，余木火表示：現(xiàn)有復(fù)合材料沿用了航空復(fù)合材料制造技術(shù)，幾十分鐘到幾小時一件，效率太低。未來將從設(shè)計開始，對所有工藝流程、材料、設(shè)備和工裝的開發(fā)均以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零部件為前提。在此基礎(chǔ)上就需要研發(fā)國產(chǎn)的汽車零部件自動化生產(chǎn)線，余木火說：“目前這條生產(chǎn)線德國進口的要3億人民幣。”

充分發(fā)揮“設(shè)計”的力量應(yīng)該是本次項目的重要成果，也是體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈合作的重要方面。以前汽車輕量化都是產(chǎn)業(yè)鏈各自作業(yè)，碳纖維生產(chǎn)廠家不懂車，汽車企業(yè)不了解材料，該課題將整個產(chǎn)業(yè)鏈串了起來，建立了“高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)鏈知識服務(wù)公共平臺”，聚集了整條產(chǎn)業(yè)鏈上36個單位的力量，包括汽車、碳纖維、零部件、中間體等，使得各自工作更有針對性，不再盲目。

產(chǎn)業(yè)鏈合作 必由之路

缺乏產(chǎn)業(yè)鏈合作是高性能纖維行業(yè)和汽車行業(yè)多年來的狀態(tài)，余木火教授告訴記者：“在國外，汽車企業(yè)與碳纖維企業(yè)保持著緊密合作的關(guān)系，比如日產(chǎn)本田和東麗公司、三菱麗陽都保持著緊密的合作關(guān)系，福特汽車和陶氏化學(xué)、通用和日本帝人、寶馬和西格里（SGL）等，未來掌握了碳纖維技術(shù)的汽車企業(yè)才有可能是未來汽車業(yè)的龍頭。”

碳纖維應(yīng)用于汽車輕量化已經(jīng)成功量產(chǎn)并投入市場。2015年寶馬i3，i8電動車成功商業(yè)化，并于近日開幕的2016年北京國際車展作為主力車型亮相，其中i3的廣告語是“天生電動”，i8的廣告語是“讓不可能成為可能”。作為全球品牌，寶馬已經(jīng)開始在中國市場布局高端電動車，僅i3的售價最低也高達(dá)43萬人民幣，余木火說：“中國品牌汽車如果沒有提早布局，有可能會被第二次甩飛?！?/p>

余木火教授表示：“看到碳纖維在汽車輕量化，尤其是新能源汽車領(lǐng)域的廣闊前景，國內(nèi)一大批上市公司開始加入碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，比如精工科技、海源機械、康得新、楚江新材、申達(dá)股份等，這些企業(yè)未來將有可能成為碳纖維規(guī)?；闹髁?。”

而國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)碳纖維車也并非完全空白，2015年奧新新能源汽車公司就成功研發(fā)了國內(nèi)首輛碳纖維新能源汽車，2016年3月通過所有測試，目前正在建設(shè)一條年產(chǎn)2萬輛碳纖維車身的電動車生產(chǎn)線。除此之外，國內(nèi)有的廠家開始使用碳纖維作為零部件進行量產(chǎn)車型的生產(chǎn)，比如北汽、奇瑞、長城等。北汽的一款BJ40汽車就是使用了碳纖維作為發(fā)動機蓋進行量產(chǎn)并投入市場，他也是國內(nèi)第一個使用碳纖維作為零部件的汽車企業(yè)。北京長城華冠汽車目前正在開發(fā)一輛碳纖維車身的純電動跑車，預(yù)計2017年開始量產(chǎn)。奇瑞汽車的一款采用PHEV插電式混合動力車型，其核心優(yōu)勢就在于采用碳纖維復(fù)合材料部件后的車身僅重218千克，相比金屬車身的418千克，減重了48%。

因此目前來看，國內(nèi)外幾乎所有汽車企業(yè)都開展了碳纖維復(fù)合材料汽車或零部件的研發(fā)。在項目形成的院士建議文件中指出：我國汽車保有量約為1.5億輛，70%的成品油用于機動車燃料，預(yù)計到2020年為3億輛，國家能源發(fā)展戰(zhàn)略難以滿足這一增長需求，并且汽車排放造成的霧霾等環(huán)境惡化問題亟待解決，新能源汽車將成為未來的一個重要交通工具，計劃到2020年新能源汽車達(dá)到500萬輛，輕量化技術(shù)是節(jié)能減排、提高電動車?yán)m(xù)航里程的必由之路。

因此項目建議：建立若干“高性能纖維與輕量化產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ獭?，形成產(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。

目前國產(chǎn)碳纖維企業(yè)在穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)、拓展應(yīng)用技術(shù)和裝備的研發(fā)、下游產(chǎn)品的開發(fā)等全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)方面都有了明顯的進步。未來十年將是汽車輕量化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的十年，借著這股力量，國產(chǎn)碳纖維企業(yè)也應(yīng)全情投入到這場戰(zhàn)役中，我們期待在上下游齊心協(xié)力的努力下，共同愿景的驅(qū)動下，國產(chǎn)碳纖維企業(yè)能夠搬掉“高成本”這座大山，實現(xiàn)“低成本、高品質(zhì)”的應(yīng)用，助力中國汽車跟上時代步伐。

新聞鏈接：

2016年4月29日，“高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目成果發(fā)布會在北京召開。中國工程院環(huán)境與輕紡工程學(xué)部蔣士成、郁銘芳、姚穆、俞建勇院士，中國工程院二局高中琪局長，國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)司盧衛(wèi)生副司長，國家工信部消費品司曹學(xué)軍副司長，科技部高新司曹國英副司長，以及來自中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會、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、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會、產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)會、中國紡織科學(xué)院、國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，汽車企業(yè)、碳纖維企業(yè)、復(fù)合材料企業(yè)、相關(guān)高校研究所專家學(xué)者及10多家媒體代表共計80余人參會。

江蘇奧新新能源汽車、北京汽車股份有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司以及吉林化纖有限公司等4家企業(yè)代表分別針對碳纖維在新能源汽車應(yīng)用技術(shù)、碳纖維在量產(chǎn)車的應(yīng)用技術(shù)、碳纖維高效生產(chǎn)技術(shù)、碳纖維原絲規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)做了重點發(fā)言。