高性能纤维：让汽车“飞”起来

刘莉

2015年12月21日，“2015年中国车用纤维新材料及应用重点成果推广活动暨高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究研讨会”在江苏省盐城市召开。

轻量化是汽车技术发展的方向

什么是汽车轻量化？汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制要求的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用来实现产品减重。

为什么要汽车轻量化？由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。从节能和环保看，专家曾以2014年底汽车保有量达到1.54亿辆计算，需要约2.35亿吨的成品油消耗量，不难想象，这当中不但有极大的燃油供应危机，还会产生大量尾气，给大气环境带来很大的污染。

国外有试验表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，车辆每减轻100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。

从消费需求看，人们对汽车的驾驶性、舒适性、多功能性、低油耗等要求越来越高，功能的增加、舒适性等配置的提高，汽车承载的装备也随之增加，必然导致汽车重量的增加、油耗的增加。

从汽车安全性能看，汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻，碰撞时冲击能量越小，车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小，汽车对乘员的保护性能越好、越安全。

从全球低碳经济进程看，汽车的轻量化、采用新能源汽车是应对全球气候变化、保障能源供应的重要手段。

由此可见，汽车轻量化是汽车技术发展的一个大方向，即便是在新能源动力时代，轻量化技术也是新能源车车身设计所必须考虑的第一要务。

高性能纤维及其复合材料为汽车轻量化插上翅膀

采用轻量化材料是汽车轻量化发展的主要方向。碳纤维复合材料因其轻质、高强等优异的综合性能，在汽车领域得到越来越广泛的应用。高性能纤维中的碳纤维及复合材料、芳纶1414、芳纶纸蜂窝夹层复合材料等是实现轻量化的关键材料。

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90% 以上，每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5 至8 微米，24K 以下为小丝束。它比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7～9倍，在2000℃以上的高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。碳纤维不仅具有材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。轻质、高强、可设计让碳纤维成为未来汽车轻量化的重要途径。

碳纤维增强树脂复合材料，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9 倍，抗拉弹性模量为230Gpa～430Gpa 亦高于钢。

传统汽车钢铁材料约占车体重的3/4，而用碳纤维复合材料制造的车身和底盘可以减重40%～60%，相当于钢结构的1/3～1/6，但其抗拉强度却是同等截面钢材的7～10倍。

对位芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，它具有优异的物理机械性能、热稳定性、阻燃性及优良的电绝缘性能等，其强度是优质钢材的5～6倍，模量是钢材的2～3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5。其连续使用温度范围极宽，在-196℃～204℃范围内可长期正常运行，在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解不熔化，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，使用周期很长，因而赢得“合成钢丝”的美誉。

芳纶纸蜂窝夹层复合材料是运载火箭、大飞机、高速列车等国家重大工程迫切需求的战略材料。近几年，芳纶纸蜂窝大量应用于高速列车的地板、车厢壁板、天花板、车门等部件，是实现高速列车、地铁、有轨电车等车辆轻量化的关键材料。

我国目前高性能纤维的研发和应用

我国高性能纤维真正的发展是在近10年，经过10年的探索和发展，我国取得了显著的成绩，缩短了与发达国家近30多年的差距，目前高性能纤维品种齐全，个别产品已达到国际水平，打破了国外的垄断与封锁，为下游行业使用国产高性能纤维提供了战略性机遇。

目前，高性能纤维及复合材料生产企业与终端应用企业需要更有效的沟通融合、协同发展，因此，提高上下游之间的相互交流，协作研发尤为重要。“十二五”期间，“高性能纤维与汽车轻量化”中国工程院咨询研究项目的开展，干喷湿纺碳纤维高效生产技术、大丝束低成本碳纤维产业化、芳纶与轻量化蜂窝结构产业化，以及碳纤维多轴向织物及热塑性复合材料等突破性进展，为我国汽车轻量化进程迈出了关键的一步。

1.中国工程院咨询研究项目：“高性能纤维与汽车轻量化”。“高性能纤维与汽车轻量化”中国工程院咨询项目是由蒋士成、孙晋良、俞建勇3位院士共同主持的。项目致力于通过调研国内外高性能纤维及其轻量化技术相关应用产业（如汽车、高铁轻轨、航空航天、电力等领域）的科技发展环境、现状及发展趋势，分析国内外发展差距和存在问题，为国家相关部门提供科技创新咨询研究，助力推动建立我国自己的高性能纤维及轻量化技术产业链。

从项目建立至今，召开了三次大型学术研讨会，在高性能纤维及复合材料生产、材料设计、汽车设计与制造、汽车产业联盟、飞机制造等领域进行了多次调研活动和问卷调查，业内已达成了初步认识，一致认为轻量化是制造业核心技术之一，高性能纤维及其复合材料是轻量化有效工程途径，在制造业中有望大规模推广应用等。对于未来加速高性能纤维在汽车轻量化上的应用提出了建立汽车轻量化高性能纤维与复合材料产业链示范工程，建立高性能纤维与复合材料轻量化技术科技研发体系，提高轻量化创新能力等建议。

2.奥新碳纤维车身电动汽车研发及其生产线。奥新新能源汽车公司采用新材料、新技术、新工艺已试制成功的产品有纯电动和插电式增程型乘用车、商用车、厢式车、环卫车、观光车及多款传统专用扫路车和电机及整车控制器等10多个品种。轻量化纯电动车技术水平和经济性处于国内领先地位。

江苏奥新新能源汽车有限公司总经理史践介绍：奥新新能源汽车公司在国内首创自制装备年产过万辆的碳纤维复合材料HP-RTM 热固成型工艺系统，第一个正向开发双叉臂式悬挂高强度铝合金桁架结构纯电驱动底盘。HP-RTM（高压真空辅助模压成型）工艺的采用，实现大批量流水节拍快的生产，克服了单纯用RTM工艺只能单件小批量生产、节拍慢的弊端，可以取消前处理和中涂等传统涂装工艺，使电动汽车生产更加节能和环保。

2015年1月，我国首辆碳纤维新能源汽车在奥新成功下线。创造了三个第一：中国第一个碳纤维电动汽车制造工厂；中国第一条电动汽车铝合金底盘机器人焊接线；中国第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线。

目前奥新已初步建成两万辆电动整车项目，在建5万辆碳纤维整车项目。未来公司将加强全球市场的推广应用，着力打造新能源汽车全产业链，使得奥新品牌从起步之时就能立足于世界新能源汽车市场。

3.海源碳纤维复合材料微型汽车研发及其生产。福建海源新材料科技有限公司是一家全球先进的新一代复合材料产品及应用方案提供商，始终坚持“创新材料、绿色节能”的经营理念，公司已掌握碳纤维车身件快速成型工艺及装备的核心技术，有望成为全球第二家推出碳纤维模压生产线供应商。

福建海源新材料科技有限公司总经理蒋顶峰介绍：公司立足于自身在复合材料工艺技术和装备的核心优势，瞄准新能源汽车碳纤维轻量化的机遇，投入大量资金立项“新能源汽车碳纤维车身部件生产工艺技术及生产线装备的研发及产业化项目”“新能源汽车碳纤维车身部件生产示范项目”，预计在2017年将有3～4条具有国际先进水平的全自动大批量碳纤维车身零部件生产线先后竣工投产。

海源MCEV整体碳纤维车身重量仅为64kg，比传统同类型金属车身减重60%左右；概念样车整备质量仅为610kg（24kWh）。 在研制过程中对碳纤维材料的工艺特性、力学性能、成型工艺、加工工艺、粘接性能、油漆以及进行车身结构CAE静态特性分析和自由模态分析等进行了一系列科学实验，积累了大量的科学数据。

4.干喷湿纺碳纤维高效生产技术。干喷湿纺原丝表面缺陷少、界面规整、结构致密、抗拉强度高，可制备出优良力学性能和工艺性能的碳纤维，干喷湿纺是实现碳纤维低成本的重要途径。

中复神鹰碳纤维有限责任公司总经理刘芳介绍：中复神鹰在国内率先建成了基于干喷湿纺工艺的碳纤维生产线，其中SYT49（相当于东丽的T700S）为千吨级规模（12K）、SYT55（相当于东丽的T800S）为百吨级规模（12K），实现了连续稳定运行，产品性能达到了国际同类产品的水平。

中复神鹰拥有12000t/a聚丙烯腈原丝生产能力和5000t/a碳纤维生产能力，其中干喷湿纺碳纤维产能为2200t/a，计划到2016年建成碳纤维产能6000t。未来，公司将继续提高纺丝速度，在12K基础上推出24K大丝束产品，不断提高预氧化炉处理能力，开发新的上浆剂，进一步向织物制备工艺、碳纤维热塑性预浸料制备工艺、碳纤维增强热塑性短切粒子制备工艺等汽车上的应用技术开发。

5.大丝束低成本碳纤维产业发展现状。降低成本是碳纤维及复合材料发展的关键，无论从经济角度，还是从推动产业升级角度来说，都要靠大丝束碳纤维，这是提高碳纤维复合材料用量的重要一环。

吉林碳谷碳纤维股份有限公司处长王继军介绍：吉林碳谷碳纤维股份有限公司自主研发出DMAC溶剂、湿法两步法生产碳纤维原丝生产技术，其特点是工艺流程短、聚合反应速度快、质量稳定、产量高、成本低，是国内首创。产品主要规格为1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维原丝。在低成本、大丝束碳纤维生产和应用中，要特别注意水洗效果，处理好上油、缠辊等问题。公司原丝产能5000吨/年，是目前全国最大的碳纤维原丝生产企业，新开发的碳纤维布已经销往国外市场；近年正式上线的碳化项目，预计2016年投产，届时，碳谷公司碳纤维产品链条完整，将会为市场提供更多质量稳定的产品。

6.芳纶及碳纤维复合材料。对位芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有优异的物理机械性能、热稳定性、阻燃性及优良的电绝缘性能等。目前，河北硅谷自主研发、自行设计、用国产设备、用国产原料生产出高性能芳纶，成功实现了芳纶连续规模化生产，产品性能达到国际先进水平，并在实现产业化生产的基础上，提高、稳定了芳纶1414纤维的产品质量，达到替代同类进口产品的技术要求。

河北硅谷化工有限公司副总经理李东风介绍：硅谷生产的AFS920、AFS940系列产品，成功实现了高性能芳纶纤维的国产化。经权威机构检测，其产品性能与美国杜邦的对位芳纶K49、K29相当，达到国际先进水平。该技术产业化生产，打破了国外多年来的技术垄断，实现了我国独立的对位芳纶技术和产业的跨越式发展。

7.碳纤维多轴向织物及热塑性复合材料现状。复合材料在汽车工业中的优势体现在比模量、比强度高，可设计性好，破损安全性能高、耐高温烧蚀性好，耐疲劳性能好，减震性好，工艺性好，整体性好。

常州宏发纵横新材料科技股份有限公司总经理谈昆伦介绍：宏发纵横是专业的高性能纤维经编增强新材料和热塑性复合材料的生产商，是国内最早进入高性能纤维经编增强新材料的公司之一。公司生产的玻纤、碳纤、芳纶、超高强聚乙烯等高性能纤维多轴向产品可根据合作客户要求的规格或技术要求来设计生产，并可以对各类纤维进行混编、混铺。采用碳纤维多轴向经编织物和真空灌注工艺生产箱体，比传统材料减重35%以上，使用寿命延长2倍以上，是解决汽车车身等轻量化的理想选择。

轻量模块复合材料大巴，其复合材料部件采用宏发纵横提供的高性能纤维经编增强材料，与普通大巴相比，整车减重近40%，车身的结构刚度等同于钢结构，耐腐蚀和防火安全性能、耐候性更好。