汽车轻量化，高性能纤维机会来了

郝杰

去年的12月21日，纺织业的六位院士一起出现在江苏奥新新能源汽车有限公司的展厅，面前是我国首辆具有自主知识产权的碳纤维电动汽车。相比同类汽车，采用碳纤维车重减轻了50%、零部件减少了40%，亲眼看到碳纤维汽车，院士们感到很振奋。而就在那几天，北京等地正遭受着严重雾霾的侵袭，汽车尾气排放无疑是造成雾霾的元凶之一。

汽车在人们的生活中是不可或缺的交通工具，但汽车在给人们带来交通便利的同时，也带来了环境污染和能源消耗等问题，为了应对这些问题，节能减排已经成为汽车工业的重要研究课题。数据显示，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，二氧化碳排放可减少约10克/公里。因此，基于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车业发展的潮流。

而轻质高强纤维材料的应用是车辆减少燃料消耗、降低污染排放的有效途径，以高性能纤维及复合材料为代表的轻量化纤维材料制造技术正逐渐成为未来市场竞争的核心技术。

高性能纤维的机会来了。在12月21日举行的“纺织之光”中国车用纤维新材料及应用重点成果现场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讨会上，中国纺织工业联合会副会长兼秘书长高勇指出，纺织工业在“十一五”、“十二五”期间承担了很多国家支持的新材料工程开发项目，经过两个五年的攻关，如今陆续进入了产业化阶段。过去在新材料领域的空白，已经基本得到填补，特别是碳纤维、芳纶、聚酰亚胺、聚苯硫醚等高性能纤维大部分实现了产业化应用，取得了丰硕成果。他强调，面对“十三五”，国家对新材料的支持重点发生重大改变，从过去支持新材料转变到扶持高端材料产业，产业化应用成为重点。新能源汽车轻量化是国家重点支持的项目，这为高性能纤维和复合材料的应用提供了广阔空间。

六院士领衔助推高性能纤维应用

在同一场合，纺织业内六位院士同时到场的情况并不多见，这是由于“高性能纤维与汽车轻量化技术发展”这一话题，引起了郁铭芳、周翔、蒋士成、孙晋良、姚穆、俞建勇六位院士的极大关注。去年3月，中国工程院专门启动了“高性能纤维与汽车轻量化技术科技创新发展战略研究”咨询项目，目前已经进行了大量文献资料收集，从对专家和企业高层人员问卷调查访问，到有关高性能纤维、复合材料、汽车及飞机高铁等制造企业实地考察，进行了调研和座谈等一系列活动，预计今年一季度即将结题。

蒋士成介绍说，轻量化是制造业提高科技水平和竞争力的核心技术之一，高性能纤维增强复合材料是轻量化的有效途径。轻量化技术也是“中国制造2025”的重点领域。高性能纤维增强复合材料可以部分代替金属材料，而且近年来发展迅猛，正在推广应用到飞机、汽车、高铁、电力能源、机器人、建筑、化工与海洋工程等制造业各个领域，将显著提高制造业科技水平和竞争力。汽车是我国支柱产业，迫切需要节能减排技术，轻量化是节能减排的最有效途径。我国几乎所有汽车主机厂都在开展碳纤维复合材料汽车研发和制定轻量化技术应用的规划。

蒋士成在指出高性能纤维领域不足时说，我国高性能纤维与复合材料轻量化技术产业已经初步建立，但制造业终端应用技术滞后，一般制造业领域缺乏复合材料结构设计能力，应用国产碳纤维不多，国内碳纤维生产线开工率低，影响质量稳定性和生产成本，终端客户更无法使用，大多集中于小丝束碳纤维，市场容量有限，生产企业亏损严重。

对于近一年来，高性能纤维轻量化技术的进展，东华大学教授余木火认为，首先，一年前提到轻量化技术，大家会产生不少疑问，如今情况已经发生根本变化，高性能纤维与复合材料是轻量化工程化的有效途径，在制造业中有望大规模推广应用，从政府到企业必须立即采取行动。汽车行业是轻量化技术应用发展最快的行业，谁掌握了碳纤维谁就是未来汽车企业的龙头。第二，以前汽车领域的人不熟悉复合材料，材料领域的人不懂汽车，目前这种状况在不断改变，未来汽车行业通过这种改变将形成正向开发能力。第三，我国还正在制定高铁的轻量化计划，令人鼓舞。第四，碳纤维要在工业上应用必须要实现低成本化、大规模化，一个型号的车型上市就会拉动上千吨碳纤维供应，但国内大多是小丝束生产，市场有限，大丝束从原丝、氧化碳化、织物到高速自动化成型设备也有企业在涉足。第五，零部件自动化快速量产技术有所突破。第六，一体化成型技术也取得进展。

对于高性能纤维与复合材料轻量化产业的发展，余木火建议，首先要建设示范工程，该工程要形成从上游到终端应用的闭环机制，使得产业链各环节都能提高开工率，通过政策支持使产业链各环节产生利润，从而建立高性能纤维在制造业中应用的循环体系，树立行业信心，培育一种盈利模式，提高纤维质量，降低成本，拓展高性能纤维在其他领域的应用。第二，依靠国家支持，集中资源，集中终端用户，培育万吨级高性能纤维龙头企业。第三，建立面向产业的知识库平台、面向关键技术和人才培养的工程实验室。第四，在有条件的地方建立产业园区，通过园区聚集人才。

2万辆汽车可带动千吨级碳纤维生产线

目前，我国也有一些企业开始探索碳纤维及其复合材料在汽车方面的应用。奥新新能源汽车有限公司是专业从事纯电动和增程式纯电驱动车辆研发、生产和销售的高新技术企业，已成功研发出纯电动轿车、纯电动货车等多款车型，广泛应用于城市短途代步、物流、邮政、环卫等领域。去年1月，我国首辆碳纤维新能源汽车在奥新成功问世。公司总经理史践说，电动企业最大的问题是“跑不快，跑不远，能耗高”，主要原因是化学电池与液体燃料相比能量不高，因此，电动汽车第一要素就是解决轻量化问题，即重量问题。电池占整车质量的30%以上，所以复合材料是电动汽车减重的最佳出路，可以有效平衡电池所增加的重量。碳纤维复合材料是新能源汽车的必然选择，碳纤维是轻量化材料中唯一能使零部件减重一半以上的材料，也是传统汽车减重、实现燃油减耗的重要措施。汽车企业愿意与高性能纤维企业联合，从新能源汽车入手，把高性能纤维用量做起来。

史践认为，下一步还要解决一些共性问题，比如碳纤维的结构设计、数据库建立、成型、加工、粘接、涂装工艺，可循环利用技术、可修补技术等。还要由汽车企业和高性能纤维企业共同建立起公共研发、检测平台和标准体系。

对于碳纤维的需求，史践坦言“大丝束太少了”，24K是大丝束的边界，24K以上才能更好地满足需求，降低成本。他给碳纤维企业描述了乐观的前景，汽车是大批量生产的产业，可以拉动高性能纤维连续满负荷的生产，公司将在原来热固成型年产千辆级基础上达到2万辆能力，未来底盘也有望采用碳纤维复合材料。2万辆汽车产量即可以带动一个千吨级碳纤维生产线。中国新能源汽车2020年要达到500万辆，车用复合材料大有可为。

高性能纤维企业齐发力满足汽车轻量化需求

对于如何降低碳纤维生产成本，中复神鹰碳纤维有限公司总经理刘芳认为，在碳纤维的生产成本中，原丝成本占到总成本的70%左右，因此低成本的原丝制备技术是碳纤维低成本化的重要途径。干喷湿纺丝喷丝板孔径大，单位时间供浆量多，在空气段可实现数倍正牵伸，纺丝速度在300m/min以上，是湿纺4倍以上。在同样幅宽的设备上，产能是湿纺生产线的2倍以上，生产效率高，单位成本可降低10%。截至2015年底，中复神鹰共销售各类碳纤维7000余吨，从2013年起主要以干喷湿纺碳纤维为主。未来低成本实现路径主要靠提高纺丝速度，以及增大纺丝丝束从12K到24K，并与国内厂家进行多轴向织物制备工艺开发，拓展碳纤维在汽车上的应用。

吉林碳谷公司的碳纤维原丝生产技术曾经获得纺织之光科技一等奖，据吉林碳谷公司负责人王继军介绍，目前公司已经有1K～24K、48K 碳纤维原丝的生产能力。主要通过增加纺位数量、提高纺丝速度、提高总旦数等方法降低生产成本，往往是二或三种方法同时使用。他认为，未来几年中国四大产业将带动碳纤维市场强势增长，分别是汽车轻量化、高速铁路领域、海上风力发电、大飞机项目。他同时认为，碳纤维复合材料在汽车工业中应用需要解决的问题首先是理念问题，复合材料不应作为金属材料的替代材料，重点在于碳纤维复合材料在汽车上应用的系统解决方案。此外，复合材料供应商要与汽车制造企业一起创新战略合作模式，发展低成本材料，开发大丝束碳纤维及其织物，并拿出有吸引力的价格。

常州宏发纵横新材料科技股份有限公司采用轻量化复合材料制造出第一辆模块化大巴，公司总经理谈昆仑说，采用复合材料制造减少了模具投资，取消了原有的大型装配车间，以及焊接、酸洗、涂装的投资，零配件可在异地组装，2天即可组装一辆车。宏发纵横采用展纤、混编、预定型、高压快速成型、高性能低成本装备等技术实现了低成本制造。

河北硅谷新材料有限公司的“高模量芳纶产业化关键技术及其装备国产化”项目曾获2014年纺织之光科技一等奖，公司还成功突破了碳纤维复合芯生产的壁垒，设计生产了新型碳纤维复合材料导线芯，并实现了产业化，引发输电领域的革命。公司副总经理李东风对未来充满希望，他说，尽管芳纶纤维和碳纤维目前实现盈利还很难，但公司将一如既往加大投入，大力发展碳纤维和芳纶纤维下游产品，推进碳纤维和芳纶纤维的发展。

碳纤维与汽车轻量化技术的发展离不开设备制造企业的努力，福建海源自动化机械股份有限公司是一家装备制造企业，公司瞄准新能源汽车碳纤维轻量化的机遇，决心整合国内外先进资源，为中国新能源汽车产业提供碳纤维汽车车身轻量化的整体解决方案。公司顾问蒋鼎丰介绍，公司投资62亿元开发“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”，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竣工投产。