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特別推薦：高性能纖維復(fù)合材料—讓汽車“飛”起來

2016-02-19 18:12:45 作者：本網(wǎng)整理來源：

2015年12月21日，“2015年中國車用纖維新材料及應(yīng)用重點(diǎn)成果推廣活動(dòng)暨高性能纖維與汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略研究研討會(huì)”在江蘇省鹽城市召開。

中國工程院咨詢研究項(xiàng)目“高性能纖維與汽車輕量化”致力于通過調(diào)研國內(nèi)外高性能纖維及其輕量化技術(shù)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)（如汽車、高鐵輕軌、航空航天、電力等領(lǐng)域）的科技發(fā)展環(huán)境、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，助力推動(dòng)建立我國自己的高性能纖維及輕量化技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。突破干噴濕紡碳纖維高效生產(chǎn)技術(shù)、大絲束低成本碳纖維產(chǎn)業(yè)化、芳綸與輕量化蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化，以及碳纖維多軸向織物及熱塑性復(fù)合材料等性進(jìn)展，為我國汽車輕量化進(jìn)程邁出了關(guān)鍵的一步。

高性能纖維復(fù)合材料

從項(xiàng)目建立至今，召開了三次大型學(xué)術(shù)研討會(huì)，在高性能纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)、材料設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)與制造、汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、飛機(jī)制造等領(lǐng)域進(jìn)行了多次調(diào)研活動(dòng)和問卷調(diào)查，業(yè)內(nèi)已達(dá)成了初步認(rèn)識(shí)，一致認(rèn)為輕量化是制造業(yè)核心技術(shù)之一，高性能纖維及其復(fù)合材料是輕量化有效工程途徑，在制造業(yè)中有望大規(guī)模推廣應(yīng)用等。對(duì)于未來加速高性能纖維在汽車輕量化上的應(yīng)用提出了建立汽車輕量化高性能纖維與復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ蹋⒏咝阅芾w維與復(fù)合材料輕量化技術(shù)科技研發(fā)體系，提高輕量化創(chuàng)新能力等建議。

碳纖維復(fù)合材料汽車

為什么要汽車輕量化？

國外有試驗(yàn)表明，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；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，車輛每減輕100公斤，二氧化碳排放可減少約5克/公里。

從汽車安全性能看，汽車碰撞時(shí)的沖擊能量與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下汽車越輕，碰撞時(shí)沖擊能量越小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對(duì)乘員的保護(hù)性能越好、越安全。

從全球低碳經(jīng)濟(jì)進(jìn)程看，汽車的輕量化、采用新能源汽車是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障能源供應(yīng)的重要手段。

高性能纖維及其復(fù)合材料為汽車輕量化插上翅膀

采用輕量化材料是汽車輕量化發(fā)展的主要方向。碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異的綜合性能，在汽車領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。高性能纖維中的碳纖維及復(fù)合材料、芳綸1414、芳綸紙蜂窩夾層復(fù)合材料等是實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵材料。

碳纖維

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90% 以上，每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5 至8 微米，24K 以下為小絲束。它比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度是鋼的7~9倍，在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)讓碳纖維成為未來汽車輕量化的重要途徑。

碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9 倍，抗拉彈性模量為230Gpa~430Gpa 亦高于鋼。傳統(tǒng)汽車鋼鐵材料約占車體重的3/4，而用碳纖維復(fù)合材料制造的車身和底盤可以減重40%~60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)的1/3~1/6，但其抗拉強(qiáng)度卻是同等截面鋼材的7~10倍。

1.芳綸纖維——享有“合成鋼絲”的美譽(yù)

對(duì)位芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，它具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性及優(yōu)良的電絕緣性能等，其強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的5~6倍，模量是鋼材的2~3倍，韌性是鋼材的2倍，而重量僅為鋼材的1/5。其連續(xù)使用溫度范圍極寬，在-196℃~204℃范圍內(nèi)可長期正常運(yùn)行，在150℃下的收縮率為0，在560℃的高溫下不分解不熔化，且具有良好的絕緣性和抗腐蝕性。

芳綸紙蜂窩夾層復(fù)合材料是運(yùn)載火箭、大飛機(jī)、高速列車等國家重大工程迫切需求的戰(zhàn)略材料。近幾年，芳綸紙蜂窩大量應(yīng)用于高速列車的地板、車廂壁板、天花板、車門等部件，是實(shí)現(xiàn)高速列車、地鐵、有軌電車等車輛輕量化的關(guān)鍵材料。

2.芳綸及碳纖維復(fù)合材料

對(duì)位芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性及優(yōu)良的電絕緣性能等。目前，河北硅谷自主研發(fā)、自行設(shè)計(jì)、用國產(chǎn)設(shè)備、用國產(chǎn)原料生產(chǎn)出高性能芳綸，成功實(shí)現(xiàn)了芳綸連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高、穩(wěn)定了芳綸1414纖維的產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到替代同類進(jìn)口產(chǎn)品的技術(shù)要求。河北硅谷化工有限公司副總經(jīng)理李東風(fēng)介紹：硅谷生產(chǎn)的AFS920、AFS940系列產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)了高性能芳綸纖維的國產(chǎn)化。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，其產(chǎn)品性能與美國杜邦的對(duì)位芳綸K49、K29相當(dāng)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，打破了國外多年來的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國獨(dú)立的對(duì)位芳綸技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

3.碳纖維多軸向織物及熱塑性復(fù)合材料

復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在比模量、比強(qiáng)度高，可設(shè)計(jì)性好，破損安全性能高、耐高溫?zé)g性好，耐疲勞性能好，減震性好，工藝性好，整體性好。

常州宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司總經(jīng)理談昆倫介紹：宏發(fā)縱橫是專業(yè)的高性能纖維經(jīng)編增強(qiáng)新材料和熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)商，是國內(nèi)最早進(jìn)入高性能纖維經(jīng)編增強(qiáng)新材料的公司之一。公司生產(chǎn)的玻纖、碳纖、芳綸、超高強(qiáng)聚乙烯等高性能纖維多軸向產(chǎn)品可根據(jù)合作客戶要求的規(guī)格或技術(shù)要求來設(shè)計(jì)生產(chǎn)，并可以對(duì)各類纖維進(jìn)行混編、混鋪。采用碳纖維多軸向經(jīng)編織物和真空灌注工藝生產(chǎn)箱體，比傳統(tǒng)材料減重35%以上，使用壽命延長2倍以上，是解決汽車車身等輕量化的理想選擇。

輕量模塊復(fù)合材料大巴，其復(fù)合材料部件采用宏發(fā)縱橫提供的高性能纖維經(jīng)編增強(qiáng)材料，與普通大巴相比，整車減重近40%，車身的結(jié)構(gòu)剛度等同于鋼結(jié)構(gòu)，耐腐蝕和防火安全性能、耐候性更好。

4.奧新碳纖維車身電動(dòng)汽車研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)

奧新新能源汽車公司采用新材料、新技術(shù)、新工藝已試制成功的產(chǎn)品有純電動(dòng)和插電式增程型乘用車、商用車、廂式車、環(huán)衛(wèi)車、觀光車及多款傳統(tǒng)專用掃路車和電機(jī)及整車控制器等10多個(gè)品種。輕量化純電動(dòng)車技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。江蘇奧新新能源汽車有限公司總經(jīng)理史踐介紹：奧新新能源汽車公司在國內(nèi)首創(chuàng)自制裝備年產(chǎn)過萬輛的碳纖維復(fù)合材料HP-RTM 熱固成型工藝系統(tǒng)，第一個(gè)正向開發(fā)雙叉臂式懸掛高強(qiáng)度鋁合金桁架結(jié)構(gòu)純電驅(qū)動(dòng)底盤。HPRTM（高壓真空輔助模壓成型）工藝的采用，實(shí)現(xiàn)大批量流水節(jié)拍快的生產(chǎn)，克服了單純用RTM工藝只能單件小批量生產(chǎn)、節(jié)拍慢的弊端，可以取消前處理和中涂等傳統(tǒng)涂裝工藝，使電動(dòng)汽車生產(chǎn)更加節(jié)能和環(huán)保。

2015年1月，我國首輛碳纖維新能源汽車在奧新成功下線。創(chuàng)造了三個(gè)第一：中國第一個(gè)碳纖維電動(dòng)汽車制造工廠；中國第一條電動(dòng)汽車鋁合金底盤機(jī)器人焊接線；中國第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產(chǎn)線。

目前奧新已初步建成兩萬輛電動(dòng)整車項(xiàng)目，在建5萬輛碳纖維整車項(xiàng)目。未來公司將加強(qiáng)全球市場的推廣應(yīng)用，著力打造新能源汽車全產(chǎn)業(yè)鏈，使得奧新品牌從起步之時(shí)就能立足于世界新能源汽車市場。

5.海源碳纖維復(fù)合材料微型汽車研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)

福建海源新材料科技有限公司是一家全球先進(jìn)的新一代復(fù)合材料產(chǎn)品及應(yīng)用方案提供商，始終堅(jiān)持“創(chuàng)新材料、綠色節(jié)能”的經(jīng)營理念，公司已掌握碳纖維車身件快速成型工藝及裝備的核心技術(shù)，有望成為全球第二家推出碳纖維模壓生產(chǎn)線供應(yīng)商。

福建海源新材料科技有限公司總經(jīng)理蔣頂峰介紹：公司立足于自身在復(fù)合材料工藝技術(shù)和裝備的核心優(yōu)勢(shì)，瞄準(zhǔn)新能源汽車碳纖維輕量化的機(jī)遇，投入大量資金立項(xiàng)“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(xiàng)目”“新能源汽車碳纖維車身部件生產(chǎn)示范項(xiàng)目”，預(yù)計(jì)在2017年將有3~4條具有國際先進(jìn)水平的全自動(dòng)大批量碳纖維車身零部件生產(chǎn)線先后竣工投產(chǎn)。

海源MCEV整體碳纖維車身重量僅為64kg，比傳統(tǒng)同類型金屬車身減重60%左右；概念樣車整備質(zhì)量僅為610kg（24kWh）。在研制過程中對(duì)碳纖維材料的工藝特性、力學(xué)性能、成型工藝、加工工藝、粘接性能、油漆以及進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)CAE靜態(tài)特性分析和自由模態(tài)分析等進(jìn)行了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，積累了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。

6.干噴濕紡碳纖維高效生產(chǎn)技術(shù)

干噴濕紡原絲表面缺陷少、界面規(guī)整、結(jié)構(gòu)致密、抗拉強(qiáng)度高，可制備出優(yōu)良力學(xué)性能和工藝性能的碳纖維，干噴濕紡是實(shí)現(xiàn)碳纖維低成本的重要途徑。

中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司總經(jīng)理劉芳介紹：中復(fù)神鷹在國內(nèi)率先建成了基于干噴濕紡工藝的碳纖維生產(chǎn)線，其中SYT49（相當(dāng)于東麗的T700S）為千噸級(jí)規(guī)模（12K）、SYT55（相當(dāng)于東麗的T800S）為百噸級(jí)規(guī)模（12K），實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品性能達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的水平。

中復(fù)神鷹擁有12000t/a聚丙烯腈原絲生產(chǎn)能力和5000t/a碳纖維生產(chǎn)能力，其中干噴濕紡碳纖維產(chǎn)能為2200t/a，計(jì)劃到2016年建成碳纖維產(chǎn)能6000t。未來，公司將繼續(xù)提高紡絲速度，在12K基礎(chǔ)上推出24K大絲束產(chǎn)品，不斷提高預(yù)氧化爐處理能力，開發(fā)新的上漿劑，進(jìn)一步向織物制備工藝、碳纖維熱塑性預(yù)浸料制備工藝、碳纖維增強(qiáng)熱塑性短切粒子制備工藝等汽車上的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

7.大絲束低成本碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展

降低成本是碳纖維及復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵，無論從經(jīng)濟(jì)角度，還是從推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)角度來說，都要靠大絲束碳纖維，這是提高碳纖維復(fù)合材料用量的重要一環(huán)。

吉林碳谷碳纖維股份有限公司處長王繼軍介紹：吉林碳谷碳纖維股份有限公司自主研發(fā)出DMAC溶劑、濕法兩步法生產(chǎn)碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)，其特點(diǎn)是工藝流程短、聚合反應(yīng)速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)量高、成本低，是國內(nèi)首創(chuàng)。產(chǎn)品主要規(guī)格為1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纖維原絲。在低成本、大絲束碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用中，要特別注意水洗效果，處理好上油、纏輥等問題。公司原絲產(chǎn)能5000噸/年，是目前全國最大的碳纖維原絲生產(chǎn)企業(yè)，新開發(fā)的碳纖維布已經(jīng)銷往國外市場；近年正式上線的碳化項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2016年投產(chǎn)，屆時(shí)，碳谷公司碳纖維產(chǎn)品鏈條完整，將會(huì)為市場提供更多質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。

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