高性能纖維：讓汽車“飛”起來

劉莉

2015年12月21日，“2015年中國車用纖維新材料及應用重點成果推廣活動暨高性能纖維與汽車輕量化技術創新發展戰略研究研討會”在江蘇省鹽城市召開。

輕量化是汽車技術發展的方向

什么是汽車輕量化？汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結構輕量化設計技術與多種輕量化材料、輕量化制造技術集成應用來實現產品減重。

為什么要汽車輕量化？由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。從節能和環?？?，專家曾以2014年底汽車保有量達到1.54億輛計算，需要約2.35億噸的成品油消耗量，不難想象，這當中不但有極大的燃油供應危機，還會產生大量尾氣，給大氣環境帶來很大的污染。

國外有試驗表明，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。

從消費需求看，人們對汽車的駕駛性、舒適性、多功能性、低油耗等要求越來越高，功能的增加、舒適性等配置的提高，汽車承載的裝備也隨之增加，必然導致汽車重量的增加、油耗的增加。

從汽車安全性能看，汽車碰撞時的沖擊能量與汽車的質量成正比。在同等條件下汽車越輕，碰撞時沖擊能量越小，車身結構的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對乘員的保護性能越好、越安全。

從全球低碳經濟進程看，汽車的輕量化、采用新能源汽車是應對全球氣候變化、保障能源供應的重要手段。

由此可見，汽車輕量化是汽車技術發展的一個大方向，即便是在新能源動力時代，輕量化技術也是新能源車車身設計所必須考慮的第一要務。

高性能纖維及其復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展的主要方向。碳纖維復合材料因其輕質、高強等優異的綜合性能，在汽車領域得到越來越廣泛的應用。高性能纖維中的碳纖維及復合材料、芳綸1414、芳綸紙蜂窩夾層復合材料等是實現輕量化的關鍵材料。

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，抗拉強度是鋼的7～9倍，在2000℃以上的高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。碳纖維不僅具有材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。輕質、高強、可設計讓碳纖維成為未來汽車輕量化的重要途徑。

碳纖維增強樹脂復合材料，抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9 倍，抗拉彈性模量為230Gpa～430Gpa 亦高于鋼。

傳統汽車鋼鐵材料約占車體重的3/4，而用碳纖維復合材料制造的車身和底盤可以減重40%～60%，相當于鋼結構的1/3～1/6，但其抗拉強度卻是同等截面鋼材的7～10倍。

對位芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，它具有優異的物理機械性能、熱穩定性、阻燃性及優良的電絕緣性能等，其強度是優質鋼材的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。其連續使用溫度范圍極寬，在-196℃～204℃范圍內可長期正常運行，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，使用周期很長，因而贏得“合成鋼絲”的美譽。

芳綸紙蜂窩夾層復合材料是運載火箭、大飛機、高速列車等國家重大工程迫切需求的戰略材料。近幾年，芳綸紙蜂窩大量應用于高速列車的地板、車廂壁板、天花板、車門等部件，是實現高速列車、地鐵、有軌電車等車輛輕量化的關鍵材料。

我國目前高性能纖維的研發和應用

我國高性能纖維真正的發展是在近10年，經過10年的探索和發展，我國取得了顯著的成績，縮短了與發達國家近30多年的差距，目前高性能纖維品種齊全，個別產品已達到國際水平，打破了國外的壟斷與封鎖，為下游行業使用國產高性能纖維提供了戰略性機遇。

目前，高性能纖維及復合材料生產企業與終端應用企業需要更有效的溝通融合、協同發展，因此，提高上下游之間的相互交流，協作研發尤為重要?！笆濉逼陂g，“高性能纖維與汽車輕量化”中國工程院咨詢研究項目的開展，干噴濕紡碳纖維高效生產技術、大絲束低成本碳纖維產業化、芳綸與輕量化蜂窩結構產業化，以及碳纖維多軸向織物及熱塑性復合材料等突破性進展，為我國汽車輕量化進程邁出了關鍵的一步。

1.中國工程院咨詢研究項目：“高性能纖維與汽車輕量化”?！案咝阅芾w維與汽車輕量化”中國工程院咨詢項目是由蔣士成、孫晉良、俞建勇3位院士共同主持的。項目致力于通過調研國內外高性能纖維及其輕量化技術相關應用產業（如汽車、高鐵輕軌、航空航天、電力等領域）的科技發展環境、現狀及發展趨勢，分析國內外發展差距和存在問題，為國家相關部門提供科技創新咨詢研究，助力推動建立我國自己的高性能纖維及輕量化技術產業鏈。

從項目建立至今，召開了三次大型學術研討會，在高性能纖維及復合材料生產、材料設計、汽車設計與制造、汽車產業聯盟、飛機制造等領域進行了多次調研活動和問卷調查，業內已達成了初步認識，一致認為輕量化是制造業核心技術之一，高性能纖維及其復合材料是輕量化有效工程途徑，在制造業中有望大規模推廣應用等。對于未來加速高性能纖維在汽車輕量化上的應用提出了建立汽車輕量化高性能纖維與復合材料產業鏈示范工程，建立高性能纖維與復合材料輕量化技術科技研發體系，提高輕量化創新能力等建議。

2.奧新碳纖維車身電動汽車研發及其生產線。奧新新能源汽車公司采用新材料、新技術、新工藝已試制成功的產品有純電動和插電式增程型乘用車、商用車、廂式車、環衛車、觀光車及多款傳統專用掃路車和電機及整車控制器等10多個品種。輕量化純電動車技術水平和經濟性處于國內領先地位。

江蘇奧新新能源汽車有限公司總經理史踐介紹：奧新新能源汽車公司在國內首創自制裝備年產過萬輛的碳纖維復合材料HP-RTM 熱固成型工藝系統，第一個正向開發雙叉臂式懸掛高強度鋁合金桁架結構純電驅動底盤。HP-RTM（高壓真空輔助模壓成型）工藝的采用，實現大批量流水節拍快的生產，克服了單純用RTM工藝只能單件小批量生產、節拍慢的弊端，可以取消前處理和中涂等傳統涂裝工藝，使電動汽車生產更加節能和環保。

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

目前奧新已初步建成兩萬輛電動整車項目，在建5萬輛碳纖維整車項目。未來公司將加強全球市場的推廣應用，著力打造新能源汽車全產業鏈，使得奧新品牌從起步之時就能立足于世界新能源汽車市場。

3.海源碳纖維復合材料微型汽車研發及其生產。福建海源新材料科技有限公司是一家全球先進的新一代復合材料產品及應用方案提供商，始終堅持“創新材料、綠色節能”的經營理念，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，有望成為全球第二家推出碳纖維模壓生產線供應商。

福建海源新材料科技有限公司總經理蔣頂峰介紹：公司立足于自身在復合材料工藝技術和裝備的核心優勢，瞄準新能源汽車碳纖維輕量化的機遇，投入大量資金立項“新能源汽車碳纖維車身部件生產工藝技術及生產線裝備的研發及產業化項目”“新能源汽車碳纖維車身部件生產示范項目”，預計在2017年將有3～4條具有國際先進水平的全自動大批量碳纖維車身零部件生產線先后竣工投產。

海源MCEV整體碳纖維車身重量僅為64kg，比傳統同類型金屬車身減重60%左右；概念樣車整備質量僅為610kg（24kWh）。 在研制過程中對碳纖維材料的工藝特性、力學性能、成型工藝、加工工藝、粘接性能、油漆以及進行車身結構CAE靜態特性分析和自由模態分析等進行了一系列科學實驗，積累了大量的科學數據。

4.干噴濕紡碳纖維高效生產技術。干噴濕紡原絲表面缺陷少、界面規整、結構致密、抗拉強度高，可制備出優良力學性能和工藝性能的碳纖維，干噴濕紡是實現碳纖維低成本的重要途徑。

中復神鷹碳纖維有限責任公司總經理劉芳介紹：中復神鷹在國內率先建成了基于干噴濕紡工藝的碳纖維生產線，其中SYT49（相當于東麗的T700S）為千噸級規模（12K）、SYT55（相當于東麗的T800S）為百噸級規模（12K），實現了連續穩定運行，產品性能達到了國際同類產品的水平。

中復神鷹擁有12000t/a聚丙烯腈原絲生產能力和5000t/a碳纖維生產能力，其中干噴濕紡碳纖維產能為2200t/a，計劃到2016年建成碳纖維產能6000t。未來，公司將繼續提高紡絲速度，在12K基礎上推出24K大絲束產品，不斷提高預氧化爐處理能力，開發新的上漿劑，進一步向織物制備工藝、碳纖維熱塑性預浸料制備工藝、碳纖維增強熱塑性短切粒子制備工藝等汽車上的應用技術開發。

5.大絲束低成本碳纖維產業發展現狀。降低成本是碳纖維及復合材料發展的關鍵，無論從經濟角度，還是從推動產業升級角度來說，都要靠大絲束碳纖維，這是提高碳纖維復合材料用量的重要一環。

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出DMAC溶劑、濕法兩步法生產碳纖維原絲生產技術，其特點是工藝流程短、聚合反應速度快、質量穩定、產量高、成本低，是國內首創。產品主要規格為1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纖維原絲。在低成本、大絲束碳纖維生產和應用中，要特別注意水洗效果，處理好上油、纏輥等問題。公司原絲產能5000噸/年，是目前全國最大的碳纖維原絲生產企業，新開發的碳纖維布已經銷往國外市場；近年正式上線的碳化項目，預計2016年投產，屆時，碳谷公司碳纖維產品鏈條完整，將會為市場提供更多質量穩定的產品。

6.芳綸及碳纖維復合材料。對位芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，具有優異的物理機械性能、熱穩定性、阻燃性及優良的電絕緣性能等。目前，河北硅谷自主研發、自行設計、用國產設備、用國產原料生產出高性能芳綸，成功實現了芳綸連續規模化生產，產品性能達到國際先進水平，并在實現產業化生產的基礎上，提高、穩定了芳綸1414纖維的產品質量，達到替代同類進口產品的技術要求。

河北硅谷化工有限公司副總經理李東風介紹：硅谷生產的AFS920、AFS940系列產品，成功實現了高性能芳綸纖維的國產化。經權威機構檢測，其產品性能與美國杜邦的對位芳綸K49、K29相當，達到國際先進水平。該技術產業化生產，打破了國外多年來的技術壟斷，實現了我國獨立的對位芳綸技術和產業的跨越式發展。

7.碳纖維多軸向織物及熱塑性復合材料現狀。復合材料在汽車工業中的優勢體現在比模量、比強度高，可設計性好，破損安全性能高、耐高溫燒蝕性好，耐疲勞性能好，減震性好，工藝性好，整體性好。

常州宏發縱橫新材料科技股份有限公司總經理談昆倫介紹：宏發縱橫是專業的高性能纖維經編增強新材料和熱塑性復合材料的生產商，是國內最早進入高性能纖維經編增強新材料的公司之一。公司生產的玻纖、碳纖、芳綸、超高強聚乙烯等高性能纖維多軸向產品可根據合作客戶要求的規格或技術要求來設計生產，并可以對各類纖維進行混編、混鋪。采用碳纖維多軸向經編織物和真空灌注工藝生產箱體，比傳統材料減重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。

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