高性能纖維如何打響“陸空戰”？

[編輯:Cyx]  [發布時間:2015-07-21]  [中國紡織報]

　　可以這樣形容，對于仍處于“成長期”的我國高性能纖維及其復合材料行業來說，在“十三五”期間要想獲得突破性發展，縮短“與發達國家之間仍存在的15年左右的差距（中國化學纖維工業協會會長端小平語）”，就必須打勝“陸地戰役”和“空中戰役”這兩場“硬仗”。

　　所謂“陸地戰役”，是指在高鐵、汽車等交通領域的輕量化技術和應用必須突破；所謂“空中戰役”，是指在大飛機等領域的輕量化技術和應用必須突破。

　　眾所周知，高性能纖維是航空、航天、國防建設、經濟建設、科技進步等領域不可或缺的重要戰略物資，也是低碳經濟和先進制造業中輕量化的核心技術之一。

　　中國工程院院士蔣士成指出：“建立中國自己的高性能纖維與復合材料產業，對國家安全和社會發展具有重要意義。目前，我國碳纖維、芳綸等高性能纖維已經走過了‘從無到有’的發展階段，但是，產品的應用開發研究滯后于產能的發展，這已經成為制約高性能纖維與復合材料產業發展的瓶頸。”

　　因此，在查找我國高性能纖維及其復合材料在下游領域應用方面與發達國家存在差距的基礎上，如何結合我國新能源汽車、高鐵等行業快速發展的實際狀況，尋找到下一步發展的突破口和著力點至關重要。

　　“汽車戰”：

　　配合新能源汽車技術開發成突破口

　　高性能纖維具有眾多的應用領域和市場，汽車輕量化是其潛在的最大應用領域，也是碳纖維市場的主要推動力。汽車輕量化碳纖維復合材料應用技術將可能成為汽車產業的關鍵技術，成為汽車產業的核心競爭力之一。

　　相關實驗證明，如果汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；若汽車整備質量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3升~0.6升，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。

　　由于環保和節能的需要，汽車輕量化已經成為世界汽車工業發展的潮流。而且，在輕量化的同時，復合材料的運用也可提升汽車外觀和內飾設計的時尚度。

　　對此，蔣士成指出，我國是汽車生產大國，如果能加大研發投入，突破掌握碳纖維在汽車輕量化方面的關鍵應用技術，對我國汽車產業提高核心競爭力和建立具有中國特色的高性能纖維與復合材料產業具有重要意義。

　　而談汽車的輕量化，必須談一個標志性事件。德國寶馬公司于2014年實現了全碳纖維汽車的批量生產，而且價格與金屬材料的汽車相當。BMWi3采用全碳纖維車身，車身由30多個零部件膠結而成，便于維修--整個模塊由標準件替換。

　　東華大學纖維材料改性國家重點實驗室副主任余木火指出：“輕量化是低碳經濟和先進制造業的核心技術之一，是國家競爭力的核心技術之一。BMWi3碳纖維電動車的成功商業化表明，技術進步和用量的擴大，碳纖維復合材料的成本可以大幅度下降，復合材料可以部分代替鋼，將極大提高制造業的水平和競爭力，甚至有可能顛覆汽車生產核心技術。”

　　數據顯示，當前全球汽車產量6400萬輛，碳纖維龍頭企業日本東麗公司預測，將用碳纖維65萬噸。而到2020年，碳纖維在汽車上的需求將由2013年的2600噸猛增到23000噸，將與航空航天應用持平。這充分表明了碳纖維產業在汽車輕量化方面將大有可為。

　　目前，我國也有一些企業開始探索碳纖維及其復合材料在汽車方面的應用。澳新汽車史j踐總經理介紹，該公司研發了多款碳纖維電動車車身，正在建立2萬輛生產線。長城華冠汽車公司研發成功了K50碳纖維超級跑車。威海光威復合材料股份有限公司董事長李書鄉介紹，近幾年公司與哈爾濱工業大學（威海）進行校企合作，摸索碳纖維無模塊成型技術（板條法）在大學生方程式賽車方面的應用。但整體看，在這方面仍剛剛起步。

　　廣州汽車集團乘用車有限公司專家委員會主任陳建偉指出，高性能纖維及其復合材料在汽車上的應用推廣，可以分為3個階段：第一階段是解決“用不用”的問題，第二階段是解決“如何用”的問題，第三階段是解決“值得用”的問題。國際上目前仍處于第二階段的中后期，部分先行企業剛步入第三階段，而我國目前正處于第一階段末期和第二階段初期。

　　陳建偉認為，我國要實現高性能纖維及其復合材料在汽車上的應用并形成社會效益，還存在“基礎技術應用”和“經濟型”兩大瓶頸。他建議，分兩步進行技術攻關：

　　第一步，是以配合新能源汽車技術開發為突破口，以汽車主要總成（承載式車身、非承載式車身、底盤副車架等）為紐帶，建設全產業鏈（包括典型件的設計、制造、試驗、回收的技術和手段）的國家示范工程，形成開放的、可以進行復制推廣的應用技術基礎。

　　第二步，發揮示范工程的示范作用，向全產業鏈普及推廣高性能纖維及其復合材料汽車新技術應用，吸引、鼓勵社會資本、企業、機構參與新技術應用、二次開發和再創新，從而開發出更多和更經濟的典型應用，應用成本預期可出現大幅下降，從而進一步推動新技術的應用普及，達到運用市場的力量，形成良性循環。

　　陳建偉還指出，以目前國內該產業鏈的資金能力，難以支撐第一步技術開發的資金需求，因此，“建議國家從全產業鏈的戰略角度考慮，對國家示范工程項目給予資金扶持，用5年左右的時間，形成開放的全行業共享的共性技術。而且，在第二步的開始階段，國家應提供適度的扶持資金，激發行業對這一新應用技術進行推廣普及，起到‘催化劑’作用。

　　而為推進該項工作，中國工程院已專門成立了2015年度咨詢研究項目“高性能纖維與汽車輕量化技術創新發展戰略研究”項目，項目于今年3月20日在東華大學召開了啟動會。據項目秘書長余木火介紹，該項目將通過考察調研、研討會等形式對國內外高性能纖維與復合材料的現狀和發展趨勢進行研究，形成給政府的咨詢建議報告。本次論壇也成為該項目的一個主要交流平臺。

　　軌道交通：

　　抓住動車、高鐵大發展機遇

　　高鐵和城市軌道交通、海上交通運輸裝備也迫切需要高性能纖維與復合材料。而碳纖維復合材料、對位芳綸復合材料是高鐵輕量化的關鍵材料，廣泛用在車廂及其內飾、車門等部件。

　　據煙臺泰和新材料股份有限公司副總經理馬千里介紹，意大利ETR500高速機車頭部前突部分采用芳綸復合材料，我國長春客車CRH5也全部采用環保、輕量化的芳綸紙蜂窩芯材作內裝材料。

　　據測算，以CRH5型高速列車推算，采用芳綸蜂窩的一節車要比采用鋁蜂窩的節約1775公斤，八節編組共計減重14200公斤。按照時速200公里、每牽引一噸重量大約需要消耗12千瓦電力計算，一組列車將降耗170千瓦。按照時速300公里、每牽引一噸重量大約需要消耗16千瓦~17千瓦電力計算，一組列車將降耗227千瓦~241千瓦。而且，這種減重也減少了對輪軌的摩擦和壓力，減少了維護工作。

　　此外，芳綸復合材料也是制造防彈車的關鍵材料，如奔馳S600防彈車、寶馬X5防彈車便應用了高強度的芳綸復合材料襯層保護車輛底部安全性，汽車地板也用芳綸裝甲。

　　目前，全球范圍內芳綸蜂窩板已應用在包括高速列車、雙層列車、地鐵、輕軌和城市軌道列車等5000多樑列車上。國際知名的客車制造商如ALSTOM、breda和中國長春客車制造廠都普遍采用芳綸蜂窩板作為列車的天棚、窗框、行李架、隔板、地板和櫥柜燈內飾部件。“簡單地說，在國內北方地區，當你坐上CRH5的時候，車上能看到的所有內部東西都是使用芳綸蜂窩夾層制造的。”衛平這樣說道。

　　上海特一新材料公司技術經理衛平表示，軌道交通行業目前蒸蒸日上，節能、輕量化的理念已經深入人心，新興的動車、高鐵、城軌等列車都將全面使用“質輕高強”的芳綸蜂窩夾層材料，國內高性能纖維企業應緊緊抓住這一機遇，盡快提高產品的質量和穩定性，降低材料成本，擴大在軌道交通領域的市場空間。

　　“空中戰”：

　　借適航認證提升質量

　　事實上，輕質高強的復合材料一直是航空航天領域的核心技術之一，商用飛機的輕量化目前在國際已經比較成熟，其發展步伐遠快于汽車的輕量化。

　　上世紀70年代伊朗出現了石油危機，降低油耗成為航空公司對飛機制造商提出的迫切需求，而飛機結構輕量化是降低油耗的首選。以此為推動，飛機生產廠商，特別是波音和空客之間的競爭加快了飛機輕量化技術的升級換代。歷經40年，國際市場從技術上解決了復合材料結構技術的工程化應用難題。

　　據介紹，大型客機起飛重量重機體的結構質量約為30%，結構質量的輕量化直接影響燃料的減少，也影響發動機和機翼、著陸架的小型化。所以，降低一公斤結構重量，起飛質量可減少2公斤~5公斤。

　　而這種減重，就需要依靠復合材料。復合材料具有高比強度、高比模量的力學性能，同時，具有耐沖性好、比防護性能高、可設計性強等優異的綜合性能，在飛機上大量應用。除了碳纖維復合材料，芳綸復合材料也是大型客機重要材料。如中國商飛C919大飛機上，芳綸紙蜂窩應用于襟翼、副翼，擾流板、小翼，機翼、平尾、垂尾前、后緣，整流罩面板，升降舵、方向舵等艙內壁板材料，有效減重。據測算，碳纖維/環氧/NOMEX蜂窩芯復合材料用于機身尾部整流罩，減重約27%，用于副翼，減重約19%，用于阻流片，減重約25%。

　　典型的案例是，空客A310使用了2000公斤的復合材料結構，使飛機減輕了391公斤。若以短距離運行情況看，每年以飛行3000小時計算，20年時間節約燃料600噸以上。而波音和空客客機約25%的外部材料和95%的內飾都采用更輕的芳綸蜂窩復合材料。

　　有機構預測，2012年~2020年，碳纖維在航空航天和國防領域的需求將由8000噸增至23000噸。

　　從國外發展的模式看，波音與全球高性能碳纖維領軍企業日本東麗達成了戰略聯盟，空客與另一家領軍企業美國赫氏達成了戰略聯盟，通過這種高性能碳纖維生產企業與下游應用企業的合作開發，以及兩家下游企業之間的激烈競爭帶動，加快了輕量化技術的突破和應用。

　　上海飛機制造有限公司副總工程師劉衛平指出，輕量化在我國飛機制造行業也已經大量運用，但是，所運用的高性能纖維及其復合材料基本都還依賴進口，國產的材料質量不穩定，

　　不過，也有一些國內企業努力開拓市場。上海特一新材料公司技術經理衛平介紹，特一的芳綸紙蜂窩已成功用于空客A350上，于7月通過了中國商飛C919大飛機適航認證，將成為中國商飛首家非金屬材料合格供應商。“芳綸蜂窩材料已經在飛機行業成熟運用了30多年，逐步大量運用芳綸蜂窩材料及相關復合材料對于飛機行業的發展起到了非常重要的作用。“

　　對于我國在這方面接下來的發展思路，蔣士成指出，目前我國的大飛機項目迫切需要高性能纖維及其復合材料的技術。通過大型飛機對高端復合材料的需求，可以借助適航論證體系，建立我國高性能纖維及其復合材料的質量控制和評價體系，提高我國高性能纖維的質量。

　　高性能纖維如何打響“陸空戰”？