“轻”机遇助国产高性能纤维腾飞

2016-09-20  来源:复材在线  作者:复材在线  浏览次数:360 加入收藏   |  分享

经过10多年的快速发展和奋起直追,我国高性能纤维及其复合材料产业目前已经取得了突破性发展。尤其是近几年,产业紧紧把握“汽车轻量化”发展机遇,插上了快速腾飞的“翅膀”。轻量化是制造业核心技术之一,高性能纤维,尤其是碳纤维及...
经过10多年的快速发展和奋起直追,我国高性能纤维及其复合材料产业目前已经取得了突破性发展。尤其是近几年,产业紧紧把握“汽车轻量化”发展机遇,插上了快速腾飞的“翅膀”。
轻量化是制造业核心技术之一,高性能纤维,尤其是碳纤维及其复合材料在其中能够“大展拳脚”,发挥关键作用。
从国际市场看,宝马、福特、通用、大众等知名汽车企业都与碳纤维企业紧密合作,全球几乎所有的汽车企业均有碳纤维车研发项目。
目前,我国在轻量化技术方面的研究已经具备一定的基础,一批本土汽车企业对于碳纤维的研究和应用也在加速。
相信在集合多方智慧的“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目的有效推动下,国产高性能纤维与汽车轻量化发展将大大推进。“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目成果发布为促进我国高性能纤维与轻量化产业协调发展及产学研结合,使项目成果更好服务政府决策,4月29日,“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目成果发布与座谈会在位于北京的中国工程院召开。来自江苏奥新新能源汽车、北汽等汽车企业的代表,来自中复神鹰碳纤维有限公司、吉林化纤、浙江石金玄武岩纤维有限公司等我国高性能纤维及其复合材料企业的代表,以及中国工程院院士蒋士成、郁铭芳、姚穆、俞建勇,中国工程院二局局长高中琪,国家发改委产业协调司副司长卢卫生,工信部消费品工业司副司长曹学军,科技部高新技术发展及产业化司副司长曹国英,中国纺织工业联合会科技管理部主任彭燕丽,中国产业用纺织品行业、中国化学纤维工业协会等领导专家参加了会议。来自中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车轻量化联盟、中国复合材料学会、国际汽车轻量化绿色科技联盟等机构的相关负责人也参加了会议。会议由蒋士成院士主持。
中国工程院于2015年设立了“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”咨询项目,由纺织领域的院士牵头,邀请纺织、汽车、复合材料、轻工机械等领域的院士共同参与,依托东华大学,由纤维材料改性国家重点实验室、民用航空复合材料协同创新中心和上海市轻质结构复合材料重点实验室具体组织实施。
项目自2015年3月启动后,进行了大量实地考察,考察的企业包括中国商用飞机有限责任公司、上海汽车集团、江苏恒神股份、中国一汽、长春客车、吉林化纤、奥新新能源汽车有限公司、浙江石金玄武岩纤维有限公司、北京汽车研究院、奇瑞汽车等国内知名汽车企业和国产高性能纤维企业。项目聚焦国内外高性能纤维及其轻量化技术相关产业科技发展环境和现状以及发展趋势,对我国高性能纤维及其轻量化技术相关产业科技前沿领域进行了深入系统地分析研究,取得了许多新的认识和重要研究成果。
项目提出了我国高性能纤维与汽车轻量化发展战略和技术途径、高性能纤维与轻量化产业关键工程技术专项,以及高性能纤维与轻量化产业发展建议,并形成了项目研究报告1份,调研报告15份,提交了院士建议1份。
高中琪在项目成果发布与座谈会致辞中指出,中国工程院的主要工作之一就是服务于政府决策,希望通过该项目的推进实施,充分发挥中国工程院国家工程科技思想库作用,用科学咨询支撑科学决策,用科学决策推动科学发展。
作为项目负责人之一,蒋士成在会上介绍了项目背景及相关推进情况。他介绍,项目启动后在上海、浙江萧山和江苏盐城先后召开过3次大型研讨会,还举行了多次小型研讨会,并经过实地考察企业和问卷调查等形式,形成了相关产业发展建议。项目秘书长余木火在会上就项目研究成果做了详细介绍。
会上,来自汽车企业和高性能纤维企业的代表分别进行了发言。奥新新能源汽车有限公司总经理史践、北京汽车研究院副院长王旭、中复神鹰碳纤维有限公司技术部副部长郭鹏宗和吉林化纤股份有限公司董事长宋德武分别就碳纤维在新能源汽车上的应用技术、碳纤维在量产车领域的应用技术、碳纤维高效生产技术和碳纤维原丝规模化生产技术做了介绍。
在座谈交流研讨环节,几位嘉宾结合相关政策,对于高性能纤维与汽车轻量化发展提出了相关建议。
曹国英指出,碳纤维及其复合材料是实现汽车、飞机、高铁轻量化的重要材料,是“十三五”国家战略新兴产业发展规划中的重点发展产业,科技部将会以新的应用项目持续支持碳纤维产业的发展。曹学军指出,高性能纤维、以电力动力为主的新能源汽车产业是《中国制造2025》十大发展领域的重要方向,建议将项目研究提出的建议转化成可操作、能推进的具体项目落实到位。国家发改委产业协调司机械装备处处长吴卫建议,应以市场需求和未来技术水平为基础的市场为主导,通过国家权威机构的横向合作和产业链间的纵向合作,发挥产业合作的优势,借助国家相关政策支持,进一步促进高性能纤维与汽车轻量化应用取得更大成果。中国化学纤维工业协会副会长贺燕丽指出,以碳纤维为代表的高性能纤维企业今后要更加重视产业链下游应用技术的开发,这也是下一步的发展重点,目前企业对此的重视程度还不够高。下游产业链也属于高科技,需要下功夫。此外,碳纤维企业和汽车企业除了要重视产品开发,还要重视碳纤维汽车的回收和循环再利用,否则汽车轻量化会面临阻碍。项目揭示“高”“轻”战略和技术路线图高性能纤维是国家战略物资,也是新材料产业的重要内容。“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目取得的重要成果为:形成了我国高性能纤维与汽车轻量化发展的发展战略与技术途径、工程技术专项以及产业发展建议。碳纤维为轻量化立下“汗马功劳”轻量化技术是制造业的核心技术之一,如运输工具减排降耗,机械运动惯量减少、精度提高、能耗减少,海洋化工装备防腐蚀等都要运用轻量化技术,世界各国对此高度重视。
以美国为例,2015年,美国投资2.5亿美元宣布成立国家轻量化复合材料研究所,有122个单位参加,发展低成本复合材料技术,大规模应用于制造业,提高制造业竞争力。2016年4月,美国又成立革命性纤维研究所,投资3亿美元,有89个单位参加。
而纤维增强复合材料是目前综合性能最好、在工程上应用广泛的轻量化材料,其中,高性能纤维是关键。目前,全球主要高性能纤维产能为33万吨,其中,碳纤维产能约12.3万吨,芳纶产能约12.02万吨。
我国高性能纤维产能目前约7.3万吨,碳纤维产能1.5万吨,产量4000吨,开工率20%,且企业基本处于亏损状态,这种现状与我国的经济地位不匹配。我国约有碳纤维企业30多家,但企业规模整体偏小,产能较大的企业年产能仅有1000~3000吨。而日本东丽的碳纤维年产能为2.11万吨,美国卓尔泰克的碳纤维年产能为1.95万吨。
除了在规模方面无法与国际“龙头”碳纤维企业抗衡,我国还缺乏大丝束碳纤维技术及其产业链,而大丝束是碳纤维未来的发展方向。同时,我国还面临碳纤维复合材料产业链及价值链不合理、碳纤维制造高效低成本新技术研发投入少等挑战。
整体看,我国终端企业使用碳纤维技术相对滞后,碳纤维企业规模小,抗风险能力弱,受到国外规模企业的降价打压,开工率低,大部分企业亏损,影响品质稳定和运行成本。
另一方面,汽车是我国支柱产业之一,新能源汽车是国家战略新兴产业,预计到2020年我国新能源汽车将达到500万辆,轻量化则是汽车减排降耗的必由之路,是提高新能源汽车续航里程最有效的技术途径之一。而在汽车轻量化领域,碳纤维及其复合材料能够立下“汗马功劳”。汽车轻量化的里程碑事件是,2015年,宝马i3、i8电动车成功商业化,采用全碳纤维车身,重量151公斤,而价格约3.4万欧元,与金属车的价格相当。
目前在国际市场上,几乎所有汽车企业都开展了碳纤维及其复合材料汽车或零部件研发,也与碳纤维企业紧密合作,如日产本田汽车与东丽、宝马与西格里、福特汽车与陶氏化学、通用汽车与帝人都有合作。国产汽车碳纤维应用加速我国高性能纤维与汽车轻量化发展目前已经取得了一定的成果。
奥新新能源汽车有限公司是首个国内“吃螃蟹者”。2015年,该公司研发成功首量碳纤维新能源汽车,2016年3月通过所有测试。目前,该公司正在建设年产2万辆碳纤维车身电动车生产线。
奥新新能源汽车轻量化的研究重点体现在以下几方面:碳纤维车身与铝合金底盘的一体化设计方法,碳纤维复合材料车身结构CAE仿真方法,轻量化纯电动轿车及其关键部件的低成本自动化制造技术,轻量化纯电动轿车试验与评价体系,低成本大丝束碳纤维的制造技术。
奥新新能源汽车有限公司总经理史践介绍,智能网联和轻量化是汽车行业、尤其是电动车行业新的发展趋势。电动车的轻量化一是整车(包括车身和底盘)的轻量化,二是电池和比能量的轻量化。“奥新最初研究汽车轻量化是从对传统汽车的改造开始,尝试过玻璃钢,也尝试过纯碳纤维,2011年正式确立全碳纤维的电动车技术。我们现在走上了一条‘不归路’,‘十三五’期间多种车型都将大量运用高性能纤维复合材料。建议国产大丝束碳纤维必须突破,我们现在迫切需要它。”史践在打趣的同时,也提出了一些建议。
我国第一个使用碳纤维零部件的量产车型是北京汽车BJ40碳纤维发动机盖。目前北汽在部分萨博系列车上初步尝试运用碳纤维减重,在一款量产大型SUV上搭载了碳纤维车盖,运用了T300、T700和小丝束碳纤维。
北汽也在进行多方面的轻量化研发,建立了轻量化管理、专家技术指导委员会等机构,公司旗下二级单位围绕整车和零部件的轻量化设计、轻量化材料和制造、轻量化知识产权和核心技术群等形式展开轻量化工作。今年3月,北汽还成立了工作小组,前往欧洲,与号称欧洲“轻量化摇篮”的一所大学接触并进行深度合作,双方确立了十大方向的轻量化共同研发内容。
北京汽车研究院副院长王旭介绍,未来汽车技术创新将在互联网+、智能化、电动化和轻量化的基础上创造更多可能,四大趋势驱动行业革新发展。在碳纤维应用方面,北汽正在全力推进产学研合作,如与东华大学等高校及研究所合作,进行课题研究及专项技术开发,与康得新复材等企业建立战略合作伙伴关系,形成“外覆盖件—结构件”的三步走碳纤维部件开发战略,逐步推进碳纤维复合材料在汽车中的应用,加快商用车、乘用车和新能源汽车的轻量化步伐。
值得一说的是,在汽车轻量化使用碳纤维产学研合作方面,这几年国内开展了大量工作。例如奥新新能源汽车有限公司和东华大学紧密合作,优化零部件结构与制造效率、制造成本等技术,研发自动化量产技术与装备;东华大学、宁波材料研究所与奇瑞汽车合作,在汽车底板、传动轴、防撞梁、吸能盒、踏板等方面展开研究。
在这个过程中,国产碳纤维及其复合材料企业的突破发展和提升也至关重要。例如奥新所在的江苏,目前碳纤维产业化已经具备一定基础,产业链正在逐步完善,尤其是对于发展汽车用碳纤维的产业化比较重视,中复神鹰(碳纤维产能2500吨/年)、恒神股份(碳纤维产能3000吨/年)等国内碳纤维行业的“龙头”企业都位于该省。
碳纤维企业在技术上的突破,使原丝和碳纤维及其复合材料成本降低,在为国产汽车轻量化提供坚实基础的同时,也促进了企业自身的发展。对此吉林化纤有限公司董事长宋德武表示,吉化的碳谷公司已经初步具备了生产T700碳纤维的条件,下一步,吉化将朝低成本、大丝束和工业化方向努力,与下游厂家精诚合作,广泛开发24K、48K碳纤维产品在汽车等市场领域的应用。
“如果碳纤维及其复合材料汽车部件的可靠性经过用户考验,依据数学模型研究我们发现,运用碳纤维复合材料的模具价格其实并不高,我们在开发应用中也获得了信心。今后,碳纤维复合材料的价格还将往下走,其成本还能再降20%,汽车企业用得起、开发得起很重要。”王旭这样强调道。
发展战略分两个阶段近几年我国在高性能纤维与汽车轻量化发展方面取得的突破和发展有目共睹。但不可否认,目前,我国乘用车重量平均比欧洲汽车重5%~10%,商用车更是比欧洲汽车重17%,我国汽车行业的轻量化需求仍然迫切。
也必须认识到,我国高性能纤维与汽车轻量化发展仍面临一系列“瓶颈”,涉及的方面主要包括:缺乏复合材料整车及零部件设计准则、数据库与评价标准;复合材料零部件制造节拍慢,自动化程度低,生产成本高;从碳纤维到复合材料汽车整个产业链的合作机制仍需深化;碳纤维汽车维修、回收及循环利用技术体系亟待建立;车用低成本碳纤维及其中间体材料产业链仍需加强;轻量化科技创新体系科技投入不足;具有汽车学科基础又有材料学科基础的交叉人才队伍需要加强培养。
针对这些“瓶颈”问题,“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目组提出如下建议:建立若干“高性能纤维与轻量化产业链示范工程”,形成产业链各环节具有合理开工率、连续稳定运行、合理企业利润的完整示范工程;培育行业龙头企业,提高规模效益,参与国际竞争;设立“高性能纤维与轻量化”重点科技专项,加大科技攻关力度;建立我国高性能纤维与轻量化技术科技与人才培养体系和高性能纤维与轻量化国家实验室或国家重点实验室、国家工程实验室、国家知识服务平台;制定我国高性能纤维及其轻量化复合材料产业发展政策,优化产业发展环境。
同时,依据项目研究,我国高性能纤维与汽车轻量化产业发展战略分为两个阶段。第一阶段为2016~2020年,通过科技攻关,建立高性能纤维与汽车轻量化设计制造技术体系和产业链体系,形成从原材料到碳纤维汽车及其零部件的标准及其检测体系。第二阶段为2020~2025年,逐步推广应用到整个汽车产业,争取使用碳纤维2万~3万吨,碳纤维成本降低50%,零部件制造成本从70%~80%降低到50%。

 

 

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