高性能纖維如何打響“陸空戰(zhàn)”？

[編輯:Cyx]  [發(fā)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(yè)來說，在“十三五”期間要想獲得突破性發(fā)展，縮短“與發(fā)達國家之間仍存在的15年左右的差距（中國化學纖維工業(yè)協(xié)會會長端小平語）”，就必須打勝“陸地戰(zhàn)役”和“空中戰(zhàn)役”這兩場“硬仗”。

　　所謂“陸地戰(zhàn)役”，是指在高鐵、汽車等交通領(lǐng)域的輕量化技術(shù)和應用必須突破；所謂“空中戰(zhàn)役”，是指在大飛機等領(lǐng)域的輕量化技術(shù)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(shè)、經(jīng)濟建設(shè)、科技進步等領(lǐng)域不可或缺的重要戰(zhàn)略物資，也是低碳經(jīng)濟和先進制造業(yè)中輕量化的核心技術(shù)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(chǎn)業(yè)，對國家安全和社會發(fā)展具有重要意義。目前，我國碳纖維、芳綸等高性能纖維已經(jīng)走過了‘從無到有’的發(fā)展階段，但是，產(chǎn)品的應用開發(fā)研究滯后于產(chǎn)能的發(fā)展，這已經(jīng)成為制約高性能纖維與復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)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(lǐng)域應用方面與發(fā)達國家存在差距的基礎(chǔ)上，如何結(jié)合我國新能源汽車、高鐵等行業(yè)快速發(fā)展的實際狀況，尋找到下一步發(fā)展的突破口和著力點至關(guān)重要。

　　“汽車戰(zhàn)”：

　　配合新能源汽車技術(shù)開發(fā)成突破口

　　高性能纖維具有眾多的應用領(lǐng)域和市場，汽車輕量化是其潛在的最大應用領(lǐng)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(shù)將可能成為汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，成為汽車產(chǎn)業(yè)的核心競爭力之一。

　　相關(guān)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(zhì)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(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)發(fā)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(nèi)飾設(shè)計的時尚度。

　　對此，蔣士成指出，我國是汽車生產(chǎn)大國，如果能加大研發(fā)投入，突破掌握碳纖維在汽車輕量化方面的關(guān)鍵應用技術(shù)，對我國汽車產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)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(xiàn)了全碳纖維汽車的批量生產(chǎn)，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(jié)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(jīng)濟和先進制造業(yè)的核心技術(shù)之一，是國家競爭力的核心技術(shù)之一。BMWi3碳纖維電動車的成功商業(yè)化表明，技術(shù)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(yè)的水平和競爭力，甚至有可能顛覆汽車生產(chǎn)核心技術(shù)。”

　　數(shù)據(jù)顯示，當前全球汽車產(chǎn)量6400萬輛，碳纖維龍頭企業(yè)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(chǎn)業(yè)在汽車輕量化方面將大有可為。

　　目前，我國也有一些企業(yè)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(jīng)理介紹，該公司研發(fā)了多款碳纖維電動車車身，正在建立2萬輛生產(chǎn)線。長城華冠汽車公司研發(fā)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(xiāng)介紹，近幾年公司與哈爾濱工業(yè)大學（威海）進行校企合作，摸索碳纖維無模塊成型技術(shù)（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(yè)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(xiàn)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(chǔ)技術(shù)應用”和“經(jīng)濟型”兩大瓶頸。他建議，分兩步進行技術(shù)攻關(guān)：

　　第一步，是以配合新能源汽車技術(shù)開發(fā)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(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈（包括典型件的設(shè)計、制造、試驗、回收的技術(shù)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(shù)基礎(chǔ)。

　　第二步，發(fā)揮示范工程的示范作用，向全產(chǎn)業(yè)鏈普及推廣高性能纖維及其復合材料汽車新技術(shù)應用，吸引、鼓勵社會資本、企業(yè)、機構(gòu)參與新技術(shù)應用、二次開發(fā)和再創(chuàng)新，從而開發(fā)出更多和更經(jīng)濟的典型應用，應用成本預期可出現(xiàn)大幅下降，從而進一步推動新技術(shù)的應用普及，達到運用市場的力量，形成良性循環(huán)。

　　陳建偉還指出，以目前國內(nèi)該產(chǎn)業(yè)鏈的資金能力，難以支撐第一步技術(shù)開發(fā)的資金需求，因此，“建議國家從全產(chǎn)業(yè)鏈的戰(zhàn)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(yè)共享的共性技術(shù)。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(fā)行業(yè)對這一新應用技術(shù)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(shù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)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(jù)項目秘書長余木火介紹，該項目將通過考察調(diào)研、研討會等形式對國內(nèi)外高性能纖維與復合材料的現(xiàn)狀和發(fā)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(fā)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(guān)鍵材料，廣泛用在車廂及其內(nèi)飾、車門等部件。

　　據(jù)煙臺泰和新材料股份有限公司副總經(jīng)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(huán)保、輕量化的芳綸紙蜂窩芯材作內(nèi)裝材料。

　　據(jù)測算，以CRH5型高速列車推算，采用芳綸蜂窩的一節(jié)車要比采用鋁蜂窩的節(jié)約1775公斤，八節(jié)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(guān)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(nèi)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(nèi)飾部件。“簡單地說，在國內(nèi)北方地區(qū)，當你坐上CRH5的時候，車上能看到的所有內(nèi)部東西都是使用芳綸蜂窩夾層制造的。”衛(wèi)平這樣說道。

　　上海特一新材料公司技術(shù)經(jīng)理衛(wèi)平表示，軌道交通行業(yè)目前蒸蒸日上，節(jié)能、輕量化的理念已經(jīng)深入人心，新興的動車、高鐵、城軌等列車都將全面使用“質(zhì)輕高強”的芳綸蜂窩夾層材料，國內(nèi)高性能纖維企業(yè)應緊緊抓住這一機遇，盡快提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低材料成本，擴大在軌道交通領(lǐng)域的市場空間。

　　“空中戰(zhàn)”：

　　借適航認證提升質(zhì)量

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

　　上世紀70年代伊朗出現(xiàn)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(jié)構(gòu)輕量化是降低油耗的首選。以此為推動，飛機生產(chǎn)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(shù)的升級換代。歷經(jīng)40年，國際市場從技術(shù)上解決了復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)的工程化應用難題。

　　據(jù)介紹，大型客機起飛重量重機體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為30%，結(jié)構(gòu)質(zhì)量的輕量化直接影響燃料的減少，也影響發(fā)動機和機翼、著陸架的小型化。所以，降低一公斤結(jié)構(gòu)重量，起飛質(zhì)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(shè)計性強等優(yōu)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(nèi)壁板材料，有效減重。據(jù)測算，碳纖維/環(huán)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(nèi)飾都采用更輕的芳綸蜂窩復合材料。

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

　　從國外發(fā)展的模式看，波音與全球高性能碳纖維領(lǐng)軍企業(yè)日本東麗達成了戰(zhàn)略聯(lián)盟，空客與另一家領(lǐng)軍企業(yè)美國赫氏達成了戰(zhàn)略聯(lián)盟，通過這種高性能碳纖維生產(chǎn)企業(yè)與下游應用企業(yè)的合作開發(fā)，以及兩家下游企業(yè)之間的激烈競爭帶動，加快了輕量化技術(shù)的突破和應用。

　　上海飛機制造有限公司副總工程師劉衛(wèi)平指出，輕量化在我國飛機制造行業(yè)也已經(jīng)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(chǎn)的材料質(zhì)量不穩(wěn)定，

　　不過，也有一些國內(nèi)企業(yè)努力開拓市場。上海特一新材料公司技術(shù)經(jīng)理衛(wèi)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(jīng)在飛機行業(yè)成熟運用了30多年，逐步大量運用芳綸蜂窩材料及相關(guān)復合材料對于飛機行業(yè)的發(fā)展起到了非常重要的作用。“

　　對于我國在這方面接下來的發(fā)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(shù)。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(zhì)量控制和評價體系，提高我國高性能纖維的質(zhì)量。

　　高性能纖維如何打響“陸空戰(zhàn)”？