高性能纤维：借力搬山 实现低成本应用

牛方

对于以碳纤维、芳纶为代表的中国高性能纤维来说，值得赞赏的是，行业用了短短十年缩短了与发达国家近三十年的差距，依靠自主研发实现了从无到有。然而解决了“有”的问题后，下一步的“量产应用”成为了横立在行业发展大道上的一座多年来难以撼动的大山。

以碳纤维为例，轻量化应用市场广阔，然而居高不下的原料成本及制造成本阻碍了下游大量使用碳纤维实现轻量化目的的进程。东华大学材料科学与工程学院余木火教授告诉记者：“目前我国碳纤维产能1.5万吨，产量只有4000吨，开工率20%，企业亏损的现状与中国经济地位不匹配。”而在盈利难、量产难、开工率低的窘境背后，症结的根源就在于“成本高”。

10位院士、88位专家 前瞻未来十年

4月29日，中国工程院召开了《高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究》项目成果发布会。

作为国家最具权威的工程战略咨询单位，中国工程院环境与轻纺工程学部意识到轻量化产业对于国家能源、环境、制造业、新能源汽车产业和新材料战略新兴产业的重要性以及当前我国在此领域的严重不足，于2015年确立了《高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究》咨询项目，项目力图梳理目前高性能纤维在汽车轻量化领域内的发展现状、存在问题、未来战略、技术途径、专项建议等，为高性能纤维在汽车轻量化领域建立具有可行性的操作指南。

中国工程院院士蒋士成在发布会上表示：“该项目是一个跨学科、跨行业的研究项目，由纺织领域院士牵头，邀请了纺织、汽车、复合材料、轻工机械等领域院士共同参与，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。”

整个课题组经过了一年多的深入调研、座谈，走访企业包括产业链上游碳纤维生产厂家、下游汽车生产企业，共计10多家。经过广泛讨论，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。

在项目最终形成的未来十年发展战略中指出：在第一阶段，即第一个五年——从2016年到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。在第二阶段，即第二个五年——从2020年到2025年，推广应用到整个汽车产业，争取使用碳纤维2～3万吨。碳纤维成本降低50%，零部件制造成本从70%～80%降低到50%。

原料、制造、设计 三大途径攻克成本瓶颈

从项目的最终目标来看，“成本的降低”是未来十年碳纤维在汽车轻量化应用中需要重点解决的问题，正如前文所述，这也是目前碳纤维行业面临的最大瓶颈。

毋庸置疑，轻量化对于制造业各个领域如交通运输、机械制造、海洋化工都至关重要，世界各国都高度重视。2015年3月，奥巴马亲自宣布成立了国家轻量化复合材料研究所，目标是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。

而在轻量化应用中，纤维增强复合材料是迄今综合性能最好的材料，在汽车领域内应用最广的就是碳纤维。而对于汽车企业来说，能够被列为首选材料的首要衡量指标就是“成本”。

余木火教授在成果发布会上代表课题组做汇报时指出：“在中国碳纤维复合材料产业链中，原料成本占比为20%～30%，从碳纤维到零部件的制造成本占到70%～80%，是原材料的3～4倍。”

因此解决复合材料的成本问题，已经不单单是降低碳纤维的成本，还要从零部件的具体生产过程中依靠技术升级，进行成本压缩，“降低制造成本比降低碳纤维成本更有空间。”余木火说道。

为此项目组提出了三大工程技术专项：汽车轻量化复合材料关键原材料低成本化技术专项；复合材料汽车零部件自动化量产制造技术与装备专项；轻量化复合材料汽车及零部件设计与评价技术专项。

三大专项，三个着力点，全面发力试图攻克碳纤维复合材料在汽车轻量化领域内的成本瓶颈。

余木火教授表示：“目前我国碳纤维的生产企业有30多家，基本全部生产小丝束，根本没有大丝束碳纤维的生产技术与产品。”而大丝束的生产模式是降低碳纤维成本的重要途径，并且在应用领域也更受欢迎：“大丝束碳纤维可以将纤维成本降低20%～30%，织物效率更高，铺层次数少且满足量产的节奏。”余木火说。

而在自动化量产方面，余木火表示：现有复合材料沿用了航空复合材料制造技术，几十分钟到几小时一件，效率太低。未来将从设计开始，对所有工艺流程、材料、设备和工装的开发均以实现大批量生产复合材料零部件为前提。在此基础上就需要研发国产的汽车零部件自动化生产线，余木火说：“目前这条生产线德国进口的要3亿人民币。”

充分发挥“设计”的力量应该是本次项目的重要成果，也是体现产业链合作的重要方面。以前汽车轻量化都是产业链各自作业，碳纤维生产厂家不懂车，汽车企业不了解材料，该课题将整个产业链串了起来，建立了“高性能纤维与轻量化产业链知识服务公共平台”，聚集了整条产业链上36个单位的力量，包括汽车、碳纤维、零部件、中间体等，使得各自工作更有针对性，不再盲目。

产业链合作 必由之路

缺乏产业链合作是高性能纤维行业和汽车行业多年来的状态，余木火教授告诉记者：“在国外，汽车企业与碳纤维企业保持着紧密合作的关系，比如日产本田和东丽公司、三菱丽阳都保持着紧密的合作关系，福特汽车和陶氏化学、通用和日本帝人、宝马和西格里（SGL）等，未来掌握了碳纤维技术的汽车企业才有可能是未来汽车业的龙头。”

碳纤维应用于汽车轻量化已经成功量产并投入市场。2015年宝马i3，i8电动车成功商业化，并于近日开幕的2016年北京国际车展作为主力车型亮相，其中i3的广告语是“天生电动”，i8的广告语是“让不可能成为可能”。作为全球品牌，宝马已经开始在中国市场布局高端电动车，仅i3的售价最低也高达43万人民币，余木火说：“中国品牌汽车如果没有提早布局，有可能会被第二次甩飞。”

余木火教授表示：“看到碳纤维在汽车轻量化，尤其是新能源汽车领域的广阔前景，国内一大批上市公司开始加入碳纤维产业链，比如精工科技、海源机械、康得新、楚江新材、申达股份等，这些企业未来将有可能成为碳纤维规模化的主力。”

而国内企业生产碳纤维车也并非完全空白，2015年奥新新能源汽车公司就成功研发了国内首辆碳纤维新能源汽车，2016年3月通过所有测试，目前正在建设一条年产2万辆碳纤维车身的电动车生产线。除此之外，国内有的厂家开始使用碳纤维作为零部件进行量产车型的生产，比如北汽、奇瑞、长城等。北汽的一款BJ40汽车就是使用了碳纤维作为发动机盖进行量产并投入市场，他也是国内第一个使用碳纤维作为零部件的汽车企业。北京长城华冠汽车目前正在开发一辆碳纤维车身的纯电动跑车，预计2017年开始量产。奇瑞汽车的一款采用PHEV插电式混合动力车型，其核心优势就在于采用碳纤维复合材料部件后的车身仅重218千克，相比金属车身的418千克，减重了48%。

因此目前来看，国内外几乎所有汽车企业都开展了碳纤维复合材料汽车或零部件的研发。在项目形成的院士建议文件中指出：我国汽车保有量约为1.5亿辆，70%的成品油用于机动车燃料，预计到2020年为3亿辆，国家能源发展战略难以满足这一增长需求，并且汽车排放造成的雾霾等环境恶化问题亟待解决，新能源汽车将成为未来的一个重要交通工具，计划到2020年新能源汽车达到500万辆，轻量化技术是节能减排、提高电动车续航里程的必由之路。

因此项目建议：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。

目前国产碳纤维企业在稳定生产技术、拓展应用技术和装备的研发、下游产品的开发等全产业链建设方面都有了明显的进步。未来十年将是汽车轻量化产业快速发展的十年，借着这股力量，国产碳纤维企业也应全情投入到这场战役中，我们期待在上下游齐心协力的努力下，共同愿景的驱动下，国产碳纤维企业能够搬掉“高成本”这座大山，实现“低成本、高品质”的应用，助力中国汽车跟上时代步伐。

新闻链接：

2016年4月29日，“高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究”项目成果发布会在北京召开。中国工程院环境与轻纺工程学部蒋士成、郁铭芳、姚穆、俞建勇院士，中国工程院二局高中琪局长，国家发改委产业协调司卢卫生副司长，国家工信部消费品司曹学军副司长，科技部高新司曹国英副司长，以及来自中国化学纤维工业协会、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、中国纺织工业联合会、产业用纺织品协会、中国纺织科学院、国际汽车轻量化绿色科技联盟的相关领导，汽车企业、碳纤维企业、复合材料企业、相关高校研究所专家学者及10多家媒体代表共计80余人参会。

江苏奥新新能源汽车、北京汽车股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司以及吉林化纤有限公司等4家企业代表分别针对碳纤维在新能源汽车应用技术、碳纤维在量产车的应用技术、碳纤维高效生产技术、碳纤维原丝规模化生产技术做了重点发言。