由于碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、設(shè)計自由度高、集成性強(qiáng)等優(yōu)點，碳纖維復(fù)合材料逐漸成為汽車輕量化材料的新寵。在不久前的2014年北京車展上，碳纖維成了各種豪車之外的另一個主角。布加迪Black Bess傳奇限量版采用全黑色碳纖維打造，科尼賽克One：1跑車車身配有碳纖維輪圈。
通常情況下，車身自重約消耗70%的燃油，因此降低汽車油耗的首要問題就是減輕汽車自重。日本的碳纖維制造協(xié)會曾經(jīng)做過一個關(guān)于碳纖維生命周期的測試，采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量，不僅燃料應(yīng)用效率極大提高，而且間接地降低了二氧化碳排放，作為環(huán)保材料的碳纖維受到全世界的關(guān)注。圍繞“碳纖維汽車”，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)，國際碳纖維巨頭也紛紛擴(kuò)能，搶占這一具有巨大潛力的市場。
中國新材料技術(shù)協(xié)會會長、全國特種合成纖維信息中心主任羅益鋒認(rèn)為，今后CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)需求增長最快的將是汽車工業(yè)，預(yù)計到2020年的消費量將接近于航空航天與軍工領(lǐng)域(約23000噸)。而我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)由于自身實力上的差距，目前鮮少涉足汽車用領(lǐng)域，唯有跨越式發(fā)展才可能把握住“汽車機(jī)會”。
車用碳纖維需求有望激增
近年來，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用部位不斷擴(kuò)大。2010年豐田上市的跑車?yán)卓怂_斯LFA全面采用CFRP制造車體，成為了關(guān)注的焦點，但其價格也創(chuàng)下了日本國產(chǎn)車中最高的3750萬日元。其后，寶馬集團(tuán)通過開發(fā)多種技術(shù)提高生產(chǎn)效率，終于將CFRP成功地應(yīng)用于量產(chǎn)車。
寶馬的碳纖維原絲供應(yīng)商是日本三菱麗陽。自2012年以來，三菱麗陽不斷擴(kuò)大碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，收購了日本CFRP零件制造商Challenge公司等多家企業(yè)，并計劃2014年度以后增加美國工廠的設(shè)備，將年生產(chǎn)能力在現(xiàn)有約1萬噸的基礎(chǔ)上擴(kuò)大到2萬噸，將向作為主要客戶的寶馬汽車公司(BMW)擴(kuò)大供貨。
寶馬公司還與汽車碳纖維生產(chǎn)商SGL Carbon(SGL)合作計劃投資逾1億歐元，將碳纖維產(chǎn)量從每年3000噸提高到6000噸，用來滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車的市場需求，并同時應(yīng)用在預(yù)計將于明年底上市的寶馬7系車上。
日本東麗集團(tuán)于去年9月斥資近700億日元，收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司(Zoltek)，藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應(yīng)商，將產(chǎn)品全球份額提高到30%。而全球第二大碳纖維廠商日本帝人則與美國通用汽車在碳纖維技術(shù)利用方面展開了合作，預(yù)計2014年將在美國新建工廠，并面向量產(chǎn)車供應(yīng)碳纖維。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手研發(fā)成主流
因為需求增加，在汽車行業(yè)的應(yīng)用成為各大碳纖維廠商加緊研發(fā)的重點，相關(guān)碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)不斷獲得新的突破。
碳纖維是將丙烯等纖維在無氧狀態(tài)下“蒸烤”炭化制成。把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才能成為CFRP。飛機(jī)等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構(gòu)件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強(qiáng)度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。寶馬i3使用的CFRP采用了無須加壓加熱的新工藝——RTM(樹脂傳遞模塑)，即把預(yù)成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結(jié)合，可在10分鐘以內(nèi)成型。
為實現(xiàn)汽車車輪的的輕量化和高強(qiáng)化，三菱麗陽與車輪生產(chǎn)廠家ENKEI公司共同開發(fā)CFRP與鋁合金相粘接的車輪，CFRP壓縮成型時間可縮短至10分鐘左右。日本CFRP生產(chǎn)廠家UCHIPA公司導(dǎo)入了CFRP自動化生產(chǎn)線，包括熱固性樹脂預(yù)浸料壓制成型、熱塑性樹脂RTM成型和熱塑性樹脂預(yù)浸料壓制成型，共3種成型方法，并與蘭博基尼公司在名古屋大學(xué)內(nèi)設(shè)立研究所，批量生產(chǎn)汽車部件和無人直升機(jī)葉片等。
日本東麗、豐田和東京大學(xué)等已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)全面采用碳纖維的汽車，推進(jìn)加工技術(shù)等的研究，預(yù)計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應(yīng)用。
目前，不少汽車生產(chǎn)工廠直接與碳纖維制造商合作以便制造可用的零部件。如贏創(chuàng)同江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)與帝人集團(tuán)東邦特納克斯(Toho Tenax)共同研發(fā)CFRP；荷蘭皇家曇卡草坪(TenCate)與日本東麗達(dá)成了長期供應(yīng)協(xié)議；東麗與戴姆勒(Daimler)達(dá)成共同研發(fā)協(xié)議，為梅賽德斯—奔馳研發(fā)CFRP部件。
而中國在此領(lǐng)域也做出了成績。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學(xué)研究所等單位聯(lián)合承擔(dān)的“碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”項目研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料汽車部件的自動化制備，效率達(dá)到56件/天，并分別采用APA6及PCB噸熱塑性單體經(jīng)原位聚合成型制備出大尺寸復(fù)合材料汽車底板。
跨越式發(fā)展才能把握機(jī)遇
隨著美、歐、日政府制定了汽車在2015和2020年的節(jié)能減排指標(biāo)后，我國在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012～2020)》中，也提出了2015年和2020年汽車企業(yè)平均新車的油耗各為6.9L/Km和5.0L/Km的指標(biāo)。為此今年4月22日在上海舉辦的“2014汽車輕量化與CFRP技術(shù)應(yīng)用國際研討會”，重點探討了如何加速CFRP汽車在中國的產(chǎn)業(yè)化，并將籌建“中國汽車非金屬材料輕量化戰(zhàn)略聯(lián)盟”。
但我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)上大大落后于日美企業(yè)，目前還沒有批量生產(chǎn)高模量碳纖維的能力。中國碳纖維復(fù)合材料主要用于體育休閑、建筑補(bǔ)強(qiáng)等中、低端市場，鮮少用于汽車工業(yè)。中國復(fù)合材料集團(tuán)公司董事長張定金表示，盡管汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還存在眾多技術(shù)難題，但碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。不斷提高制造技術(shù)，打通從原料到加工的技術(shù)障礙，以最低的成本獲得最好性能是努力的目標(biāo)。要想在汽車應(yīng)用上實現(xiàn)突破，我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)還需注重與樹脂供應(yīng)商、中間產(chǎn)品生產(chǎn)商和設(shè)備制造商的合作。
羅益鋒表示，國際上碳纖維的新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，而且朝生產(chǎn)高效化、品質(zhì)超高性能化和成本下降的趨勢發(fā)展。超級碳纖維的出現(xiàn)，打破了以往碳纖維是脆性材料的舊觀念，可拓展到防彈等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；相對廉價的碳芯-碳化硅纖維(C-Si碳纖維)的出現(xiàn)，將進(jìn)一步拓展碳纖維在高端和一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，新型CFRP快速成型固化劑的出現(xiàn)，可使碳纖維增強(qiáng)熱固型樹脂的成型時間縮短至1分鐘以內(nèi)，從而進(jìn)一步拓展在尖端領(lǐng)域和一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我國應(yīng)走跨越式發(fā)展碳纖維和CFRP的道路，采用最先進(jìn)的技術(shù)，才能在短期內(nèi)超越群雄。
通常情況下，車身自重約消耗70%的燃油，因此降低汽車油耗的首要問題就是減輕汽車自重。日本的碳纖維制造協(xié)會曾經(jīng)做過一個關(guān)于碳纖維生命周期的測試，采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量，不僅燃料應(yīng)用效率極大提高，而且間接地降低了二氧化碳排放，作為環(huán)保材料的碳纖維受到全世界的關(guān)注。圍繞“碳纖維汽車”，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)，國際碳纖維巨頭也紛紛擴(kuò)能，搶占這一具有巨大潛力的市場。
中國新材料技術(shù)協(xié)會會長、全國特種合成纖維信息中心主任羅益鋒認(rèn)為，今后CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)需求增長最快的將是汽車工業(yè)，預(yù)計到2020年的消費量將接近于航空航天與軍工領(lǐng)域(約23000噸)。而我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)由于自身實力上的差距，目前鮮少涉足汽車用領(lǐng)域，唯有跨越式發(fā)展才可能把握住“汽車機(jī)會”。
車用碳纖維需求有望激增
近年來，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用部位不斷擴(kuò)大。2010年豐田上市的跑車?yán)卓怂_斯LFA全面采用CFRP制造車體，成為了關(guān)注的焦點，但其價格也創(chuàng)下了日本國產(chǎn)車中最高的3750萬日元。其后，寶馬集團(tuán)通過開發(fā)多種技術(shù)提高生產(chǎn)效率，終于將CFRP成功地應(yīng)用于量產(chǎn)車。
寶馬的碳纖維原絲供應(yīng)商是日本三菱麗陽。自2012年以來，三菱麗陽不斷擴(kuò)大碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，收購了日本CFRP零件制造商Challenge公司等多家企業(yè)，并計劃2014年度以后增加美國工廠的設(shè)備，將年生產(chǎn)能力在現(xiàn)有約1萬噸的基礎(chǔ)上擴(kuò)大到2萬噸，將向作為主要客戶的寶馬汽車公司(BMW)擴(kuò)大供貨。
寶馬公司還與汽車碳纖維生產(chǎn)商SGL Carbon(SGL)合作計劃投資逾1億歐元，將碳纖維產(chǎn)量從每年3000噸提高到6000噸，用來滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車的市場需求，并同時應(yīng)用在預(yù)計將于明年底上市的寶馬7系車上。
日本東麗集團(tuán)于去年9月斥資近700億日元，收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司(Zoltek)，藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應(yīng)商，將產(chǎn)品全球份額提高到30%。而全球第二大碳纖維廠商日本帝人則與美國通用汽車在碳纖維技術(shù)利用方面展開了合作，預(yù)計2014年將在美國新建工廠，并面向量產(chǎn)車供應(yīng)碳纖維。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手研發(fā)成主流
因為需求增加，在汽車行業(yè)的應(yīng)用成為各大碳纖維廠商加緊研發(fā)的重點，相關(guān)碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)不斷獲得新的突破。
碳纖維是將丙烯等纖維在無氧狀態(tài)下“蒸烤”炭化制成。把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才能成為CFRP。飛機(jī)等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構(gòu)件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強(qiáng)度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。寶馬i3使用的CFRP采用了無須加壓加熱的新工藝——RTM(樹脂傳遞模塑)，即把預(yù)成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結(jié)合，可在10分鐘以內(nèi)成型。
為實現(xiàn)汽車車輪的的輕量化和高強(qiáng)化，三菱麗陽與車輪生產(chǎn)廠家ENKEI公司共同開發(fā)CFRP與鋁合金相粘接的車輪，CFRP壓縮成型時間可縮短至10分鐘左右。日本CFRP生產(chǎn)廠家UCHIPA公司導(dǎo)入了CFRP自動化生產(chǎn)線，包括熱固性樹脂預(yù)浸料壓制成型、熱塑性樹脂RTM成型和熱塑性樹脂預(yù)浸料壓制成型，共3種成型方法，并與蘭博基尼公司在名古屋大學(xué)內(nèi)設(shè)立研究所，批量生產(chǎn)汽車部件和無人直升機(jī)葉片等。
日本東麗、豐田和東京大學(xué)等已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)全面采用碳纖維的汽車，推進(jìn)加工技術(shù)等的研究，預(yù)計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應(yīng)用。
目前，不少汽車生產(chǎn)工廠直接與碳纖維制造商合作以便制造可用的零部件。如贏創(chuàng)同江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)與帝人集團(tuán)東邦特納克斯(Toho Tenax)共同研發(fā)CFRP；荷蘭皇家曇卡草坪(TenCate)與日本東麗達(dá)成了長期供應(yīng)協(xié)議；東麗與戴姆勒(Daimler)達(dá)成共同研發(fā)協(xié)議，為梅賽德斯—奔馳研發(fā)CFRP部件。
而中國在此領(lǐng)域也做出了成績。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學(xué)研究所等單位聯(lián)合承擔(dān)的“碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”項目研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料汽車部件的自動化制備，效率達(dá)到56件/天，并分別采用APA6及PCB噸熱塑性單體經(jīng)原位聚合成型制備出大尺寸復(fù)合材料汽車底板。
跨越式發(fā)展才能把握機(jī)遇
隨著美、歐、日政府制定了汽車在2015和2020年的節(jié)能減排指標(biāo)后，我國在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012～2020)》中，也提出了2015年和2020年汽車企業(yè)平均新車的油耗各為6.9L/Km和5.0L/Km的指標(biāo)。為此今年4月22日在上海舉辦的“2014汽車輕量化與CFRP技術(shù)應(yīng)用國際研討會”，重點探討了如何加速CFRP汽車在中國的產(chǎn)業(yè)化，并將籌建“中國汽車非金屬材料輕量化戰(zhàn)略聯(lián)盟”。
但我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)上大大落后于日美企業(yè)，目前還沒有批量生產(chǎn)高模量碳纖維的能力。中國碳纖維復(fù)合材料主要用于體育休閑、建筑補(bǔ)強(qiáng)等中、低端市場，鮮少用于汽車工業(yè)。中國復(fù)合材料集團(tuán)公司董事長張定金表示，盡管汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還存在眾多技術(shù)難題，但碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。不斷提高制造技術(shù)，打通從原料到加工的技術(shù)障礙，以最低的成本獲得最好性能是努力的目標(biāo)。要想在汽車應(yīng)用上實現(xiàn)突破，我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)還需注重與樹脂供應(yīng)商、中間產(chǎn)品生產(chǎn)商和設(shè)備制造商的合作。
羅益鋒表示，國際上碳纖維的新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，而且朝生產(chǎn)高效化、品質(zhì)超高性能化和成本下降的趨勢發(fā)展。超級碳纖維的出現(xiàn)，打破了以往碳纖維是脆性材料的舊觀念，可拓展到防彈等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；相對廉價的碳芯-碳化硅纖維(C-Si碳纖維)的出現(xiàn)，將進(jìn)一步拓展碳纖維在高端和一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，新型CFRP快速成型固化劑的出現(xiàn)，可使碳纖維增強(qiáng)熱固型樹脂的成型時間縮短至1分鐘以內(nèi)，從而進(jìn)一步拓展在尖端領(lǐng)域和一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我國應(yīng)走跨越式發(fā)展碳纖維和CFRP的道路，采用最先進(jìn)的技術(shù)，才能在短期內(nèi)超越群雄。
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