高性能纖維如何打響“陸空戰(zhàn)”？

　　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(fù)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(dá)國家之間仍存在的15年左右的差距（中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)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(yīng)用必須突破；所謂“空中戰(zhàn)役”，是指在大飛機(jī)等領(lǐng)域的輕量化技術(shù)和應(yīng)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(jì)建設(shè)、科技進(jìn)步等領(lǐng)域不可或缺的重要戰(zhàn)略物資，也是低碳經(jīng)濟(jì)和先進(jìn)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(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，對國家安全和社會(huì)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(yīng)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及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸?！?/p>

　　因此，在查找我國高性能纖維及其復(fù)合材料在下游領(lǐng)域應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)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(shí)際狀況，尋找到下一步發(fā)展的突破口和著力點(diǎn)至關(guān)重要。

　　“汽車戰(zhàn)” 配合新能源汽車技術(shù)開發(fā)是突破口

　　高性能纖維具有眾多的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，汽車輕量化是其潛在的最大應(yīng)用領(lǐng)域，也是碳纖維市場的主要推動(dòng)力。汽車輕量化碳纖維復(fù)合材料應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，復(fù)合材料的運(yùn)用也可提升汽車外觀和內(nèi)飾設(shè)計(jì)的時(shí)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(yīng)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(fù)合材料產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

　　而談起汽車的輕量化，必須要知道一個(gè)標(biāo)志性事件。德國寶馬公司于2014年實(shí)現(xiàn)了全碳纖維汽車的批量生產(chǎn)，而且價(jià)格與金屬材料的汽車相當(dāng)。BMWi3采用全碳纖維車身，車身由30多個(gè)零部件膠結(jié)而成，便于維修———整個(gè)模塊由標(biāo)準(zhǔn)件替換。

　　東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任余木火指出：“輕量化是低碳經(jīng)濟(jì)和先進(jìn)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(dòng)車的成功商業(yè)化表明，技術(shù)進(jìn)步和用量的擴(kuò)大，使碳纖維復(fù)合材料的成本可以大幅度下降，復(fù)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)?！?/p>

　　數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球汽車產(chǎn)量為6400萬輛，日本東麗公司預(yù)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，將與航空航天領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)合材料在汽車方面的應(yīng)用。澳新汽車總經(jīng)理史踐介紹，該公司研發(fā)了多款碳纖維電動(dòng)車車身，正在建立2萬輛生產(chǎn)線。長城華冠汽車公司也研發(fā)成功了K50碳纖維超級(jí)跑車。威海光威復(fù)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(xué)（威海）進(jìn)行校企合作，摸索碳纖維無模塊成型技術(shù)（板條法）在大學(xué)生方程式賽車方面的應(yīng)用。但整體看，我國在這方面仍剛剛起步。

　　廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司專家委員會(huì)主任陳建偉指出，我國高性能纖維及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用推廣，可以分為3個(gè)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(rèn)為，我國要實(shí)現(xiàn)高性能纖維及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用并形成社會(huì)效益，還存在“基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用”和“經(jīng)濟(jì)型”兩大瓶頸。他建議，分兩步進(jìn)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(jì)、制造、試驗(yàn)、回收的技術(shù)和手段）的國家示范工程，形成開放的、可以進(jìn)行復(fù)制推廣的應(yīng)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(fù)合材料汽車新技術(shù)應(yīng)用，吸引鼓勵(lì)社會(huì)資本、企業(yè)、機(jī)構(gòu)參與新技術(shù)應(yīng)用、二次開發(fā)和再創(chuàng)新，從而開發(fā)出更多和更經(jīng)濟(jì)的典型應(yīng)用，應(yīng)用成本預(yù)期可出現(xiàn)大幅下降，從而進(jìn)一步推動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用普及，達(dá)到運(yùn)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(xiàng)目給予資金扶持，用5年左右的時(shí)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(yīng)提供適度的扶持資金，激發(fā)行業(yè)對這一新應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行推廣普及，起到“催化劑”作用。

　　而為推進(jìn)該項(xiàng)工作，中國工程院已專門成立了2015年度咨詢研究項(xiàng)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(xiàng)目，項(xiàng)目于今年3月20日在東華大學(xué)召開了啟動(dòng)會(huì)。據(jù)項(xiàng)目秘書長余木火介紹，該項(xiàng)目將通過考察調(diào)研、研討會(huì)等形式對國內(nèi)外高性能纖維與復(fù)合材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行研究，形成給政府的咨詢建議報(bào)告。本次論壇也成為該項(xiàng)目的一個(gè)主要交流平臺(tái)。

　　“軌道交通戰(zhàn)”　抓住動(dòng)車、高鐵大發(fā)展機(jī)遇

　　高鐵和城市軌道交通、海上交通運(yùn)輸裝備也迫切需要高性能纖維與復(fù)合材料。而碳纖維復(fù)合材料、對位芳綸復(fù)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(tái)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(jī)車頭部前突部分采用芳綸復(fù)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減重1775公斤，8節(jié)編組共計(jì)減重14200公斤。按照時(shí)速200公里，每牽引一噸重量大約需要消耗12千瓦電力計(jì)算，一組列車將降耗170千瓦。按照時(shí)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(jì)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(hù)工作。

　　此外，芳綸復(fù)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(yīng)用了高強(qiáng)度的芳綸復(fù)合材料襯層保護(hù)車輛底部安全性。

　　目前，全球范圍內(nèi)芳綸蜂窩板已應(yīng)用在包括高速列車、雙層列車、地鐵和城市軌道列車等5000多輛列車上。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、地板和櫥柜等內(nèi)飾部件?！昂唵蔚卣f，在國內(nèi)北方地區(qū)，當(dāng)你坐上CRH5的時(shí)候，車上能看到的所有內(nèi)部東西都是使用芳綸蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制造的?！鄙虾Ｌ匾恍虏牧瞎炯夹g(shù)經(jīng)理衛(wèi)平這樣說道。

　　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(dòng)車、高鐵、城軌等列車都將全面使用“質(zhì)輕高強(qiáng)”的芳綸蜂窩夾層材料，國內(nèi)高性能纖維企業(yè)應(yīng)緊緊抓住這一機(jī)遇，盡快提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低材料成本，擴(kuò)大在軌道交通領(lǐng)域的市場空間。

　　“空中戰(zhàn)”　借適航論證建立質(zhì)量認(rèn)證和評(píng)價(jià)體系

　　事實(shí)上，輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)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(jī)的輕量化目前在國際上已經(jīng)比較成熟，其發(fā)展步伐遠(yuǎn)快于汽車的輕量化。

　　上世紀(jì)70年代伊朗出現(xiàn)了石油危機(jī)，降低油耗成為航空公司對飛機(jī)制造商提出的迫切需求，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化是降低油耗的首選。以此為推動(dòng)，飛機(jī)生產(chǎn)廠商，特別是波音和空客之間的競爭加快了飛機(jī)輕量化技術(shù)的升級(jí)換代。歷經(jīng)40年，國際市場從技術(shù)上解決了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)的工程化應(yīng)用難題。

　　據(jù)介紹，大型客機(jī)起飛重量占機(jī)體的結(jié)構(gòu)重量約為30%，結(jié)構(gòu)重量的輕量化直接影響燃料的減少，也影響發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼、著陸架的小型化。所以，降低一公斤結(jié)構(gòu)重量，起飛重量可減少2公斤~5公斤。

　　而這種減重，就需要依靠復(fù)合材料。復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量的力學(xué)性能，同時(shí)，具有耐沖性好、防護(hù)性能高、設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異的綜合性能，可在飛機(jī)上大量的應(yīng)用。

　　有機(jī)構(gòu)預(yù)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(dá)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(dá)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(yīng)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，加快了輕量化技術(shù)的突破和應(yīng)用。

　　除了碳纖維復(fù)合材料，芳綸復(fù)合材料也是大型客機(jī)重要材料。如中國商飛C919大飛機(jī)上，芳綸紙蜂窩應(yīng)用于襟翼、副翼、擾流板、小翼，機(jī)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。而波音和空客客機(jī)約25%的外部材料和95%的內(nèi)飾都采用更輕的芳綸蜂窩復(fù)合材料。

　　據(jù)測算，碳纖維/環(huán)氧/NOMEX蜂窩芯復(fù)合材料用于機(jī)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%。

　　比較典型的案例是，空客A310使用了2000公斤的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，使飛機(jī)減輕了391公斤。若以短距離運(yùn)行情況看，每年以飛行3000小時(shí)計(jì)算，20年時(shí)間節(jié)約燃料約600噸以上。

　　上海飛機(jī)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(jī)制造行業(yè)也已經(jīng)大量運(yùn)用，但是，所運(yùn)用的高性能纖維及其復(fù)合材料基本都還依賴進(jìn)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(jī)適航認(rèn)證，將成為中國商飛首家非金屬材料合格供應(yīng)商?！胺季]蜂窩材料已經(jīng)在飛機(jī)行業(yè)成熟運(yùn)用了30多年，逐步大量運(yùn)用芳綸蜂窩材料及相關(guān)復(fù)合材料對于飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展起到了非常重要的作用?！?/p>

　　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(jī)項(xiàng)目迫切需要高性能纖維及其復(fù)合材料的技術(shù)。通過大型飛機(jī)對高端復(fù)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(fù)合材料的質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)體系，提高我國高性能纖維的質(zhì)量。（本報(bào)記者同黎娜）

來源：中國紡織報(bào)

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