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国产碳纤维如何抓住“汽车机会”?
康佳媛/文 2014/10/29
由于碳纤维复合材料具有质轻、比强度高、设计自由度高、集成性强等优点,碳纤维复合材料逐渐成为汽车轻量化材料的新宠。在不久前的2014年北京车展上,碳纤维成了各种豪车之外的另一个主角。布加迪Black Bess传奇限量版采用全黑色碳纤维打造,科尼赛克One:1跑车车身配有碳纤维轮圈。
通常情况下,车身自重约消耗70%的燃油,因此降低汽车油耗的首要问题就是减轻汽车自重。日本的碳纤维制造协会曾经做过一个关于碳纤维生命周期的测试,采用碳纤维加固的汽车因减轻了自身重量,不仅燃料应用效率极大提高,而且间接地降低了二氧化碳排放,作为环保材料的碳纤维受到全世界的关注。围绕“碳纤维汽车”,全世界的汽车企业展开了激战,国际碳纤维巨头也纷纷扩能,抢占这一具有巨大潜力的市场。
中国新材料技术协会会长、全国特种合成纤维信息中心主任罗益锋认为,今后CFRP(碳纤维增强复合材料)需求增长最快的将是汽车工业,预计到2020年的消费量将接近于航空航天与军工领域(约23000吨)。而我国碳纤维生产企业由于自身实力上的差距,目前鲜少涉足汽车用领域,唯有跨越式发展才可能把握住“汽车机会”。
 
车用碳纤维需求有望激增
 
近年来,碳纤维复合材料在汽车上的应用部位不断扩大。2010年丰田上市的跑车雷克萨斯LFA全面采用CFRP制造车体,成为关注的焦点,但其价格也创下了日本国产车中最高的3750万日元。其后,宝马集团通过开发多种技术提高生产效率,终于将CFRP成功地应用于量产车。
宝马的碳纤维原丝供应商是日本三菱丽阳。自2012年以来,三菱丽阳不断扩大碳纤维产业链,收购了日本CFRP零件制造商Challenge公司等多家企业,并计划2014年度以后增加美国工厂的设备,将年生产能力在现有约1万吨的基础上扩大到2万吨,将向作为主要客户的宝马汽车公司(BMW)扩大供货。
宝马公司还与汽车碳纤维生产商SGL Carbon(SGL)合作计划投资逾1亿欧元,将碳纤维产量从每年3000吨提高到6000吨,用来满足不断增长的宝马i系列电动汽车的市场需求,并同时应用在预计将于明年底上市的宝马7系车上。
日本东丽集团于去年9月斥资近700亿日元,收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司(Zoltek),藉此一跃成为全球最大的碳纤维供应商,将产品全球份额提高到30%。而全球第二大碳纤维厂商日本帝人则与美国通用汽车在碳纤维技术利用方面展开了合作,预计2014年将在美国新建工厂,并面向量产车供应碳纤维。
 
强强联手研发成主流
 
因为需求增加,在汽车行业的应用成为各大碳纤维厂商加紧研发的重点,相关碳纤维复合材料生产技术不断获得新的突破。
碳纤维是将丙烯等纤维在无氧状态下“蒸烤”炭化制成。把碳纤维在平面上排列或编织成片,再用树脂加固之后才能成为CFRP。飞机等使用的CFRP在成型时,要在专用釜中加热加压,使构件硬化。这样做虽然可以获得极高的强度,但成型需要若干小时,而且成本高昂。宝马i3使用的CFRP采用了无须加压加热的新工艺——RTM(树脂传递模塑),即把预成型的碳纤维布放入模具,高压注入树脂,使纤维与树脂结合,可在10分钟以内成型。
为实现汽车车轮的的轻量化和高强化,三菱丽阳与车轮生产厂家ENKEI公司共同开发CFRP与铝合金相粘接的车轮,CFRP压缩成型时间可缩短至10分钟左右。日本CFRP生产厂家UCHIPA公司导入了CFRP自动化生产线,包括热固性树脂预浸料压制成型、热塑性树脂RTM成型和热塑性树脂预浸料压制成型,共3种成型方法,并与兰博基尼公司在名古屋大学内设立研究所,批量生产汽车部件和无人直升机叶片等。
日本东丽、丰田和东京大学等已经在联手开发全面采用碳纤维的汽车,推进加工技术等的研究,预计最早到2020年,重量减轻6成、安全性更高的新能源汽车将全面投入实际应用。
目前,不少汽车生产工厂直接与碳纤维制造商合作以便制造可用的零部件。如赢创同江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)与帝人集团东邦特纳克斯(Toho Tenax)共同研发CFRP;荷兰皇家昙卡草坪(TenCate)与日本东丽达成了长期供应协议;东丽与戴姆勒(Daimler)达成共同研发协议,为梅赛德斯—奔驰研发CFRP部件。
而中国在此领域也做出了成绩。中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”项目研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备,能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备,效率达到56件/天,并分别采用APA6及PCB吨热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。
 
跨越式发展才能把握机遇
 
随着美、欧、日政府制定了汽车在2015和2020年的节能减排指标后,我国在《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020)》中,也提出了2015年和2020年汽车企业平均新车的油耗各为6.9L/km和5.0L/km的指标。为此今年4月22日在上海举办的“2014汽车轻量化与CFRP技术应用国际研讨会”,重点探讨了如何加速CFRP汽车在中国的产业化,并将筹建“中国汽车非金属材料轻量化战略联盟”。
但我国碳纤维生产企业在技术上大大落后于日美企业,目前还没有批量生产高模量碳纤维的能力。中国碳纤维复合材料主要用于体育休闲、建筑补强等中、低端市场,鲜少用于汽车工业。中国复合材料集团公司董事长张定金表示,尽管汽车行业中大规模使用碳纤维还存在众多技术难题,但碳纤维在汽车领域应用前景广阔。不断提高制造技术,打通从原料到加工的技术障碍,以最低的成本获得最好性能是努力的目标。要想在汽车应用上实现突破,我国碳纤维生产企业还需注重与树脂供应商、中间产品生产商和设备制造商的合作。
罗益锋表示,国际上碳纤维的新技术和新工艺不断涌现,而且朝生产高效化、品质超高性能化和成本下降的趋势发展。超级碳纤维的出现,打破了以往碳纤维是脆性材料的旧观念,可拓展到防弹等产业领域;相对廉价的碳芯—碳化硅纤维(C—Si碳纤维)的出现,将进一步拓展碳纤维在高端和一般工业领域的应用,新型CFRP快速成型固化剂的出现,可使碳纤维增强热固型树脂的成型时间缩短至1分钟以内,从而进一步拓展在尖端领域和一般产业领域的应用。我国应走跨越式发展碳纤维和CFRP的道路,采用最先进的技术,才能在短期内超越群雄。
 
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