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行业分析

车用碳纤维复材需求激增,国内企业该如何把握机会
来源:搜狐  2015-10-12 14:01:32
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2104

碳纤维复合材料应用于汽车
  几十年前,就有专家曾预言碳纤维复合材料将会取代金属用来制造汽车结构件。现在这个预言已成为事实。碳纤维复合材料(CFRP),凭借其质量小,强度高、刚性高,良好的耐蠕变与耐腐蚀性的特点吸引了法拉利、宝马、兰博基尼、玛莎拉蒂、雷克萨斯等众多豪华轿车厂商的垂青,碳纤维复合材料已经成为各厂家出奇制胜的法宝。
  碳纤维是一种具有类石墨结构的人造纤维材料,作为高端原材料在工业和生活中有非常广泛的应用,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。
  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”。
  国外车用碳纤维复材发展迅速
  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,成为了关注的焦点,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2013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。
  碳纤维应用汽车行业存在诸多难题
  虽然碳纤维作为一种轻量化的材料在汽车上有着广泛的应用前景,但想要在汽车行业中大规模使用碳纤维还存在诸多技术难题。
  设计能力:碳纤维复合材料可设计性强,零部件集成设计、碳纤维复合材料铺层设计能力(包括铺层层数、角度、方式)等都需要大量的经验积累,才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势。
  材料选择:根据编织方式的不同(如平纹,斜纹,多轴向),每个牌号的碳纤维织物性能各有差异,因此,在满足安全性能的前提下,选用何种牌号何种编织方式的碳纤维织物都是需要我们进行大量实验来决定。
  价格降低:相对于传统的铝材,复合材料的成本较高,需通过碳纤维规模化的生产及应用,才能降低碳纤维价格。
  零件加工工序:碳纤维通常经过编织-铺贴-与树脂浸润-高温成型,耗费大量劳力且生产效率较低,还需进一步优化工艺或研究新的工艺,缩短加工周期。
  材料连接:碳纤维复合材料属于脆性材料,机械连接会产生应力集中,造成多种形式的失效,需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况,设计连接位置及强度,另外碳纤维具有导电性能,与金属部件连接会产生电化学腐蚀,造成结构失效,需要研究合适的胶接或机械连接材料,达到最好的装配性能。
  材料回收:碳纤维复合材料不溶不熔,以前只能靠填埋或粉碎进行回收,不环保而且资源浪费,需要在回收热固性树脂的同时,最大限度的保持纤维强度,将碳纤维进行回收利用。
  产业衔接:产、学、研结合不够紧密,没有明确定位、合理分工,基础研究和技术开发研究的有机衔接不够.企业规模小而分散,轻量化技术开发能力薄弱,研发人才短缺,工艺水平落后。
  强强联手研发已然成为行业主流
  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。
  国内碳纤维及车用碳纤维复材发展现状
  我国碳纤维消费量大,进口依赖度高,碳纤维产业经历了产品从无到有的阶段,目前产品规模和质量都有待进一步改善。全球产能一半以上都集中在日本和美国,我国的产能占比十分有限。2014年全球碳纤维产能约14.3万吨左右,我国产量仅3200吨。从需求角度看,我国碳纤维消费量很大,消费规模仅次于美国和西欧,占到全球比重的23%,企业对进口的依存度很高。对目前的碳纤维产业来说,技术攻关和产能增量都刻不容缓。
  据了解,目前在碳纤维领域走在前头的主要为日本的三家企业,包括三菱丽阳、东丽公司以及帝人公司,这三家公司基本垄断了全球60%的碳纤维的供应。国内碳纤维生产企业有中石油吉林碳纤维厂、中石化、中国航天、威海拓展等。
  “碳纤维在民用和军用领域的需求每年都在增加,国内产线也一直在上,但是真正能够实现稳定化生产的没有几家。而以最早做碳纤维的吉林化纤为例,虽然这些年公司也一直在发展,但和日本相比,两者的碳纤维发展水平至少还相差30年左右。”业内专家表示。
  虽然我国碳纤维技术与国外差距较大,但我国车用碳纤维复材领域正在迅速发展。2014年5月,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。
  2015年2月,由烟台鼎立汽车部件有限公司自主研制的我国第一台碳纤维复合材料车身,通过国家汽车技术检测中心的检测,车身强度完全符合甚至超过国家检测标准。这台车身与普通用钢材制造的传统大型客车相比,总体重量减少了40%—60%,因此在消耗同样油量或电量的情况下,车辆可多行驶150公里,经济效益显著。由于碳纤维抗拉强度高达3500MPa以上,是钢材的5—10倍,因此较传统车型也更加坚固安全。据了解,这种碳纤维大客车车身生产线将于今年在该公司正式投产,预计年产量1万台,年可实现销售收入30亿元。
  随着我国汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用,轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降,碳纤维复合材料零部件的应用会越来越广泛。
  国产碳纤维企业如何抓住“汽车机会”?
  我国碳纤维生产企业在技术上大大落后于日美企业,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。
  “碳纤维复合材料是汽车轻量化最好的方法之一”这一观点已成为业界不争的事实,在汽车上的应用使碳纤维复合材料开始从军用转向民用。在汽车轻量化蓬勃发展之下,国产碳纤维企业如何抓住“汽车机会呢”?下面三点意见或许可以作为国产碳纤维企业发展的参考。
  企业要围绕碳纤维产业链为出发点
  碳纤维复合材料产业链每个环节的技术的关联度是非常紧密的,可以说是环环紧扣,比如:如市场上没有优质的、大批量和低成本的原丝,要想单独建一个大型的纤维碳化厂可谓是“无米之炊”;而当碳纤维丝束独立存在时却是“英雄无用武之地”,只有与树脂基体结合后才能充分发挥出其优异的力学性能和功能;即便是同样品质的碳纤维,如在复合材料中的排列方式不一样,其各自复合材料的总体性能差异就很大。
  碳纤维如与性能不匹配的树脂复合,也不可能成为高性能的复合材料;即或所有基础材料都是高品质和相匹配,但加工成型的设备和工艺不对,也不可能生产出高品质和高性能的复合材料……
  在整个碳纤维复合材料产业链领域,无论是发展碳纤维产业,还是发展复合材料下游产业,企业的决策者应秉承系统论的思维与战略尤为重要。盲目跟风去发展碳纤维,就很容易误入迷途。同理,不对国内外碳纤维有清晰的认识,对这个行业缺乏了解,盲目发展高性能复合材料,也会陷入被动。
  总之,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,紧紧围绕碳纤维产业链来发展生产。
  需从源头来控制碳纤维复合材料低成本化
  由于碳纤维的生产成本居高不下,不仅企业普遍亏损,许多车企都“望洋兴叹”。国际上业界有一句流行的话:从原材料到碳纤维,价格从1变到3;但把碳纤维加工成复合材料,价格可从3变到10。这句话表达了两层含义:从碳纤维到复合材料,增加的附加值更多;碳纤维在复合材料中的成本是约20%~300%。但必须指出,所谓低成本高性能复合材料不是指绝对的低成本,必须要强调高性能价格比,而且要强调系统下的比较成本优势,比如汽车用碳纤维复合材料,不光要计算其零部件本身的成本,更要计算组合安装成本以及节能减排和绿色环保效应带来的综合效益。否则,只计算零部件的绝对成本,高性能复合材料肯定比传统或常规的复合材料高出很多。
  从结构复合材料的设计开始,就必须充分考虑成本因素,如果设计师在各个环节缺乏相对精确的许用值,不断加大安全系数,设计出的复合材料零件比金属零件还厚重,那低成本就根本无从谈起。
  对于高性能复合材料,成本不仅可以控制,还可以设计。有大量原材料和成型工艺的排列组合可供设计师选择,不同的材料工艺组合就有不同的成本。所以,高水平复合结构的设计人员,不光是优秀的技术人员,也应是精确的成本核算师。
  差异化发展掌握核心技术实现短期超越
  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。
  碳纤维技术缺乏创新,引进设备投资居高不下,也是造成我国碳纤维生产成本高的一个重要原因。在与国外差距越拉越大之下,我国碳纤维企业要在“汽车领域”大有作为的话,应走跨越式发展碳纤维和CFRP的道路,坚持差异化发展道路,坚持自主创新,以研发行业最先进的技术为突破口,并率先为汽车行业所用。
  技术创新离不开人才,据了解,目前我国在碳纤维领域相关研发人员也很缺乏,国内做碳纤维的研究人员主要集中在航空军工领域,汽车领域的则基本没有。面对这种现状,我们应大力发展人才战略,除了学习别人的先进技术,也要把军工领域的专家、技术逐步过渡转移到汽车行业上来,只有这样,我国的碳纤维企业才能在短期内超越群雄。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2104