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“轻”机遇——助国产高性能纤维腾飞

经过10多年的快速发展和奋起直追,我国高性能纤维及其复合材料产业目前已经取得了突破性发展。尤其是近几年,产业紧紧把握“汽车轻量化”发展机遇,插上了快速腾飞的“翅膀”。轻量化是制造业核心技术之一,高性能纤维,尤其是碳纤维及其复合材料在其中能够“大展拳脚”,发挥关键作用。

从国际市场看,宝马、福特、通用、大众等知名汽车企业都与碳纤维企业紧密合作,全球几乎所有的汽车企业均有碳纤维车研发项目。目前,我国在轻量化技术方面的研究已经具备一定的基础,一批本土汽车企业对于碳纤维的研究和应用也在加速。相信在集合多方智慧的“高性能纤维与汽车轻量化发展战略研究”项目的有效推动下,国产高性能纤维与汽车轻量化发展将大大推进。

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碳纤维为轻量化立下“汗马功劳”

轻量化技术是制造业的核心技术之一,如运输工具减排降耗,机械运动惯量减少、精度提高、能耗减少,海洋化工装备防腐蚀等都要运用轻量化技术,世界各国对此高度重视。

以美国为例,2015年,美国投资2.5亿美元宣布成立国家轻量化复合材料研究所,有122个单位参加,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。2016年4月,美国又成立革命性纤维研究所,投资3亿美元,有89个单位参加。

而纤维增强复合材料是目前综合性能最好、在工程上应用广泛的轻量化材料,其中,高性能纤维是关键。目前,全球主要高性能纤维产能为33万吨,其中,碳纤维产能约12.3万吨,芳纶产能约12.02万吨。

我国高性能纤维产能目前约7.3万吨,碳纤维产能1.5万吨,产量4000吨,开工率20%,且企业基本处于亏损状态,这种现状与我国的经济地位不匹配。我国约有碳纤维企业30多家,但企业规模整体偏小,产能较大的企业年产能仅有1000吨~3000吨。而日本东丽的碳纤维年产能为2.11万吨,美国卓尔泰克的碳纤维年产能为1.95万吨。

除了在规模方面无法与国际“龙头”碳纤维企业抗衡,我国还缺乏大丝束碳纤维技术及其产业链,而大丝束是碳纤维未来的发展方向。同时,我国还面临碳纤维复合材料产业链及价值链不合理、碳纤维制造高效低成本新技术研发投入少等挑战。

整体看,我国终端企业使用碳纤维技术相对滞后,碳纤维企业规模小,抗风险能力弱,受到国外规模企业的降价打压,开工率低,大部分企业亏损,影响品质稳定和运行成本。

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另一方面,汽车是我国支柱产业之一,新能源汽车是国家战略新兴产业,预计到2020年我国新能源汽车将达到500万辆,轻量化则是汽车减排降耗的必由之路,是提高新能源汽车续航里程最有效的技术途径之一。而在汽车轻量化领域,碳纤维及其复合材料能够立下“汗马功劳”。汽车轻量化的里程碑事件是,2015年,宝马i3、i8电动车成功商业化,采用全碳纤维车身,重量151公斤,而价格约3.4万欧元,与金属车的价格相当。

目前在国际市场上,几乎所有汽车企业都开展了碳纤维及其复合材料汽车或零部件研发,也与碳纤维企业紧密合作,如日产本田汽车与东丽、宝马与西格里、福特汽车与陶氏化学、通用汽车与帝人都有合作。

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 国产汽车碳纤维应用加速

我国高性能纤维与汽车轻量化发展目前已经取得了一定的成果。

奥新新能源汽车有限公司是首个国内“吃螃蟹者”。2015年,该公司研发成功首量碳纤维新能源汽车,2016年3月通过所有测试。目前,该公司正在建设年产2万辆碳纤维车身电动车生产线。

奥新新能源汽车轻量化的研究重点体现在以下几方面:碳纤维车身与铝合金底盘的一体化设计方法,碳纤维复合材料车身结构CAE仿真方法,轻量化纯电动轿车及其关键部件的低成本自动化制造技术,轻量化纯电动轿车试验与评价体系,低成本大丝束碳纤维的制造技术。

我国第一个使用碳纤维零部件的量产车型是北京汽车BJ40碳纤维发动机盖。目前北汽在部分萨博系列车上初步尝试运用碳纤维减重,在一款量产大型SUV上搭载了碳纤维车盖,运用了T300、T700和小丝束碳纤维。

北汽也在进行多方面的轻量化研发,建立了轻量化管理、专家技术指导委员会等机构,公司旗下二级单位围绕整车和零部件的轻量化设计、轻量化材料和制造、轻量化知识产权和核心技术群等形式展开轻量化工作。今年3月,北汽还成立了工作小组,前往欧洲,与号称欧洲“轻量化摇篮”的一所大学接触并进行深度合作,双方确立了十大方向的轻量化共同研发内容。

北京汽车研究院副院长王旭介绍,未来汽车技术创新将在互联网+、智能化、电动化和轻量化的基础上创造更多可能,四大趋势驱动行业革新发展。在碳纤维应用方面,北汽正在全力推进产学研合作,如与东华大学等高校及研究所合作,进行课题研究及专项技术开发,与康得新复材等企业建立战略合作伙伴关系,形成“外覆盖件-结构件”的三步走碳纤维部件开发战略,逐步推进碳纤维复合材料在汽车中的应用,加快商用车、乘用车和新能源汽车的轻量化步伐。

值得一说的是,在汽车轻量化使用碳纤维产学研合作方面,这几年国内开展了大量工作。例如奥新新能源汽车有限公司和东华大学紧密合作,优化零部件结构与制造效率、制造成本等技术,研发自动化量产技术与装备;东华大学、宁波材料研究所与奇瑞汽车合作,在汽车底板、传动轴、防撞梁、吸能盒、踏板等方面展开研究。

在这个过程中,国产碳纤维及其复合材料企业的突破发展和提升也至关重要。例如奥新所在的江苏,目前碳纤维产业化已经具备一定基础,产业链正在逐步完善,尤其是对于发展汽车用碳纤维的产业化比较重视,中复神鹰(碳纤维产能2500吨/年)、恒神股份(碳纤维产能3000吨/年)等国内碳纤维行业的“龙头”企业都位于该省。

碳纤维企业在技术上的突破,使原丝和碳纤维及其复合材料成本降低,在为国产汽车轻量化提供坚实基础的同时,也促进了企业自身的发展。对此吉林化纤有限公司董事长宋德武表示,吉化的碳谷公司已经初步具备了生产T700碳纤维的条件,下一步,吉化将朝低成本、大丝束和工业化方向努力,与下游厂家精诚合作,广泛开发24K、48K碳纤维产品在汽车等市场领域的应用。

“如果碳纤维及其复合材料汽车部件的可靠性经过用户考验,依据数学模型研究我们发现,运用碳纤维复合材料的模具价格其实并不高,我们在开发应用中也获得了信心。今后,碳纤维复合材料的价格还将往下走,其成本还能再降20%,汽车企业用得起、开发得起很重要。”王旭这样强调道。

发展战略分两个阶段

近几年我国在高性能纤维与汽车轻量化发展方面取得的突破和发展有目共睹。但不可否认,目前,我国乘用车重量平均比欧洲汽车重5%~10%,商用车更是比欧洲汽车重17%,我国汽车行业的轻量化需求仍然迫切。

也必须认识到,我国高性能纤维与汽车轻量化发展仍面临一系列“瓶颈”,涉及的方面主要包括:缺乏复合材料整车及零部件设计准则、数据库与评价标准;复合材料零部件制造节拍慢,自动化程度低,生产成本高;从碳纤维到复合材料汽车整个产业链的合作机制仍需深化;碳纤维汽车维修、回收及循环利用技术体系亟待建立;车用低成本碳纤维及其中间体材料产业链仍需加强;轻量化科技创新体系科技投入不足;具有汽车学科基础又有材料学科基础的交叉人才队伍需要加强培养。

同时,我国高性能纤维与汽车轻量化产业发展战略分为两个阶段。第一阶段为2016年~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。第二阶段为2020年~2025年,逐步推广应用到整个汽车产业,争取使用碳纤维2万吨~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%。

 

部分内容来源:“中华纺织网”

 

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