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蒋士成:高性能纤维及其明博体育在汽车轻量化应用

发布日期:2021-11-28 08:24 来自:明博体育

  2021年10月15日-16日,由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”在重庆举办,长安汽车、地平线作为官方合作伙伴全力支持本次大会。本届供应链大会主题为“补短铸长、融合创新――构建中国汽车供应链新生态”,共同探讨产业政策,交流分享技术,研判产业趋势,展示创新成果,旨在促进产业国内国际互动,凝聚产业链条上下齐心,共谋产业协同发展之路。其中,在10月16日上午举办的主题论坛“汽车材料新动态”上,来自中国石化仪征化纤有限责任公司的中国工程院院士蒋士成发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录:

  各位嘉宾大家上午好!今天我要讲的是碳纤维复合材料在汽车轻量化的应用发展。

  主要是三方面的内容。碳纤维的技术发展现状,以及汽车轻量化应用技术发展,还有最后提的一些建议。

  首先还是要感谢我们汽车行业对中国工程院高性能纤维在汽车轻量化发展研究项目的大力支持。当时我们课题启动以后专门写了一个工程院的建议,有20多位专家对碳纤维复合材料在汽车轻量化方面的应用给国家科技部、发改委、工信部提了建议,得到我们国家管理部门的重视,在今后的几年对这个产业提供了很多政策上的大力支持。

  轻质高强的复合材料在制造业大规模的应用,我们当时的研究是认为将会带来深刻的变革,将为中国的先进制造提供核心竞争力的支撑。轻质高强是材料发展的主题,从最早的石器时代,到目前复合材料。碳纤维复合材料是目前工程上可以大规模应用,比强度最高的材料。高性能碳纤维经过50多年的发展,技术已经比较成熟,大规模的应用时期已经来到。

  那么碳纤维大规模应用时期将会让制造业发生又一次的革命,交通工具的轻量化,节能减排、提高续航里程、抗腐蚀、提高设备的寿命、提升国家的核心竞争力。下面有一个表可以看出来复合材料有碳纤维复合材料、结构钢、铝合金、钛合金等,碳纤维的复合材料综合性能是最好的。

  中国有很多的制造业全球第一,有望引领碳纤维在制造业的应用。各行各业已经开始使用碳纤维复合材料,来提高产品竞争力。中国先进制造的10大优先领域其中有8大领域迫切的需要轻量化碳纤维复合材料。航空航天装备、先进的轨道交通装备、新能源汽车、电力装备、海洋工程装备、高技术的船舶、高数控的机器人、农机装备、高性能的医疗器械,这些领域在我们中国先进制造业来讲都是非常重要的领域。

  中国的高铁和轨道交通,这个领域将来会带动5到10万吨的碳纤维应用。高铁里面的车型内设座椅、车体、转向架、设备舱,还有刹车系统、供电系统,这些都可能是碳纤维复合材料的应用场景。

  大飞机复合材料也是带动碳纤维高端应用的动力。现在我们的国产研发C919的飞机在尾翼上使用了碳纤维复合材料,复合材料的整体用量大概占飞机12%的重量。国产的碳纤维正在认证,将来可以用国产的碳纤维。

  现在正在研发的C929宽体客机,机翼、机身、尾翼都可以使用碳纤维复合材料,复合材料的用量将会占整机的50%以上,C919将来的市场份额会拉动碳纤维复合材料高速发展。

  我们预测中国通用航空的发展也将带动1.5到3万吨的碳纤维应用。中国现有通航企业281家,2020年通用飞机约为6000架,平均每架可以用30到50公斤的碳纤维复合材料。中国通航可以高起点的机身成本可行,欧美20年前的机型。欧洲研发成功的大型客机CFRTP机身。

  大型海上风电领域将带动几万吨碳纤维的应用。从前年开始,风电应用就已经开始井喷,已经应用2.7万吨的碳纤维。5兆瓦以上叶片75吨,20%到25%为碳纤维复合材料最为经济合理,主梁用碳纤维可以减重30%,欧洲研发CFRTP叶片是可回收的。

  化工海洋装备、能源储运,防腐加轻量化也会带动数万吨的碳纤维应用市场。其中碳纤维的天然气压缩气瓶20MPA,碳纤维高压氢气瓶70MPA,以后氢能源汽车也是发展优势。碳纤维增强原油的运输槽车,抗腐蚀的海洋平台,抗腐蚀的舰艇零部件、集装箱,另外加上阀门、泵、管道、弯管法兰也可以用碳纤维复合材料来代替。

  集装箱方面,干货集装箱,冷藏集装箱、罐式集装箱等占世界95%以上。海陆空联运集装箱也是轻量化材料。

  海洋装备也是有潜在的碳纤维应用市场。包括内部管道,舰炮的防护装置,还有客艇等,这在海洋装备也有很大发展前景。

  建筑领域现在已经有很多用得很好了,用碳纤维的复合材料的拉索,苏州河桥梁件套装800亿。还有吊桥拉索吊杆、大型建筑拉索。另外,抗腐蚀的管道阀门泵,城市下水道管道修复,桥梁抗腐蚀等。以及城市环保产业中的污水处理,城市固体垃圾运输轻量化。

  中国汽车产量是全球第一,现在的油耗法规,新能源汽车续航里程将推动碳纤维在汽车大规模应用。新能源汽车产业的技术路线年平均每车有可能使用到碳纤维2%到5%,平均每个车是一吨的线万辆车,会超过的,只要新能源汽车使用,估计碳纤维复合材料在汽车领域有4到10万吨的应用场景。所以现在很多汽车企业,像蔚来、长安、奇瑞、北汽、上汽、广汽、东风、吉利等都在做碳纤维的零部件轻量化的研发准备。

  现在看来经过我们大家的努力,我们已经成为碳纤维生产应用大国。全球碳纤维用量是10.8万吨,中国用4.8万吨,占44.4%。原来在体育器材方面是强项,另外航空、风电用量也很大,以后就是汽车、电子领域。

  中国已经加快碳纤维的建设。目前全球10.6万吨的产量,中国用了4.8万吨,国产3.6万吨。2019年到2021年中国宣布了发展计划要到22万吨的碳纤维产能,预计“十四五”期间就可以成为最大的碳纤维发展国家。下面有一张表,2019年神鹰宣布了万吨计划。光威复材300699)与内蒙古包头九原区政府也有万吨计划。明博体育上海石化600688)投资35亿,也要建24000吨的原丝。广东金辉碳纤维也是宣布了5万吨原丝,2万吨碳纤维复合材料。新疆隆炬新材也是准备建一个万吨的碳纤维。所以这些来看的话,中国的碳纤维在“十四五”有一个更快的发展。

  下面讲一下中国碳纤维在汽车轻量化方面的应用。首先得到了政府和行业的高度重视,并且大力支持。工信部、科技部、国家重点专项,多次立项支持碳纤维在汽车轻量化的应用研发和示范。

  一、碳纤维复合材料。中国汽车工业协会、中国汽车工程学会和纺织工业总会对碳纤维的高度重视。

  二、各方面已经达成共识,积极推进量产车型应用碳纤维复合材料。汽车主机厂、零部件企业、材料供应商、碳纤维制造企业、研发机构等均认为碳纤维在汽车轻量化的重要作用和发展前景。很多主机厂已经从研发样件、样车到寻求量产车型应用碳纤维的整体解决方案。

  三、我们已经准确凝练技术瓶颈,明确技术发展方向。准确凝练出一系列核心关键技术,包括碳纤维低成本化、专用碳纤维开发。

  四、中国碳纤维产业规模正在扩大,有望降低成本,为量产车型应用奠定基础。中国碳纤维现在2020年已经应用3.6万吨,按照今后的发展,应该是有望到达15到20万的能力,成为全球最大规模,碳纤维成本有望降低。

  五、我国已经突破量产车型应用碳纤维的技术经济瓶颈。一批量产汽车车型已经开始使用碳纤维零部件;并有车用CFRP生产企业。

  六、“双碳”倒逼CFRP在量产车型应用。我国的碳排放110亿吨,其中电力占40%,汽车碳排放7%,石油(70%用于汽车燃油)15%。因此汽车节能降耗减排迫在眉睫,任重道远。

  第一点,还是要加强战略研究,为国家提供辅助战略咨询。研究轻量化与节能、减排、提高续航里程的定量关系。制定汽车产业“双碳”技术途径与行动计划。

  2019年全球排放二氧化碳是333亿吨,42%是电力,25%是交通。汽车行业不管是油车还是电车,与碳排放紧密相关。美国政府减少碳排放措施主要是清洁能源和减少汽车排放。轻量化是节能减排的必由之路,轻质高强复合材料是有效的途径。

  全球2020年汽车保有量22亿辆,中国第一,但是碳排指标不按人均。汽车节能减排,迫在眉睫。

  第二点建议是加大支持力度,发挥国家意志,建立中国汽车轻量化CFRP技术体系和供应链体系,形成量产车型应用示范效应。包括碳纤维低成本化,汽车专用高模量低成本碳纤维。CFRP模块化设计,减少零部件数量,降低自动化生产难度。攻克碳纤维与金属混杂结构难题。研发CFRP低成本化自动化量产与装备,提高成型节拍,降低碳纤维的成型成本。

  加强汽车轻量化专用原料开发。加强低成本自动化量产技术与装备开发。加强交叉学科人才培养。

  中国是汽车制造大国,国家期望把新能源汽车培育成为战略支柱产业,“双碳目标”倒逼加速汽车轻量化进程,为碳纤维在量产车型应用创造良机。

  碳纤维在制造业应用规模不断扩大,技术不断进步,产业链不断完善,成本不断降低,为碳纤维在量产车型应用奠定良好的基础。

  中国是汽车制造大国,碳纤维与金属混杂,也是有望提升中国汽车轻量化水平,形成中国特色的汽车产业技术体系,有望形成中国特色的车用碳纤维新兴产业!

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