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独家 | 4.15碳纤维应用研讨会会议笔记

文章来源:unima新材网  2016-04-18

标签:恒神碳纤维复合材料

本文撰写:

申万宏源有色新材料团队徐若旭/刘平(18817559254)/彭瑛,欢迎交流!


上周五(4月15日)举办的第二届碳纤维应用研讨会,邀请了很多产业内知名的专家和企业家来参会。

从我个人参会感受来讲,大家对于碳纤维的前景越来越认可。

特别是在汽车行业,原来公认的一些应用难点(比如成本偏高、生产节拍太低)随着技术工艺的进步都在逐渐被攻克,国内几家大型整车厂商都在为推出碳纤维汽车做准备,汽车行业一定会成为碳纤维应用的下一个风口!

以下为会议详细纪要——


| 东华大学 余木火教授      

复合材料及其产业链低成本进展与发展建议

今天主要交流碳纤维产业链的一些问题。

纤维增强材料是目前人类社会上出现的比强度最高的材料,70年代就开始应用于航空航天上。

最近十年左右,随着成本逐渐降低,才有了大规模工业化应用的可能性。

碳纤维应用于运输工具上能够实现节能减排;应用于机械行业中的运动零部件,减重后能够降低惯性,精确度提高的同时降低能耗;其他应用包括海洋化工装备防腐蚀等。

世界上各个国家近年来对碳纤维在制造业的大规模应用投入很大,德国和日本一向积极,而美国近年来也正在加大投入,2015年以来先后成立了复合材料研究所和美国革命性纤维研究所。

刚结束的人大会议上,十三五规划中提出到2020年需要500万辆新能源汽车,而轻量化是新能源汽车提高续航里程的必经之路,估计届时新能源汽车需要5-7万吨碳纤维,市场空间很大。

碳纤维全球产能13万吨,中国1.5万吨,实际产量只有4000吨,开工率只有20%多,现状是不能让人满意的。

工程院去年成立了一个咨询项目,即高性能纤维在汽车轻量化上的运用。

在对产业链进行调研时,走访了很多国内的碳纤维企业,发现了一些问题。要点总结如下:

1. 设计问题

包括碳纤维材料的各向异性(金属材料是各向同性),材料标准和数据库,与传统材料的连接等等。

国际上复合材料的设计发展比较好,在汽车上开发出了四种应用结构:一种底盘是金属,车身是碳纤维;一种是金属材料里面用碳纤维增强,原来需要用高强钢的地方用普通钢加碳纤维来替代;一种是碳纤维方管骨架来做底盘跟车身一体化,以及用夹心结构来做微型车的。

国内也有很多整车企业在尝试运用碳纤维,比如奥新、北汽、吉利、奇瑞等等。

至于碳纤维汽车零部件就更多了,大概有四十几种。

2. 成本偏高

我们国家有30多家碳纤维企业,但是规模都很小,开工率不高,成本肯定下不来。

还有就是国内大部分为小丝束,48K以上的基本没有。12K以下的市场其实很小,48K以上的在工业上才会有大市场。

低成本碳纤维是一个趋势,日本、美国、德国都花了10年时间研发,现在陆续开始突破了,几家机构新开发的碳纤维对外宣称成本都能够下降一半。

而我国在低成本碳纤维上基本没有投入。美国的橡树林实验室采用等离子体氧化,用这种方法能耗成本更小,已经免费授权给美国少数企业使用。

3. 产业链价值分布不合理

从原丝到碳纤维到织物,成本增加太多,增大了下游客户的负担。

4. 零部件生产节拍慢、自动化程度低,生产成本高

碳纤维在汽车上的应用要解决生产节拍的问题,主要通过自动化和快速固化树脂来提高生产节拍。快速固化树脂已经有了,但是每公斤卖200-300块钱,成本过高。

另外一个是灌注时间,做快速固化的预浸料技术不成熟,只能用一体成型,而一体成型的灌注时间太长。所以织物能否快速浸润也是影响生产节拍的一个因素。

5. 上下游企业的合作

这是阻碍我国碳纤维产业发展的一个原因,加工企业和材料企业在对接上有问题,加工企业对碳纤维材料不熟悉,不敢轻易设计使用;而碳纤维企业要研发一个汽车零部件或飞机零部件,不懂工况的话无法推进。

现在我们组织了一个高性能纤维轻量化产业链支持服务平台,未来会被工信部作为国家级的平台,来加强产业内部合作交流。

工程院之前给国家几个部委做了一个报告,关于中国高性能纤维与轻量化产业发展战略、技术路径与建议。

发展战略上提出第一阶段从2016年到2020年,通过科技攻关,建立高性能纤维与汽车轻量化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。

第二阶段就是能够在汽车行业形成几万吨的应用规模,工程院院士在与汽车工业协会以及轻量化联盟协会交流时,他们提出到2020年汽车行业有1%应用碳纤维,对应需求20万吨,比我们预想的多很多。

Q&A

1. 日本的碳纤维传动轴已经在汽车上成熟应用了,国内应用的主要问题在哪里?

答:最大障碍还是成本,然后技术上也有一些,原来采用胶结的方式存在一定安全隐患。

2. 东华大学方向集中在汽车领域,在体育器材领域有没有研究?

答:医疗康复领域有很大应用前景,正在考虑往这方面拓展。

3. 在研发碳纤维在动车组上(车头)的应用中遇到一些问题,重量降低了20-30%,但价格提高了2-3倍,性价比还不行。低成本碳纤维何时能够开发出来?

答:美国人提出来将碳纤维成本降低一半,60-80元/公斤左右,同时希望制造的成本从80%占比降低到50%,那么如果树脂是50元/公斤,碳纤维是70元/公斤,每公斤复合材料成本就是60块钱左右,加上制造成本是120块钱,和高强钢相比差不多。技术的进步是很快的,可能3-5年之内就可以实现,汽车和高铁上应用新材料都需要很长时间的认证,现在去投资是比较合适。


| 欧洲汽车轻量化联盟理事 宋廷瑞 博士  

汽车碳时代:复合材料支撑汽车革命

今天主要讲几个内容:一是梳理下欧洲汽车轻量化的发展脉络的发展方向;二是介绍下汽车行业比较关心的高压RTM技术;三是汽车行业未来的发展方向,可能会采用哪些新技术。

汽车制造材料的发展,从木头到钢铁到铝镁合金再到碳纤维,之前的材料更换周期比较长,但是我估计碳纤维规模应用会很快。

2001年奥迪董事会决议,到2015年以后,所有奥迪平台的汽车不会有钢铁,而是铝镁合金和碳纤维等轻量化材料。

这对国内一汽奥迪是很大的挑战,因为现在国内铝制品的热成型冲压和碳纤维都没有。

去年开始,我给一汽奥迪做了一个年产5万辆汽车四门两盖用碳纤维零部件项目可行性研究,这个月底会去政府答辩。然后一汽奥迪会从四门两盖开始逐步采用碳纤维。

SESTO ELEMENTO 是汽车发展史上具有颠覆意义、里程碑式的作品,除了轮毂和发动机,其他部位均为碳纤维制作。

其创新之处在于由地板、前围、后围的6个零件拼接成型,取代了原来的48个零件;在工艺上,采用了RTM、缠绕、粘结等多种工艺。


对于传统汽车而言,面临着越来越严苛的排放法规,车身轻量化是必然趋势。而汽车主机厂重点关注的问题有以下几个方面:

第一是原材料来源是否可靠

碳纤维的可获取性不如钢铁和铝合金,国内能够大规模稳定提供廉价碳纤维的不多。

宝马尝试过自己做碳纤维,但是失败了,最后只好联合日本三菱、SGL一起来做。

2001年的时候,宝马和大众几乎同时找到咨询公司来做一个研究,未来20年内什么技术会颠覆现有汽车行业的格局。

得出的结论是一致的,就是到2020年碳纤维制品成本会与铝合金持平,从而颠覆现有汽车产业格局。

所以宝马和大众才会同时去争夺SGL的股份。

第二是工艺

传统汽车的四大传统工艺,冲压、焊接、涂装、总装发展已经很成熟了,但是在面对碳纤维这种新材料时,传统工艺都需要作出改变。

对于小批量、定制化的超跑赛车市场,生产节拍和原材料供应量要求不高,这些特性与航空市场很相似,所以航空上广泛应用的热压罐工艺可以直接移植过来;但是对于大规模量产的商用车市场,现阶段能满足要求的只能是HP—RTM。

第三是成本

大规模生产时必须考虑成本,碳纤维材料浪费越少越好。

现在能参考的大规模量产的碳纤维汽车就是宝马的i3/i8,宝马控股了SGL,采购碳纤维的协议价格是16欧元/公斤,i3的整个碳纤维车架150公斤,成本是3000欧元,如果用高强钢来做,大概是8000-10000元。

碳纤维相比高强钢还是要贵上一倍。    



第四是环保(可回收性)

碳纤维的回收是一个很重要的问题,特别是汽车行业,一方面是节省成本,另一方面汽车行业本身对材料可回收性有要求。

现实生产过程中,裁剪下来的碳纤维边角料做成毡,用于汽车刹车片或者装饰件。

第五是生产节拍

现行的金属冲压件是“60S工艺”,每分钟一个部件时汽车OEMs在金属冲压生产中保持了几十年的生产循环周期。

过去几年,随着创新成型工艺的不断推出,复合材料的成型周期已逐渐降低。

对于快速RTM成型而言,挑战“60S”工艺进程在逐步推进,帝人公司开发的碳纤维增强热塑性树脂制造其展示车,工艺周期就达到了60S。

另外,复合材料零部件之间的连接也很重要,尤其是金属和非金属的连接,破坏往往会在这些地方出现。根据我们实验结果,胶粘铆接的性能要优于焊接。

Q&A

1. 航空和汽车对碳纤维要求有什么不同,什么时候能够看到国内汽车规模化应用碳纤维?

答:和航空不一样,汽车要求不那么高,质量稳定价格低就可以了。现阶段国内T300碳纤维已经能用了。碳纤维表面质量有一定要求。什么时候大规模应用需要整个产业准备好,包括整车厂商、碳纤维企业和树脂企业等。现在国内的上汽、一汽等整车厂商还是很积极的,据了解,目前国内有五个整车项目都会使用碳纤维材料,应该今年年底或明年年初就会上市。

2. 大丝束碳纤维在汽车上以何种形式应用,是多轴向织物还是平面还是单向?

答:视具体需要。以汽车的四门两盖为例,前盖可能需要用到8层铺层,上面四层用四轴向布,下面两个三轴向的或两个平面的,中间用夹心材料。如果是汽车装饰件的话,需要看到清晰的纹理,可能会将丝束展平后编织。如果是汽车结构件,如B柱,就可以用四轴向布。


| 恒神股份  沈真  

碳纤维复合材料在交通运输领域应用的产业化之路

商用飞机早在上个世纪70年代就开始使用碳纤维作为非承力结构,到2009年B787首航后标志着低成本复合材料技术已进入工程化应用。

总结商用飞机降低成本的途径,主要是采用自动化制造工艺以及整体化设计。

很多人都说材料成本过高,但实际上材料在碳纤维部件总成本中占比才20%,降低成本的潜力在铺贴以及紧固件和装备。

以铺贴为例,原来航空领域用手工铺层,效率低下成本高。而自动铺带和自动铺丝通过机器实现高速稳定铺放,极大降低成本。



交通运输结构轻量化中使用碳纤维复合材料面临三大疑虑:信心(安全)、技术和成本(制造,对汽车来说是第一位的)。

为保障原材料的供应,国外航空领域的模式都是应用厂商和材料供应商一对一合作,未来民品领域也会是如此。

个人最看好碳纤维在轨道交通领域的应用,因为它和航空领域有很多相同点:安全性要求都很高;减重对降低运营成本意义很大,存在迫切的减重需求;均多为板壳杆梁结构,可采用相同的结构设计和制造技术;尽可能长的使用寿命(通常要求不低于30年)。



轨交和航空领域也有差别,主要体现在减重带来的效益不同,所以安全系数、材料体系需求及成本可接受程度不同。

需要根据结构受力和变现要求使用不同材料,轨交上多数结构和部件都可以用碳纤维与玻璃纤维、SMC(LFT)、短切纤维增强塑料及金属等材料的混杂结构,从而节省成本;另外工艺上采用以液体成型和真空袋烘箱成型等低成本的工艺及相应的材料体系。


最后,我们还需要从全寿命成本去考虑碳纤维的应用才有意义。

尽管采购成本(包括原材料和制造)远远高于传统金属材料,但复合材料结构的运行和维护成本远远优于传统材料,比如波音B787CFRP占比50%,能够减少20%的节能成本、降低30%的维护费用。

此外,下游应用厂商必须与碳纤维供应商结成战略同盟,来共同推进碳纤维在各个领域的推广应用,可以先从非重要承力件逐渐过渡到主承力件。


| 意大利康隆  北京首席代表 薛健  

HP-RTM工艺在碳纤维汽车零部件开发中的应用

今天想和大家探讨下HP-RTM在汽车轻量化中应用中的一些问题。

第一个是为什么要汽车轻量化

温室气体排放的限制以及能源消耗的限制,这两个都已经很紧迫,欧美都制定了很严格的排放法规。

以欧共体为例,到2020年,每百公里二氧化碳排放量规定不能超过95g,如果有超标,每超标1g罚款95欧元。我们中国是规定到2020年百公里二氧化碳排放不超过112g,挑战性很大。



第二是为什么要用碳纤维复合材料

轻量化是汽车行业很紧迫的要求,原来用高强度钢、铝合金、镁合金等等。

在减重方面,高强度钢相比钢材可以减重5-25%,铝合金相比钢材可以减重40%,多向碳纤维相比铝合金可以减重20%,如果是单向碳纤维相比铝合金可以减重60%!


第三,介绍下目前行业内的原材料供应商和终端客户

除了宝马奥迪丰田等整车厂商,还有很多零部件供应商也在做碳纤维。

而树脂的主要供应商包括 Momentive、Huntsman巴斯夫、陶氏、汉高等,其中Momentive 和宝马合作比较多。



第四是:HP-RTM(高压树脂转移模塑)工艺

碳纤维原来主要用于航空领域,对生产节拍(速度)要求不高。但是汽车行业不行,如果年产不能达到5万辆以上,整车厂商很难去投资。

那么HP-RTM(高压树脂转移模塑)工艺就是解决问题的关键。

采用这种工艺注射时间40秒,模压节拍在3分钟左右,基本可以满足汽车工业的要求。

在树脂供应商的努力下,生产节拍还有提高的空间。

比如 Momentive 给出的数据表明,到2015年,它的树脂固化时间达到了120s;去年年底 Huntsman 和陶氏先后宣布,它们的树脂固化时间都已经下降到100s以内。


HP-RTM工艺有四个关键环节,分别是预成型、高压注射、模压成型和模具。

低压RTM的注射时间是以分钟计的,固化时间以小时计;而高压RTM的注射时间是以秒计,固化时间以分钟计。

两者区别如此之大的关键就在于预成型,低压RTM都是用手铺的,高压的预成型都已经自动化了,像康隆公司可以做到一分钟一个预成型件。

高压注射过程就是将树脂高压快速注入模腔,然后保证注入量和比例精确,还要有精确地温度控制,树脂温度在80℃,模具温度控制在100℃。固化剂和脱模剂都会通过单独的动力泵同时注入。在碳纤维体积比50的时候,树脂的注入速度一般控制在每秒150g左右,速度过快会影响碳纤维原来的排向,同时模内阻力也很大,模腔压力高要求压机吨位高,增加投资成本。

模压过程主要设备是模压机,康隆最大可以做到5000吨。

现在很多厂商都说可以做压机,但是有没有全自动的平行控制是很关键的,如果没有的话在模压过程中会碰到一些问题,比如做prepreg的压制时,模具是楔形模具,没有全自动平行控制可能会导致模具和压机损坏。

HP-RTM的模具相比注塑模具还是要简单一些,一般用钢制,模具加温在100-130℃,其他的一些配置包括自动顶出机构、真空系统、传感器检测等。

最后想讲一下LLD(liquid lay down)工艺

环氧树脂配方的原料以可变宽度的“带状流体”的方式淋浇在碳纤维毡上,浸润增强材料的效果更好。

这种工艺是一步法,投资低,适合大平面的薄部件,比如汽车的四门两盖还有车顶等。

Q&A

1. 用HP-RTM工艺做汽车零部件,表面质量可以做到什么程度?

答:RTM过程中要用脱模剂将零部件和模具脱离,做出来的碳纤维零部件肯定达不到汽车行业要求的A级表面,还需要把表面脱模剂去除后再进行喷涂。

2. 介绍下碳纤维薄制件。

答:大型薄制品,也就是2D或2.5D的制件,现在很多用Liquid Lay Down工艺来生产。这种薄制件在汽车上也有很多应用,适合于四门两盖,然后它的工艺相比RTM工艺要更简单一些。比如给宝马提供零部件的Fritzmeier,Fritzmeier给宝马做的13个部件里头,有7个是用RTM,6个是用liqud lay down工艺。

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