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盖世汽车 10-18

余木火:碳纤维复合材料在制造业大规模应用的进展

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,东华大学教授、纤维材料改性国家重点实验室副主任余木火发表精彩演讲。

我跟大家分享的是碳纤维复合材料在制造业大规模应用的进展。

全球碳排放 42% 是电力,25% 是交通,我们国内的汽车占比少一点。同时蒋院士讲了我们保有量和销售量第一,几乎占全球的 30%。所以我们对碳排放这件事情不管用电还是用油,实际上汽车产业责无旁贷,而且任重道远。

我们工业革命不断的发展,下一段工业革命可能是低碳的工业革命,能对低碳有贡献的产业都是朝阳产业。从这个角度讲,汽车产业是一个朝阳产业。特别是电动车产业将担负着我们国家制造业里面提升制造业 GDP 新增的产业。所以我想汽车产业未来主要的关键词第一个是碳排放,第二个关键词就是我们中国的汽车产业在整个世界汽车制造业里面的分量、竞争力。显然这背后要从汽车底层做起。

汽车底层是什么呢?材料一定是底层之一。材料才能支撑产业的竞争力和肩负碳排放减排的目标。

中国汽车工业协会实际上已经看到这一点。在关键时刻成立了这么一个分会——汽车新材料分会。汽车新材料分会的使命一个是首先保证现有汽车产业供应链的安全和提高质量,提高我们中国汽车的质量。材料的质量有保证了,汽车质量才能有保证。

第二要研发新的材料,新的应用来促进我们材料和汽车产业的进步。

第三个就是通过材料与汽车的结合来提高这两个产业。因为这两个产业都是大国竞争中非常重要的产业。

第四个就是培养交叉人才。

我们重点任务有 4 个,一个是汽车与材料的交流平台。你可以发现我们像东风汽车熊经理这样子的汽车材料部在整个汽车公司里面占有的设计人员、工作人员比例是很小的。这样的状态就阻碍了新材料在汽车上的应用,阻碍了汽车对新材料提出新要求。所以我们这个分会的任务、使命就是让这两个之间能直接交流。懂材料的人不懂汽车是搞不出零部件的。懂车的人不熟悉材料是不敢先试用这个新材料的,所以只有交流。

第二件事就是要请蒋院士这些高层专家,以及一线工作的人员做战略研究,我们要列出,准确严判汽车发展趋势,以及对汽车材料的发展趋势,准确判断汽车材料的发展趋势,汽车产业有什么支撑,最终制出清单。

第三个推动新材料的研发,以及汽车上的应用。现在已经有很多高校、研究机构、创业公司生产出新的材料,搞材料的人也不一定全清楚,这些新材料是不是有可能全在汽车上用,汽车上用了以后,能不能推动我们汽车的进步?同时这些新材料在实验室,在测试阶段走不出来,为什么?没有地方用,用得太少了。如果汽车产业能用上它,对我们新材料产业也是极大的支撑。

第四个培养交叉人才,希望汽车汽车领域的博士能读材料的博士后,学材料的博士能做汽车领域的博士后。

我们说整个人类历史都是材料牵引着发展,或者说材料是重要的基础。比如石器时代、青铜时代,工业革命是电力、钢。过去的石油经济核心材料就是化工材料。下一轮的低碳经济核心材料是什么呢?我们要思考。轻量化材料一定是节能减排的重要手段。所以蒋院士讲过我们有很多领域,中国在碳纤维领域有很多机会有望引领,实际上也在引领着。很快我们的产能、用量都会超过全世界,而且超过其他国家好几倍的规模。这样就会给我们汽车用的碳纤维材料贵这件事情带来出路。规模扩大,成本会降低,整个产业链建起来了,各个领域都会应用,不光是汽车,这样带来再一轮的规模扩大,往后循环。

钢材,英国工业革命一开始也是几千吨,十年才到几万吨,一样的进程。碳纤维在制造过程中的应用跟这个很像,进展比它还快。

碳纤维在制造业中大规模应用,很重要的问题现在是成本。大家以为碳纤维成本太高,实际上在整个最后的零部件过程中,碳纤维的成本占 20%、30%%。其他是辅料以及制造过程。比如碳纤维在这次涨价之前 80 到 130 块,做成零部件要到 800,哪怕汽车上用,现在稍微好一点,500 块。80 块的东西还要加一半树脂,按理说树脂比碳纤维便宜,结果树脂比碳纤维还贵,这是技术问题。加工过程更贵,使得原来 100 的零部件变成 800,那就太贵了。所以我们很重要的事情,这四个方面的低成本化。

第一个原材料。成形过程,自动化不要用人工。模块化设计。比如我们汽车,实际上金属领域的,特斯拉已经给我们一个方向,大模块儿的零部件。复合材料来做大模块的零部件比金属材料有优势得多,容易大块。所以我相信未来的汽车有 5 个、10 个大零件装成一个车。你在家里车库就能装,更不用说每个县、每个镇都有一条汽车总装线,核心就是装大块零件。这是碳纤维材料如果在车上应用的优势。

再一个就是连接,在很长一段时间里面不可能完全用碳纤维,必须有多种材料。坏的时候都是连接的地方坏,因为要连接,所以设计上这个地方要加厚、加螺钉,重量多出很多,所以连接的可靠性也是一个核心技术。

我们东华大学在这一块儿做了探索,在 10 年前跟蒋院士做院士咨询报告,我是秘书,我协助他们工作。东华大学有国家重点实验室,我们纤维材料改性国家重点实验室在全国 21 个材料领域重点实验室中排第三。我们有 30 多个教授团队,覆盖高性能纤维和材料的方方面面,全世界我们覆盖最广。我们在这样一个很窄的方向上有很多省部级、国家等奖。还有很多产业化的成果。我们校内有两个复合材料中试基地,一个 4600 平方,一个 3 万多平方,有装备,能快速制造出一些批量的样件给后续验证。

我们这个团队有比较多的人,已经毕业 200 多个学生,现在有 10 几个老师,长期致力于推动复合材料大规模应用在制造业。包括创建东华大学第一个复合材料系,以及上海市重点实验室,我都参与了这个过程。

我们 200 多学生跟我一起长期坚持在这个方向上。核心问题就是推动低成本化,能在制造业中大规模应用。

推动低成本化两条途径,第一条途径就是一个团队专注一件事,做到世界上最好。只做一件事情,一个零件,把它做到世界上最好。我们现在在医疗方面的应用大规模量产,电池的项目也在寻求合作伙伴,减重 40%。氢气瓶、座椅骨架等等,也在策划轻量化的轮胎,就针对一件事情把它做到极致。

另外还有一方面是共性技术,研究怎么低成本化的工作。

同时我们很注重跟终端应用的合作,只有跟它紧密合作才能推动低成本化这件事,整体解决方案包括医疗、汽车上的。医疗行业里面我们有一些产业化的成果,包括微创的血管、机器人手臂等等。

这是我们跟微创合作的纤维管,可以把支架送到脑血管里面。这根管子各种要求非常高,所以得到了上海 2019 年的科技进步一等奖。

高性能纤维我们在碳纤维方面开展了大量低成本化的工作。首先第一个是芳纶。2014 年率先实现的国产化,在这之后做低成本化工作,提高单线产能的产值。从单线产能 1000 多吨提高到 3000 多吨。装备的投资大幅度的下降,所以跟我们合作的企业是国内芳纶最大的企业。利润点非常高,超过 40%,毛利润超过 10%,因为装备国产化了。

碳纤维复合材料这一块儿我们风电、汽车零部件的工作。比如我们在风电叶片的合作,澳盛现在是全球碳纤维用量最大的企业。汽车上面 24 个零部件全部自动化连接,以及碳纤维传动轴生产线。碳纤维传动轴现在大概有 20 个车型在同步开发,这一批车型应用以后就能达到几个亿的产值。现在是跟纳铁福合作。

如果做一个零部件的自动化生产,投资几千万就够了。所以我们现在想这个平台跟大家一起开发单个零件,做到成本最低,供应给各个主机厂。现在正在策划这个开放的方式,第一步需要有 3、5000 万建一条线,正在寻求合作伙伴。

我们第二块是共性技术。一个树脂怎么降成本?连接怎么降成本、自动化降成本。比如树脂为什么贵?因为它真正阻燃的技术加进去,成本就下不来了。用特殊的颗粒放在树脂里,这些颗粒要做到足够细,否则灌注时被碳纤维织物过滤掉了,要做到足够细,所以比较贵。我们把颗粒拿做成纤维,再跟碳纤维织在一起,用最基础的环氧树脂加进去以后在加热的过程中可以溶解,固化之后形成颗粒,最后还是颗粒增强。这样子就可以只用 20 几块钱的树脂,不用 150 块的,就低成本化了。

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