當(dāng)前，全球新材料產(chǎn)業(yè)競爭格局正在發(fā)生重大調(diào)整，創(chuàng)新步伐持續(xù)加快，而以碳纖維為代表的先進(jìn)復(fù)合材料正是不可或缺的戰(zhàn)略性新材料

楊鮮鋒

上海中化科技有限公司

復(fù)合材料誕生于1930年代，最早被用于軍工產(chǎn)品。從1970年代后期，碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料開始廣泛開發(fā)和應(yīng)用。

復(fù)合材料以其“無所不能”的姿態(tài)被認(rèn)為是人類社會(huì)除金屬材料、有機(jī)材料、無機(jī)材料之外的第四種材料，它在前三類材料的基礎(chǔ)上，揚(yáng)長避短，真正實(shí)現(xiàn)了材料的可設(shè)計(jì)性。據(jù)法國JEC數(shù)據(jù)顯示，2016年全球復(fù)合材料總產(chǎn)量1080萬噸，總產(chǎn)值為820億美元，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到1290萬噸，1030億美元。

性能優(yōu)異成本高

中國自1960年代引入復(fù)合材料，至今已成為全球重要的復(fù)合材料原料、產(chǎn)品制造及消耗市場。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2018年中國復(fù)合材料產(chǎn)量達(dá)428萬噸左右，預(yù)計(jì)2023年將會(huì)達(dá)到556萬噸。“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃提出，將碳纖維及其復(fù)合材料作為科技創(chuàng)新的重大工程。

以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低和可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)異性能，是目前所有輕量化材料中減重效果最明顯的材料。以航空為例，波音787復(fù)合材料占全機(jī)重量達(dá)到50%，而目前國產(chǎn)C919復(fù)合材料的使用率僅在12%左右。可以預(yù)見，隨著后續(xù)機(jī)型及技術(shù)的發(fā)展成熟，未來國產(chǎn)飛機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料的用量將會(huì)穩(wěn)步提高，這也將會(huì)直接拉動(dòng)國內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展。

然而，復(fù)合材料在汽車行業(yè)卻遭遇了前所未有的阻力。首先是高成本制約其大規(guī)模應(yīng)用；其次是產(chǎn)品材料一體成型的特點(diǎn)及緩慢的固化周期，導(dǎo)致其面對汽車制造快節(jié)拍時(shí)顯得無能為力；再者是工藝的多樣性帶來質(zhì)量不一致的難題。即使在復(fù)合材料技術(shù)高度發(fā)展的歐洲市場，大規(guī)模的應(yīng)用也曾一度發(fā)展緩慢。

隨著1分鐘固化的環(huán)氧系統(tǒng)、低成本的大絲束碳纖維、高壓力成型的工藝設(shè)備等新技術(shù)日趨成熟，2013年BMW i3橫空出世，采用全車身超過50%的碳纖維復(fù)合材料用量，生產(chǎn)工藝完全按照4.0的標(biāo)準(zhǔn)打造，證明了先進(jìn)復(fù)合材料可以滿足汽車工業(yè)量產(chǎn)，打消了長期以來關(guān)于復(fù)合材料能否量產(chǎn)的疑慮。然而BMW i3成本昂貴的這一尷尬現(xiàn)實(shí)，引導(dǎo)行業(yè)研發(fā)重點(diǎn)集中在如何實(shí)現(xiàn)更低成本的量產(chǎn)技術(shù)上。

恩格斯說：“社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，則這種需要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)。”隨著國家節(jié)能減排政策的出臺及新能源汽車的興起，汽車輕量化的需求變得愈加迫切，這恰恰推動(dòng)先進(jìn)復(fù)合材料的快速發(fā)展。目前先進(jìn)復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用需要解決“成本、效率、質(zhì)量”這三個(gè)相互影響的問題，解決問題的唯一辦法就是發(fā)展多種低成本的量產(chǎn)技術(shù)，不同的量產(chǎn)手段應(yīng)用于不同的部件，不同的部件應(yīng)用于不同的汽車部位，從而真正發(fā)揮先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)勢。

力克汽車工業(yè)量產(chǎn)難題

上海中化科技有限公司（簡稱中化國際科技創(chuàng)新中心）立志成為化工事業(yè)部高通量創(chuàng)新的引擎，復(fù)合材料研究室承擔(dān)了研發(fā)主要用于汽車行業(yè)的先進(jìn)復(fù)合材料量產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品的前瞻性研究等工作。研究室立足于公司戰(zhàn)略規(guī)劃，發(fā)揮自身在化工新材料領(lǐng)域的優(yōu)勢，集中精力發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料化學(xué)品，以解決汽車工業(yè)應(yīng)用時(shí)的量產(chǎn)難題。

那么，如何才能實(shí)現(xiàn)更低成本的量產(chǎn)技術(shù)？經(jīng)過對碳纖維復(fù)合材料成本的拆分可以發(fā)現(xiàn)，目前的碳纖維汽車部件中，原材料碳纖維的成本僅僅占總成本的30%左右，其余70%的成本來源于制造成本；制造成本中，對于有噴涂需求的部件來說，表面噴涂及處理成本又占20—30%。究其原因，目前傳統(tǒng)的以環(huán)氧樹脂為代表的熱固性樹脂在制作復(fù)合材料過程中，都需要在模具表面涂敷脫模劑用于最終產(chǎn)品的脫模，而殘留在產(chǎn)品表面的脫模劑會(huì)導(dǎo)致油漆附著力下降，影響使用壽命。市場上，最有效的解決辦法是在油漆噴涂之前用機(jī)械打磨的方式除去脫模劑，這一工序?qū)ε恐圃鞄順O大困難，并且打磨后的表面往往存在批次不一致，影響外觀質(zhì)量。現(xiàn)有解決手段如水性脫模劑、內(nèi)脫模劑等，只是改變脫模劑的形式或加入方式而已，無法從根本上解決脫模劑使用的問題。

秉持“開放創(chuàng)新+自主研發(fā)”的研發(fā)策略，2019年，中化國際科技創(chuàng)新中心與上海化工院成立復(fù)合材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合研發(fā)出免噴涂碳纖維復(fù)合材料，在使用過程中完全不用任何脫模劑即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品脫模，從而從根本上改變傳統(tǒng)復(fù)合材料的制造工序，實(shí)現(xiàn)部件總成本下降近20%。此前，經(jīng)過打磨處理后的環(huán)氧等復(fù)合材料，油漆附著力大多只能集中在“1”級；而免噴涂碳纖維復(fù)合材料的油漆附著力，無需打磨處理即可直接達(dá)到最高級別“0”級。

目前，這一免噴涂材料已在電動(dòng)車方程式賽車上進(jìn)行驗(yàn)證測試，未來有望在乘用車領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，這將極大推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，催生一個(gè)百億級的市場，并將最大程度地實(shí)現(xiàn)車輛減重，對節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)具有積極意義。