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“买得起的复合材料”和碳纤维“全产业链”
中国玻璃纤维复合材料信息网 (cnbxfc.net) 发布日期: 2018-05-14  阅读: 527  字体:  双击鼠标滚屏
    ——再论国产碳纤维产业化之路
  作者简介:
  沈真,男,1943年生,浙江省湖州市人,研究员,SAMPE北京分会副主席,中国复合材料学会荣誉理事。曾在英国帝国理工学院、德国宇航研究院、意大利都灵工业大学、澳大利亚悉尼大学等国外知名院校从事复合材料力学研究工作。目前就职于江苏恒神股份有限公司,从事国产碳纤维及其复合材料在航空和工业领域的推广应用工作。
  前几天《从“芯片之痛”联想到钱云宝的“全产业链”》获得了很多赞,对于获得多少赞我倒并不关心,倒是一些碳纤维大佬的评论和讨论是我最关心的,因为质疑和反对的声音是我最感兴趣的,因为有些是我没有把“全产业链”的理念阐述清楚,有些则是这一理念存在缺陷,需要我进一步思考和修正。这两天对徐梁华老师的专访《贵族产品不能卖白菜价》一文也引起了大家的共鸣,对此也是我近几年来思考最多的问题之一,因此也想参与讨论一下。
  碳纤维因其高性能和高售价并存,一直是业界的心中之痛,它就像阳春白雪,高高奉上,但和者寥寥。碳纤维企业关注碳纤维的价格,但下游用户关心的则是其复合材料制件的价格,碳纤维企业心痛高成本的碳纤维卖了白菜价,下游用户并不关心碳纤维多贵,只关心我买的碳纤维产品合不合算。因此有必要回顾民机复合材料结构从零到目前占结构重量50%以上,超过铝成为飞机最主要的结构材料所走过的路,也许可供碳纤维从业者参考。
  上世纪70年代的石油危机引发了航空业的危机,为了降低燃油消耗,结构轻量化是民机生产商的选,飞机结构已经使用比重最小的结构材料——铝,在结构设计方面也已竭尽了最大的努力,作为唯一的出路,民机生产商把眼光瞄向了比重更小的碳纤维。出于性能优先的考虑,军机结构已开始大量使用碳纤维复合材料,但高昂的成本成了最大的拦路虎。在此背景下美国政府赞助航空公司(波音、道格拉斯(后为麦道)和洛克希德)启动了持续数十年民机使用碳纤维复合材料应用的国家计划,同样欧洲也启动了类似的计划(TANGO)。。值得关注的是所有这些计划的核心是三个词:信心(安全)、技术、成本。特别是CAI计划的关键词就是“买得起的复合材料(affordability)”。ACEE计划启动时的目标是飞机主结构机翼和机身使用碳纤维复合材料,实际执行时发现十年计划只实现了尾翼结构使用复合材料,其成本可为用户接受,所以ACEE计划的成果是所有大飞机的尾翼均使用复合材料(占结构重量约10%),使东丽公司实现千吨级的供应;经过近30年的努力才使机翼机身使用复合材料的成本为用户接受,其标志是波音787复合材料结构占机体结构的重量50%,A350占52%,从而实现东丽与赫氏实现万吨级碳纤维供应,两家公司的碳纤维实现稳定性盈利。图1是几个主要的研究计划和取得的成果。
  可以发现在民机复合材料结构实现产业化应用过程中,其实碳纤维的价格并没有多少变化,应用T800后,价格其实更贵了,但并没有影响碳纤维复合材料价格的降低。波音公司的复合材料专家给出了飞机复合材料制品成本的构成(见图2),其实材料在其中只占8-20%,工艺制造和装配占了80%以上。如果从用户最关心的全寿命成本(采购成本+使用成本+维护成本)来看,材料成本占比更少。Zoltek公司的专家也给出了相同的结论,认为在汽车复合材料制件中材料成本只占20%。现在专家们只讨论如何降低碳纤维成本,当然在工业领域应用中碳纤维成本需要大幅度降低,碳纤维企业关注低成本碳纤维无可非议,但这并不能从根本上解决产业化的问题,如果不下大功夫解决复合材料制品成本问题是没有意义的。1996年由美国先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中指出:“虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往归因为原材料的高成本,但材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%。事实上工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究,但近年来成本则起到了更大的作用。这样,开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。委员会相信,在可预见的将来,发展趋势是不断开发低成本的制造工艺。”
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  图1 民机复合材料结构产业化之路
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  图2 传统航空复合材料制品的成本构成
 
  当然复合材料制品中碳纤维成本的占比取决于碳纤维复合材料产品,并不是所有的复合材料制品都像航空复合材料产品的占比,在前面一片文章中已经指出,民机应用在我国近期内不可能有万吨的需求,不需要众多碳纤维企业的参与,所以本文要讨论的国产碳纤维产业化之路上,所有的碳纤维企业必须考虑的重点是碳纤维应用到何处。记得钱云宝先生对营销人员经常教导的:“要记得两个可替代性,即碳纤维的可替代性和成本的可替代性。”要清楚地回答:用户为什么要用碳纤维;用碳纤维为用户带来什么好处。因此要回答这个问题必须清楚地知道碳纤维与其他材料相比的优势是什么。
  碳纤维复合材料相比传统材料最大的优势是其在具有所需强度的前提下具有最高的比模量(弹性模量与密度之比),而不是大家所说的比强度高。其实结构设计师都清楚,先是用材料的弹性模量进行结构设计,在满足结构变形要求的前提下确定设计方案,然后进行强度校核,对薄弱环节局部补强,结构减重先选用弹性模量最高的材料,这就是碳纤维分代的依据,所以T300(模量230GPa)是第一代,T800(模量294GPa)是第二代,T1100(模量324GPa)是第三代,T700和T1000的高强度只是T300和T800采用低成本干喷湿纺工艺的产物,并不是根据用户的需求研发的新品种,在多数情况下碳纤维的强度是有富裕的。正因为碳纤维的这一优势成了结构轻量化最青睐的材料,因此碳纤维的应用对象主要是既有变形的约束,同时需要减重的结构,二者缺一不可。因此碳纤维应用的下一工业领域一定是有迫切轻量化需求的交通运输车辆结构。
  碳纤维的复合材料的另一优势是可设计性和适用于结构整体化成型,前者可按其受力方向发挥其模量高的特性(各向同性材料无法实现),同时可通过材料设计(与不同树脂及其他成分组合)实现结构-功能一体化,同样的材料重量可同时实现结构性能和所需的功能(减振降噪等);后者可大大减少结构件的装配成本(减少紧固件和装配工作量)。综上所述,碳纤维复合材料的应用对象除上述的同时具有变形与减重要求的结构外,还应是那些原金属结构件成本中材料成本占比较小的结构,这样才有可能通过降低制造成本来容忍较高的材料成本。
  碳纤维的优势还包括其具有优越的抗疲劳和抗腐蚀性,对那些饱受疲劳与腐蚀威海带来高昂维护成本与更换率高的结构件,材料成本高也是可接受的选项。
  当前已获得大量应用的领域(除航空应用外),如体育休闲、风电叶片、建筑补强、压力容器等,其复合材料产品的设计与工艺基本定型(设计与工艺主动权基本上掌握在国外厂家手中),材料与制造成本的分配基本固化,碳纤维企业生产的碳纤维是否被用户接受只能依靠提高国产碳纤维的性能和降低生产成本,别无他路。但面对尚未充分开发的交通运输车辆应用,目前的现状是交通运输车辆领域的用户对复合材料不熟悉,缺乏动力和技术支持,进展迟缓,如果国产碳纤维企业无所作为,只醉心于对碳纤维制造工艺的改进和降成本,一种可能是迟迟无法实现复合材料结构的产业化生产,则国产碳纤维产业化也迟迟无法实现;另一种可能是由国外先实现产业化,国产碳纤维仍然会像目前已大量应用碳纤维的工业领域一样,再一次只能进行价格竞争。
  CMH-17-3G《复合材料手册》中指出:“并行工程,由设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师(可靠性、维护性和生存性)以及成本估算师组成的团队联合、并行地研制新产品或新系统,现已成为公认的设计方法。”碳纤维复合材料结构开发特点和国内下游工业领域用户的现状逼迫国产碳纤维在开发碳纤维应用新领域方面必须有所作为,也就是必须考虑碳纤维的全产业链,这不是钱云宝个人的痴心妄想,也不是唐吉坷德式的笑谈,而是破解国产碳纤维产业化的一种无奈之举。当然钱云宝已经走了,可能这将是前无古人后无来者的一种尝试。但希望国家和有影响力的专家正视这一现实,在实现国产碳纤维产业化路上,提出破解的良策。

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信息来源:科聚变
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