“买得起的复合材料”和碳纤维“全产业链”

发布日期：2018-05-15信息来源：中国玻璃纤维复合材料信息网浏览次数：4613

      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，而下游用户并不在乎碳纤维多贵，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首选，飞机结构在结构设计方面也已竭尽了最大的努力，也已使用比重最小的金属材料——铝，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，军机结构已大量使用碳纤维复合材料，但高昂的成本成了民机厂商使用碳纤维最大的拦路虎。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），这些计划重点并不是降低碳纤维生产成本，而是复合材料结构的低成本设计、制造工艺和维护技术。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计划最初启动时的 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复合材料结构的使用，在成本可为用户接受的技术支持下，所有大飞机的均使用复合材料尾翼结构（占结构重量约10%），使东丽公司实现千吨级的供应；此后又经过近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。今天波音仍在试图进一步降低成本，把液体成型工艺进一步用于主结构和使用性能略低但成本也更低的大丝束（24k）碳纤维或其他来源的碳纤维。
      可以发现在民机复合材料结构实现产业化应用过程中，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，使用几乎全碳纤维复合材料机体结构的波音787实现销售1000多架，并逼迫空客公司研发使用更多复合材料结构的A350（从开始的40%增加到46%，直至必须超过波音达到52%）。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，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%。现在专家和大佬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年由美国科学院和工程院下属的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。”

图1  民机复合材料结构产业化之路

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大量使用碳纤维的下一个工业领域。
      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，首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，结构减重首先选用弹性模量高的材料，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，国产碳纤维是否被用户接受只能依靠国产碳纤维的性能与国外相当和降低生产成本，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首先实现产业化，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。基于目前在碳纤维原材料与制造工艺很难突破的现状，国产碳纤维产业化之路只能由国产碳纤维企业与下游用户通过在设计和制造工艺方面的创新（甚至革命性突破），研发出该领域的低成本复合材料制品，进而实现批量化生产，才能实现国产碳纤维的产业化。