“買得起的復合材料”和碳纖維“全產業鏈”

發布日期：2018-05-15信息來源：中國玻璃纖維復合材料信息網瀏覽次數：4551

      碳纖維因其高性能和高售價并存，一直是業界的心中之痛，它就像陽春白雪，高高奉上，但和者寥寥。碳纖維企業關注碳纖維的價格，但下游用戶關心的則是其復合材料制件的價格，碳纖維企業心痛高成本的碳纖維賣了白菜價，而下游用戶并不在乎碳纖維多貴，只關心我買的碳纖維產品合不合算。因此有必要回顧民機復合材料結構從零到目前占結構重量50%以上，超過鋁成為飛機主要的結構材料所走過的路，也許可供碳纖維從業者參考。
      上世紀70年代的石油危機引發了航空業的危機，為了降低燃油消耗，結構輕量化是民機生產商的首選，飛機結構在結構設計方面也已竭盡了最大的努力，也已使用比重最小的金屬材料——鋁，作為唯一的出路，民機生產商把眼光瞄向了比重更小的碳纖維。出于性能優先的考慮，軍機結構已大量使用碳纖維復合材料，但高昂的成本成了民機廠商使用碳纖維最大的攔路虎。在此背景下美國政府贊助航空公司（波音、道格拉斯（后為麥道）和洛克希德）啟動了持續數十年民機使用碳纖維復合材料應用的國家計劃，同樣歐洲也啟動了類似的計劃（TANGO），這些計劃重點并不是降低碳纖維生產成本，而是復合材料結構的低成本設計、制造工藝和維護技術。值得關注的是所有這些計劃的核心是三個詞：信心（安全）、技術、成本，特別是CAI計劃的關鍵詞就是“買得起的復合材料（affordability）”。ACEE計劃最初啟動時的 目標是飛機主結構機翼和機身使用碳纖維復合材料，實際執行時發現十年計劃只實現了尾翼復合材料結構的使用，在成本可為用戶接受的技術支持下，所有大飛機的均使用復合材料尾翼結構（占結構重量約10%），使東麗公司實現千噸級的供應；此后又經過近30年的努力才使機翼機身使用復合材料的成本為用戶接受，其標志是波音787復合材料結構占機體結構的重量50%，A350占52%，從而實現東麗與赫氏實現萬噸級碳纖維供應，兩家公司的碳纖維實現穩定性盈利。今天波音仍在試圖進一步降低成本，把液體成型工藝進一步用于主結構和使用性能略低但成本也更低的大絲束（24k）碳纖維或其他來源的碳纖維。
      可以發現在民機復合材料結構實現產業化應用過程中，碳纖維的價格并沒有多少變化，應用T800后，價格其實更貴了，但并沒有影響碳纖維復合材料價格的降低，使用幾乎全碳纖維復合材料機體結構的波音787實現銷售1000多架，并逼迫空客公司研發使用更多復合材料結構的A350（從開始的40%增加到46%，直至必須超過波音達到52%）。波音公司的復合材料專家給出了飛機復合材料制品成本的構成，其實材料在其中只占8-20%，工藝制造和裝配占了80%以上。如果從用戶最關心的全壽命成本（采購成本+使用成本+維護成本）來看，材料成本占比更少。Zoltek公司的專家也給出了相同的結論，認為在汽車復合材料制件中材料成本只占20%。現在專家和大佬們只討論如何降低碳纖維成本，當然在工業領域應用中碳纖維成本需要大幅度降低，碳纖維企業關注低成本碳纖維無可非議，但這并不能從根本上解決產業化的問題，如果不下大功夫解決復合材料制品成本問題是沒有意義的。
     1996年由美國科學院和工程院下屬的先進民用飛機新材料專業委員會編制的《下一代民用運輸機用的新材料》中指出：“雖然復合材料的市場銷量增長緩慢往往歸因為原材料的高成本，但材料成本實際上僅占復合材料構件總成本的8%~10%。事實上工藝制造成本是總成本中最高的單項成本。過去性能因素推動著復合材料在航空航天中的應用研究，但近年來成本則起到了更大的作用。這樣，開發下一代民用運輸機工藝的一個基本準則是低成本制造的可能性。委員會相信，在可預見的將來，發展趨勢是不斷開發低成本的制造工藝?！?/p>

圖1  民機復合材料結構產業化之路

圖2  傳統航空復合材料制品的成本構成

      當然復合材料制品中碳纖維成本的占比取決于碳纖維復合材料產品，并不是所有的復合材料制品都像航空復合材料產品的占比，在前面一片文章中已經指出，民機應用在我國近期內不可能有萬噸的需求，不需要眾多碳纖維企業的參與，所以本文要討論的國產碳纖維產業化之路上，所有的碳纖維企業必須考慮的重點是大量使用碳纖維的下一個工業領域。
      碳纖維復合材料相比傳統材料最大的優勢是其在具有所需強度的前提下具有高的比模量（彈性模量與密度之比），而不是大家所說的比強度高。其實結構設計師都清楚，首先是用材料的彈性模量進行結構設計，在滿足結構變形要求的前提下確定設計方案，然后進行強度校核，對薄弱環節局部補強，結構減重首先選用彈性模量高的材料，這就是碳纖維分代的依據，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的高強度只是T300和T800采用低成本干噴濕紡工藝的產物，并不是根據用戶的需求研發的新品種，在多數情況下碳纖維的強度是有富裕的。正因為碳纖維的這一優勢成了結構輕量化青睞的材料，因此碳纖維的應用對象主要是既有變形的約束，同時需要減重的結構，二者缺一不可。因此碳纖維應用的下一工業領域一定是有迫切輕量化需求的交通運輸車輛結構。
      碳纖維的復合材料的另一優勢是可設計性和適用于結構整體化成型，前者可按其受力方向發揮其模量高的特性（各向同性材料無法實現），同時可通過材料設計（與不同樹脂及其他成分組合）實現結構-功能一體化，同樣的材料重量可同時實現結構性能和所需的功能（減振降噪等）；后者可大大減少結構件的裝配成本（減少緊固件和裝配工作量）。綜上所述，碳纖維復合材料的應用對象除上述的同時具有變形與減重要求的結構外，還應是那些原金屬結構件成本中材料成本占比較小的結構，這樣才有可能通過降低制造成本來容忍較高的材料成本。
      碳纖維的優勢還包括其具有優越的抗疲勞和抗腐蝕性，對那些飽受疲勞與腐蝕威海帶來高昂維護成本與更換率高的結構件，材料成本高也是可接受的選項。
      當前已獲得大量應用的領域（除航空應用外），如體育休閑、風電葉片、建筑補強、壓力容器等，其復合材料產品的設計與工藝基本定型（設計與工藝主動權基本上掌握在國外廠家手中），材料與制造成本的分配基本固化，國產碳纖維是否被用戶接受只能依靠國產碳纖維的性能與國外相當和降低生產成本，別無他路。但面對尚未充分開發的交通運輸車輛應用，目前的現狀是交通運輸車輛領域的用戶對復合材料不熟悉，缺乏動力和技術支持，進展遲緩，如果國產碳纖維企業無所作為，只醉心于對碳纖維制造工藝的改進和降成本，一種可能是遲遲無法實現復合材料結構的產業化生產，則國產碳纖維產業化也遲遲無法實現；另一種可能是由國外首先實現產業化，國產碳纖維仍然會像目前已大量應用碳纖維的工業領域一樣，再一次只能進行價格競爭。
      CMH-17-3G《復合材料手冊》中指出：“并行工程，由設計師、應力分析、材料和工藝、制造、質量控制、后勤保障工程師（可靠性、維護性和生存性）以及成本估算師組成的團隊聯合、并行地研制新產品或新系統，現已成為公認的設計方法。”碳纖維復合材料結構開發特點和國內下游工業領域用戶的現狀逼迫國產碳纖維在開發碳纖維應用新領域方面必須有所作為?；谀壳霸谔祭w維原材料與制造工藝很難突破的現狀，國產碳纖維產業化之路只能由國產碳纖維企業與下游用戶通過在設計和制造工藝方面的創新（甚至革命性突破），研發出該領域的低成本復合材料制品，進而實現批量化生產，才能實現國產碳纖維的產業化。