高性能纖維與汽車輕量化技術創(chuàng)新

發(fā)展戰(zhàn)略研究（節(jié)選）蔣士成王玉萍靳高嶺呂佳濱一、高性能纖維與輕量化技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀（一）高性能纖維與輕量化產業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀材料是社會進步的基礎，輕質高強是材料發(fā)展的永恒主題。在人類社會歷史進程中，材料的比強度不斷提高，纖維增強復合材料是至今比強度最高又能在工程上應用的先進材料，其中高性能纖維是關鍵。高性能纖維有很多品種，包括碳纖維、有機高性能纖維與無機高性能纖維。主要高性能纖維有碳纖維、芳綸、高強聚乙烯纖維、聚苯硫醚、玄武巖纖維、聚芳酯纖維等。2014年全球高性能纖維產量約33萬噸，其中碳纖維12.3萬噸。我國高性能纖維產量12.8萬噸，占全球三分之一，其中碳纖維1.5萬噸。碳纖維復合材料是其中最重要的戰(zhàn)略材料，具有優(yōu)異的綜合性能，碳纖維被國際上稱為“第三代材料”，隨著生產技術的提高，碳纖維價格逐步下降，應用范圍進一步擴大，其中，產業(yè)用途是其主要牽引力，特別是民用航空和汽車用碳纖維需求快速增長，預計在2018年后出現(xiàn)需求的井噴式的大幅度增長。美日歐主要碳纖維廠家已開始紛紛擴大產能，形成了新一輪的投資和并購熱潮。近年來，隨著航空航天、汽車、風力發(fā)電、高鐵、機器人、海洋開發(fā)、石油鉆探、超高壓電網等的迅猛發(fā)展，我國對碳纖維復合材料的需求呈爆發(fā)式增長，國內碳纖維供應還遠遠不夠。因此，應加快突破碳纖維生產核心技術，推動在相關產業(yè)領域的應用，掌握碳纖維產業(yè)發(fā)展的主導權。PAN基碳纖維產業(yè)鏈包括上游的PAN原絲生產、氧化碳化、中游的織物、預浸料及其復合材料生產，以及下游的碳纖維制品開發(fā)。從聚丙烯腈到碳纖維復合材料，產品價值逐步提升。從產業(yè)鏈來看，碳纖維較少直接使用，通常用于制作增強型復合材料。碳纖維增強材料包括碳纖維增強陶瓷基、金屬基、樹脂基等復合材料及C/C復合材料，廣泛應用于航空航天、汽車、電子產品和運動器材領域。而對產業(yè)鏈價值分析，可以發(fā)現(xiàn)，下游產品附加價值逐步提升。近兩年，新能源汽車發(fā)展快速提高，但是續(xù)航里程一直是制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸問題，相比于提高電池容量，汽車輕量化是減輕能耗的必然趨勢，相比鋼鐵、鋁合金等傳統(tǒng)材料，碳纖維增強復合材料（碳纖維增強復合材料）憑借優(yōu)異的性能優(yōu)勢成為汽車輕量化最佳選擇（表1）。表1碳纖維增強復合材料汽車零部件輕量化明顯單位：公斤零件名稱鋼CFRP質量減輕車身20994115車架1289434前端441331發(fā)動機罩22814罩蓋19613保險杠562036車輪422319車門712843其他311615共計622302320資料來源：產業(yè)信息網，國海證券研究所新能源汽車爆發(fā)式增長，碳纖維應用前景廣闊。我國政府十三五規(guī)劃到2020年新能源汽車達到500萬輛。根據(jù)不同車型所需的碳纖維使用量和滲透率來測算，根據(jù)《2014年工業(yè)和信息化藍皮書-碳纖維及其復合材料產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策》預測，2020年我國新能源汽車需求碳纖維量有望超過萬噸。國產大飛機商業(yè)化加速碳纖維產業(yè)發(fā)展。近幾年隨著國民經濟持續(xù)高速增長，航空運輸需求旺盛，中央和地方政府不斷加大對民用機場建設的投入，民用機場建設掀起新一輪發(fā)展高潮。另外據(jù)波音公司披露，到2020年中國需要1764架商用飛機，是美國本土以外最大的市場。以C919為代表的國產大型客機商業(yè)化，為碳纖維在航空航天應用領域發(fā)展提供巨大的發(fā)展機遇，預計航天航空領域碳纖維的需求量將達到22800噸。1．碳纖維產業(yè)的技術進展（1）PAN基碳纖維的技術進展美國和日本是兩個碳纖維技術前沿國家。2014年，日本東麗公司又成功開發(fā)出兼?zhèn)涓吣：透邚妰?yōu)勢的ToraycaT1100G碳纖維及其預浸料?？傮w來說，近年來碳纖維技術有很大發(fā)展，主要發(fā)展趨勢：=1\*GB3①、加強基礎研究，產品高性能化；=2\*GB3②、生產低成本化；=3\*GB3③、生產規(guī)模化；=4\*GB3④、碳纖維增強復合材料廢料資源化；=5\*GB3⑤、原料新型化。（2）碳纖維復合材料工藝及技術進展碳纖維預浸料在應用于下游工業(yè)和航空航天領域時，要通過各種技術進行成型，形成各種復合材料。當前國際上的成型技術主要包括樹脂灌注成型、RTM成型、擠拉成型、高速纏繞（FW）成型、SMC/BMC成型等技術。國際上，寶馬i3使用的碳纖維復合材料采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，在預成型的碳纖維布中高壓注入樹脂，快速成型。日本三菱麗陽與ENKEI公司（車輪生產廠家）共同開發(fā)出碳纖維復合材料與鋁合金相黏接的復合成型技術。日本碳纖維復合材料企業(yè)UCHIPA公司與蘭博基尼公司在名古屋大學設立研究所，批量生產碳纖維復合材料汽車部件和無人直升機葉片。2．其他主要車用高性能纖維（1）芳綸纖維與輕量化產業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀芳綸纖維具有優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定的化學性能，全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，芳綸纖維的品種主要有芳綸1313（間位芳綸）、芳綸1414（對位芳綸，也稱芳綸Ⅱ），芳綸Ⅲ（對位雜環(huán)芳綸）芳綸1313是開發(fā)最早、產量最大、應用最廣，也是最有發(fā)展前途的有機耐高溫纖維，到目前為止，全球年生產能力已達3.1萬噸左右；芳綸1414具有高強度、高模量的特點，素有高分子材料中的“百變金剛”之譽，是當今世界高性能纖維材料的代表；芳綸III具有更優(yōu)異的綜合性能，已用于國家戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器上，目前僅中國和俄羅斯能批量穩(wěn)定生產，但產量較小，約為3000～4000噸/年。全球芳綸纖維產能已超過8萬噸/年，需求量超過10萬噸/年。目前只有美、日、俄和中國等少數(shù)國家實現(xiàn)工業(yè)化生產。對位芳綸主流生產商杜邦和帝人為了搶占市場，都在不斷擴產。我國從上世紀70年代起即開展了PPTA（聚對苯二甲酰對苯胺）纖維的基礎性研究和國產化研究。2011年才逐步實現(xiàn)產業(yè)化，目前全國有5家企業(yè)進行對位芳綸生產，全國產能4.5萬噸。芳綸1313的主要供應商依次為美國杜邦、煙臺泰和新材、日本帝人。芳綸1313主要用于制防輻射衣料、航天衣料，也用于制耐高溫衣料、蜂窩制件、高溫線管、飛機油箱、防火墻、反滲透膜或中空纖維等。芳綸Ⅲ最早由俄羅斯于上世紀70年代開發(fā)成功并實現(xiàn)商業(yè)化。最早開發(fā)的品種為SVM，屬于二元雜環(huán)芳綸，后又開發(fā)成功三元雜環(huán)芳綸Armos。鑒于芳綸Ⅲ纖維的綜合性能優(yōu)異，國內于上世紀九十年代也開始研發(fā)，經過技術攻關和工程化開發(fā)，中藍晨光化工研究設計院有限公司于2006年率先開發(fā)成功STARAMIDF-3纖維，性能達到俄羅斯Rusa產品水平。國產芳綸III的研發(fā)成功，使我國成為除俄羅斯以外第二個擁有該技術的國家，但是與國外相比，產能較低。當前國際上對位芳綸的發(fā)展特點是以技術先進性推進應用產品升級換代。為此，各公司競相開發(fā)對位芳綸新產品。杜邦公司開發(fā)了一系列的對位芳綸新品種。如超高強型Kevlar129，超高模量型Kevlar149，中等模量型Kevlar68、高黏結型Kevlar-Ha、抗疲勞型Kevlar等；相對于國外纖維的產品來說，國內纖（2）連續(xù)玄武巖纖維連續(xù)玄武巖纖維是以火山巖為原料經1450～1500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維，其外觀為金褐色，屬于非金屬的無機纖維。它具有耐高溫、耐燒蝕、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、耐候性好，適應于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，且性價比高。作為軍民兩用的新材料，它是關乎國家安全戰(zhàn)略和國民經濟相關領域升級換代的重要基礎材料之一，也是汽車輕量化制造中新型的增強材料，是我國具有國際競爭力的新型高技術纖維。（二）汽車輕量化碳纖維復合材料產業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀1．汽車輕量化碳纖維復合材料研究和應用現(xiàn)狀高性能纖維增強復合材料是輕量化最有效的工程途徑，可以在汽車制造中部分代替金屬材料，國內外發(fā)展迅猛，德國寶馬公司率先在i3、i8電動車、7系、5系等量產車中大量使用碳纖維復合材料，輕量化效果明顯；幾乎所有的汽車企業(yè)都制定了碳纖維輕量化發(fā)展計劃，并與碳纖維企業(yè)建立聯(lián)盟，帶動了汽車輕量化。碳纖維作為汽車輕量化結構材料替代金屬材料，其力學性能完全可以滿足要求，關鍵是批量生產技術和成本。2012年開始，日本率先突破碳纖維汽車零部件大批量生產的技術集成，東麗公司與德國奔馳和美國通用汽車，建立年產萬件以上的碳纖維汽車零部件生產線，這是劃時代的突破。到2015年，汽車復合材料的用量達到200萬噸，增長主要來源于汽車產業(yè)的自然增長（年產量增加6%）和已經采用了復合材料的汽車部件的市場份額的增加。汽車復合材料的發(fā)展，結合了化工、機械制造以及汽車復合材料設計，從經濟結構來看，最新突破應該源于德國。德國的工業(yè)結構結合了大多數(shù)的豪華汽車和高端車，另外朗盛、巴斯夫等世界頂級化工企業(yè)以及精密的機械制造廠家，例如迪芬巴赫公司和克勞斯瑪菲等。隨著碳排放法規(guī)的不斷臨近，復合材料在汽車行業(yè)的突破會在2016年以后，歐洲汽車行業(yè)也會是先進材料的倡導者和先行者。2．國內外碳纖維汽車輕量化復合材料進展碳纖維增強復合材料應用在汽車中的比例顯著提升。2010~2017年，年均增長率將達到31.5%。預計2017年，全球汽車碳纖維增強復合材料需求量將增長至7885t。2013年碳纖維增強復合材料在交通工具領域產值達22億美元，其中汽車領域10.1億元，占總產值46%，卡車領域占18%，摩托車占15%，客運火車占13%。2020年汽車市場碳纖維增強復合材料產值將達到60億美元。碳纖維增強復合材料在汽車車體及零部件中的應用已成為當下一大市場研發(fā)熱點，包括車身和零部件。盡管在汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還有很多尚未完全解決的技術難題，但是國外碳纖維及其復合材料生產商及合作科研單位對未來碳纖維增強復合材料在汽車領域的應用充滿信心，加強對碳纖維增強復合材料中間材料、成型工藝、后道制品的研發(fā)，逐步打通汽車結構件從原料到加工的生產技術障礙。國外各大碳纖維及其復合材料生產企業(yè)近幾年積極在全球進行擴產計劃與戰(zhàn)略布局，整合產業(yè)鏈，促進碳纖維增強復合材料及其制品在全球汽車領域中的普及應用。德國寶馬公司率先全面開啟碳纖維增強復合材料在汽車領域的應用模式。作為應用高科技材料的先鋒，寶馬集團憑借長期在量產車中適當使用碳纖維增強復合材料積累的經驗，成為目前唯一掌握在大規(guī)模生產中使用碳纖維增強復合材料科技的汽車制造商，碳纖維增強復合材料在汽車零部件的應用比例如圖1所示。圖1碳纖維增強復合材料在汽車零部件的應用比例2008年，宣布把碳纖復材帶入汽車主流材料，2014年寶馬批量化i3和i8系列純電動車BMWMegacityVehicle在全球正式上市，為碳纖維產品在通用汽車領域的商業(yè)化普及應用邁出了重要的一步。這款車的市場表現(xiàn)，將在很大程度上決定未來10年碳纖維增強復合材料在通用汽車領域的發(fā)展方向。2015年7月1日，全新第六代BMW7系在丁格芬工廠正式投產。該車型所有創(chuàng)新都貫穿有車輛整體輕量化的概念，即通過不同材料的智能組合實現(xiàn)最佳的行駛表現(xiàn)和最輕的重量。寶馬公司或將在未來一到兩年內為旗下車型配備大量的碳纖維部件特別是碳纖維輪轂，這將大幅度降低汽車的重量。日本東麗、豐田和東京大學等已經在聯(lián)手開發(fā)全面采用重量輕、強度高的碳纖維汽車，推進加工技術等的研究，預計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應用。荷蘭皇家曇卡草坪（TenCate）與日本東麗達成了長期供應協(xié)議；東麗與戴姆勒（Daimler）達成共同研發(fā)協(xié)議，為梅賽德斯—奔馳研發(fā)碳纖維增強復合材料部件。2015年東京車展上，雅馬哈展出了僅重750kg的全新概念跑車，超輕的車身得益于其iStream國內相關碳纖維生產企業(yè)的大規(guī)模建設為解決碳纖維復合材料汽車件相關材料的國產化和低成本化奠定了堅實的基礎。一大批企業(yè)開展碳纖維在汽車輕量化的應用研究。中國奧新新能源汽車運行公司，于2015年研發(fā)成功首輛碳纖維新能源汽車，并于2016年3月通過所有測試，拿到中國汽車生產許可證。北京汽車、北京長城華冠、奇瑞汽車、中科院海西研究院泉州裝備制造所、上海汽車、長安汽車等單位都大量碳纖維復合材料在汽車應用的探索研究工作。大眾、奔馳、PSA等多家集團公司也都在開發(fā)汽車用碳纖維復合材料，應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。近年來國內通過“國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟”的平臺開展大量的學術交流，一批汽車企業(yè)與復合材料領域的研究人員，進行了深入交流，開展了有效的探索與研發(fā)，取得了較快的進展，對碳纖維在汽車應用的關鍵技術與關鍵科學問題的認識不斷深入提高。（三）我國高性能纖維與汽車輕量化產業(yè)發(fā)展存在主要問題1．缺乏碳纖維汽車及其零部件結構設計、數(shù)據(jù)庫、標準與檢測方法雖然國內有一大批汽車企業(yè)對使用碳纖維積極性很高，但缺乏對各向異性碳纖維復合材料汽車及其零部件設計與評價能力（設計方法、標準、評價測試方法、人才隊伍），開發(fā)效率低。2．零部件制造節(jié)拍慢，自動化程度低，生產成本高碳纖維增強復合材料零件總成本中，制造成本占70%～80%，材料成本只約占20%。降低碳纖維增強復合材料零件成本，重點在降低制造成本，降低制造成本關鍵是采用先進的大批量、高質量、低成本的生產工藝和工藝生線。從碳纖維織物或預浸料到零部件，需要經過織物裁剪、鋪層、預成型體定型、樹脂灌注、模壓固化、脫模、修邊、打孔等流程。為滿足汽車年產萬件的生產節(jié)拍，必須研發(fā)快速成型技術；通過快速成型，提高生產效率，通過自動化生產，提高產品質量穩(wěn)定性，以抽檢代替現(xiàn)有復合材料全部檢查工序，通過提高生產效率，提高設備利用率，減少設備投資，降低生產成本。

3．缺乏上下游合作機制應該加強汽車企業(yè)與碳纖維企業(yè)聯(lián)合攻關，建立我國低成本車用碳纖維制備應用技術體系與產業(yè)鏈。4．碳纖維價格高企業(yè)規(guī)模小生產成本高，沒有大絲束低成本碳纖維產品，低成本化新技術開發(fā)投入小，缺乏產業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，造成產業(yè)鏈中間產品成本高。5．碳纖維產業(yè)科技研發(fā)投入不足中國還沒有形成完整的高性能纖維與汽車輕量化工程技術體系，需要加大科技投入，研發(fā)關鍵工程技術，使生產裝備自動化，提高產品品質，使產品高性能化，低成本化。6．碳纖維生產關鍵材料和核心設備依賴進口我國在碳纖維用油劑和上漿劑等關鍵原料方面與以日本東麗公司為代表的國際先進水平差距較大，目前我國這些原料開發(fā)仍處于實驗階段，各個批次之間生產的品質不夠穩(wěn)定。但日本已經實現(xiàn)規(guī)?；a且品質穩(wěn)定。在碳纖維裝置方面，我國已經實現(xiàn)了百噸級中試規(guī)模生產設備的自主保障，但自主設計的預氧化、碳化生產線，在運行絲束數(shù)、速度等重點指標上仍然無法與引進的生產線相媲美。7．沒有建立碳纖維汽車維修、回收和循環(huán)利用技術體系碳纖維汽車維修、碳纖維廢料分離生產回收成工業(yè)等級質量原料的工藝方法，使大量的碳纖維廢料能夠重返生產鏈中，降低制品成本。（四）高性能纖維與汽車輕量化產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與技術路徑1．發(fā)展戰(zhàn)略第一階段（2016到2020年），通過科技攻關，建立高性能纖維與汽車輕量化技術體系和產業(yè)鏈體系，形成從原材料到碳纖維汽車及其零部件的國家標準。包括：建立我國輕量化復合材料汽車設計與評價方法體系；建立我國汽車輕量化復合材料零部件低成本自動化量產技術體系；建立我國車用高性能纖產業(yè)鏈及其低成本化技術體系；建立我國高性能纖維與輕量化科技與人才培養(yǎng)體系。通過建立若干高性能纖維與汽車輕量化示范工程，對輕量化工程技術、減重降耗減排、經濟性和產業(yè)鏈建設進行驗證與完善，總結經驗，進行推廣。第二階段（2020到2025年），逐步推廣到整個汽車產業(yè)，爭取使用碳纖維數(shù)萬噸規(guī)模。通過逐步擴大生產規(guī)模，結合研發(fā)碳纖維制造新技術，進一步降低原材料成本，2025年比現(xiàn)在降低50%；通過研發(fā)汽車零部件模塊化設計，減少零部件數(shù)量及其裝配成本；研發(fā)快速浸潤、快速固化的高效成型技術；研發(fā)自動化程度高，質量重復性好的自動化量產技術，不斷降低零部件制造成本，到2025年復合材料成型制造成本從現(xiàn)在的70%~80％降低到50％。綜合成本（材料成本+制造成本）雖然比金屬零部件成本高些，但可以少裝電池或油耗排放減少，綜合經濟效益可行。2．技術路徑圍繞上述發(fā)展戰(zhàn)略，在工程技術上重點攻克碳纖維汽車結構設計與評價，碳纖維零部件低成本自動化量產技術，關鍵原材料低成本技術。（1）建立我國輕量化復合材料汽車設計與評價體系目前國內外汽車行業(yè)成熟的設計方法、材料數(shù)據(jù)、評價方法都是基于各向同性的金屬材料，對各向異性的復合材料不能適應。對各向異性的復合材料需要建立設計方法及其軟件，需要建立材料數(shù)據(jù)庫，需要建立整車和零部件的評價標準及其評價方法。輕量化碳纖維汽車結構設計與評價技術路線包括：建立設計與評價技術體系及其公共服務平臺。建立復合材料汽車設計方法及其軟件平臺，材料數(shù)據(jù)庫；建立碳纖維復合材料汽車及其零部件標準及其檢測公共服務平臺。建立碳纖維在汽車輕量化的應用技術及其推廣應用體系。2020年建立若干示范車型，總結經驗，修改完善標準；2025年推廣應用，爭取車用碳纖維達到數(shù)萬噸規(guī)模。（2）建立我國復合材料零部件低成本化成型與連接自動化量產工程技術體系目前復合材料成型成本占碳纖維汽車零部件成本70%~80%，主要是由于成型周期長，設備利用率低，碳纖維利用率低等，同時現(xiàn)有的固化成型速度無法滿足汽車量產節(jié)拍。因此應該建立我國碳纖維復合材料汽車零部件快速成型自動化量產技術體系。重點開展快速固化樹脂、快速浸潤織物、快速成型熱塑性復合材料技術等，降低復合材料成型成本。=1\*GB3①熱固性復合材料汽車零部件快速成型自動化量產技術體系。包括零部件RTM自動化量產技術。建立自動化量產示范生產線，包括裁剪、鋪層、預成型體定型、灌注、固化等自動化單元設備及其集成裝備；零部件PCM自動化量產技術。建立自動化量產示范生產線，包括裁剪、鋪層、預成型體定型、模壓固化等自動化單元設備及其集成裝備；零部件預浸料與C-SMC混雜自動化量產技術。建立自動化量產示范生產線，包括裁剪、鋪層、預成型體定型、模壓固化等自動化單元設備及其集成裝備。=2\*GB3②熱塑性復合材料汽車零部件快速成型自動化量產技術體系。熱塑性零部件模壓成型技術。建立自動化示范生產線，包括裁剪、預熱、鋪層、模壓成型、連接件安裝等單元設備及其集成生產線；混雜注塑成型技術。=3\*GB3③自動化量產成套生產裝備。建立自動化示范生產線，包括熱塑性預浸料、熱固性預浸料、裁剪、預熱、鋪層、注塑、后固化等單元設備及其集成生產線；自動化纏繞成型技術。建立多工位自動化纏繞生產線，包括自動化浸膠、纏繞、固化、脫模、工裝等。=4\*GB3④復合材料自動化連接技術與裝備。復合材料自動化修邊與打孔技術，復合材料自動化膠結技術，復合材料與金屬膠結技術，膠結表面自動化處理技術與裝備，碳纖維及其關鍵原材料制備技術攻關。（3）建立我國碳纖維及其關鍵原材料低成本化技術體系碳纖維成本太高、產業(yè)鏈不完善，是阻礙我國碳纖維汽車輕量化產業(yè)發(fā)展的瓶頸，應該建立碳纖維及其關鍵原材料低成本技術體系。包括碳纖維低成本化工程技術:建立基于腈綸生產路線的車用大絲束碳纖維技術體系，形成萬噸級車用碳纖維產業(yè)；建立干噴濕紡生產車用大絲束碳纖維生產技術，形成萬噸車用碳纖維產業(yè)；碳纖維成本比現(xiàn)在降低25%；建立低成本碳纖維制備新技術中式生產線，包括木質素原絲、液相芳環(huán)化、微波等離子體碳化等低成本化新技術；碳纖維成本比現(xiàn)在進一步降低50%。=1\*GB3①建立碳纖維織物與預成型體結構設計與高效制備工程技術體系：研發(fā)建立多軸向碳纖維織物高效低成本制備技術與裝備;研發(fā)用于不同汽車零部件的混雜織物（碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、麻纖維等）；研發(fā)適合自動化量產，容易定型，浸潤性好，快速注膠的織物或預成型體混雜織物結構;研發(fā)具有增韌效果碳纖維/熱塑性纖維混雜織物，制備高韌性汽車零部件。=2\*GB3②建立快速固化樹脂、預浸料與結構黏合劑制備技術體系：建立固化時間5~10分鐘，低成本車用基體樹脂；研發(fā)固化時間5~10分鐘，存在6個月以上的車用基體樹脂及其預浸料；研發(fā)高強度車用結構熱熔膠，滿足結構黏合強度和在線自動化黏合要求。=3\*GB3③建立熱塑性預浸制備技術體系：研發(fā)建立碳纖維增強熱塑性預浸料生產技術，形成系列產品：碳纖維單向預浸料、混雜織物預浸料、基體樹脂包括PP、PA、PET、PPS、PEEK。=4\*GB3④建立芳綸、紙、蜂窩、泡沫及其他車用高性能纖維及其中間體制備技術體系：車用芳綸纖維生產技術及其規(guī)?；髽I(yè)：輪胎輕量化芳綸纖維、剎車片芳綸、芳綸增強尼龍；芳綸紙與蜂窩結構；PI泡沫、聚氨酯低成本泡沫；研發(fā)玄武巖纖維低成本技術，建立車用玄武巖纖維規(guī)?；a技術；研發(fā)熱塑性增強專用玄武巖纖維，形成與碳纖維混雜熱塑性預浸料生產線。=5\*GB3⑤建立碳纖維汽車維修、回收及循環(huán)利用技術體系：研發(fā)建立碳纖維汽車零部件回收循環(huán)使用技術；建立回收碳纖維生產C-SMC技術。（4）建立我國高性能纖維與輕量化科技體系及其人才培養(yǎng)體系建立創(chuàng)新基礎研究，關鍵工程技術研究和產業(yè)知識服務三級科技體系；在合適的特色學校，建立相關專業(yè)和博士點，培養(yǎng)多學科交叉輕量化專業(yè)人才；設立“高性能纖維與輕量化”人才專項，持續(xù)支持，培養(yǎng)一批學術帶頭人和工程技術帶頭人。二、高性能纖維與汽車輕量化產業(yè)關鍵工程技術專項根據(jù)上述發(fā)展戰(zhàn)略與技術路徑，建議加大科技投入，建立工程技術專項，開展下列關鍵工程技術研發(fā)，推動我國高性能纖維與汽車輕量化產業(yè)快速發(fā)展。（一）汽車輕量化關鍵原材料專項1．碳纖維低成本化關鍵技術與工程集成國內外現(xiàn)狀以腈綸大規(guī)模生產工程為基礎，生產碳纖維原絲及其大絲束碳纖維是目前碳纖維低成本化最有效途徑。全球一共6家大絲束大規(guī)模生產商，總產能約5萬噸。東麗ZOLTEK2015年產能為2.6萬噸；SGL2015年產量擴產至9000噸；三菱麗陽產能8000噸；土耳其AKSACA集團在30萬噸腈綸基礎上，建立3500噸低成本大絲束碳纖維生產線；印度KEMROCK產能1500噸；俄羅斯HCC公司1750噸生產線，也可以生產24K碳纖維。我國至今沒有大絲束碳纖維生產技術和生產線。我國吉林奇峰化纖以27萬噸腈綸生產企業(yè)為基礎，開展24~48K大絲束原絲試生產，河北硅谷新材料有限公司，開展其大絲束碳纖維氧化碳化技術與設備研發(fā)，上海申達股份擬投資5.4億建立2000噸大絲束碳纖維氧化碳化及其預浸料生產線。中復神鷹正在開展干噴濕紡技術生產24K大絲束碳纖維的研發(fā)。碳纖維制備新技術的出現(xiàn)，成本將大幅度下降。日本正在研發(fā)PAN紡絲液芳環(huán)化紡絲制備不需要氧化的碳纖維原絲，可以直接碳化，由于不受氧化速度限制，碳化速度可以提高10倍；同時采用微波等離子體碳化技術，提高能源利用率，節(jié)省能耗。美國橡樹園國家實驗室、ZOLTEK、歐洲等正在研究木質素、聚烯烴、芳香族聚合物、生物質等為原料的碳纖維制備新技術，目的是減少原料成本，提高碳纖維得率，減少環(huán)化放，提高氧化碳化速度。我國碳纖維發(fā)展較晚，過去主要圍繞解決有無問題，對成本考慮少。因此對碳纖維低成本化技術研究不多。纖維材料國家重點實驗室等單位正在開展熔體紡絲、紡絲液芳環(huán)化提高氧化碳化速度、木質素-PAN共混紡絲等低成本化新技術研究，并申請國際專利。目標與研究內容：建立萬噸級PAN大絲束碳纖維原絲及其低成本碳纖維生產線，通過提高生產效率，規(guī)模效應，建立大絲束碳纖維原絲高效氧化碳化技術與裝備，研發(fā)建立碳纖維制備新技術，大幅度降低碳纖維成本。聚合反應機理與聚合工程研究，提高PAN分子量；減少凝膠，提高可紡性；研究PAN紡絲過程凝聚態(tài)演變規(guī)律，提高原絲性能，研發(fā)原絲油劑，減少斷頭，提高紡絲速度及其穩(wěn)定性；研究PAN紡絲液芳環(huán)化反應機理及其可紡性，研究開發(fā)不需要氧化工藝、直接可以碳化的碳纖維原絲制備技術；研究木質素、聚烯烴、生物質、芳香族聚合物為原料的碳纖維原絲制備技術，降低原料成本，提高碳纖維得率，減少環(huán)化反應熱，提高氧化碳化數(shù)量，降低原絲及其碳纖維成本；研究微波等新型碳化技術，減少能耗，降低成本?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：吉林碳谷碳纖維有限公司擁有27萬噸腈綸生產線，在此基礎上，自主研發(fā)了DMAC為溶劑、濕法二步法生產PAN基碳纖維原絲生產技術。該生產技術工藝流程短，聚合反應速率快，產品品質穩(wěn)定、產量高、成本低，生產能力為：1條10000噸/年的聚合生產線，2條2500噸/年的原液生產線，4條紡絲生產線。現(xiàn)主要產品有1k、3k、6k、12K、24K、48K碳纖維原絲。碳谷原絲已在俄羅斯HCC和澳大利亞迪肯大學進行批量碳化。上海申達股份有限公司擬投資約5.4億元建設2000噸碳纖維及其預浸料項目，公司與東華大學等國內碳纖維領域的先進研究機構建立了密切的合作關系。2．干噴濕紡制備大絲束碳纖維技術國內外現(xiàn)狀：干噴濕紡生產PAN碳纖維原絲是目前碳纖維原絲生產的先進技術，紡絲速度快，是濕紡技術的6~10倍，但因容易漫流，大多用于生產小絲束碳纖維原絲。國際上目前還沒有采用干噴濕紡生產大絲束碳纖維原絲的生產線。我國中復神鷹碳纖維公司已經掌握干噴濕紡制備12K碳纖維原絲技術，建立千噸生產線。目前正在研發(fā)干噴濕紡生產大絲束碳纖維原絲新技術。目標與研究內容：建立干噴濕紡生產大絲束碳纖維原絲的關鍵技術、關鍵設備及其工程集成技術，建立示范生產線。聚合反應機理與聚合工程研究，提高PAN分子量，研究PAN紡絲過程凝聚態(tài)演變規(guī)律研究高黏度紡絲流體過濾脫泡技術，干噴濕紡漫流機理及其影響因素，提高紡絲速度及其穩(wěn)定性?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：中復神鷹已經攻克干噴濕紡制備原絲技術，建立4000噸生產線，正在開展干噴濕紡制備大絲束碳纖維原絲的技術攻關。3．車用芳綸纖維及其制品（樹脂、纖維、漿粕、紙、蜂窩）國內外現(xiàn)狀：國際上杜邦公司等龍頭企業(yè)不僅產業(yè)規(guī)模達3萬噸，而且產品系列化，在汽車上大量應用。我國目前有硅谷、泰和、晨光、兆達等企業(yè)可以生產K29級（通用級）芳綸，硅谷可生產K49高模量級芳綸。但技術水平比國外還有差距，生產規(guī)模也很小。目標與研究內容：研發(fā)芳綸規(guī)模化生產技術，建立有一定規(guī)模的芳綸生產企業(yè)；研發(fā)車用芳綸纖維及其制品，建立生產線，滿足我國汽車產業(yè)需求。PPTA連續(xù)聚合反應控制及其規(guī)?；a關鍵技術、關鍵設備及其工程集成技術；液晶芳綸漿粕、紙及其蜂窩制備技術；車用芳綸漿粕制備技術。現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：國內芳綸主要生產企業(yè)有河北硅谷化工有限公司、煙臺泰和新材料有限公司、中藍晨光化工研究院、蘇州兆達特種纖維有限公司等。河北硅谷化工有限公司建有芳綸1414纖維及系列制品、高性能聚丙烯腈基碳纖維、碳纖維復合芯導線、硅、氟新材料系列產品。公司與國家973項目密切合作，歷經4年技術攻關，成功實現(xiàn)了芳綸1414連續(xù)規(guī)?；a，自主研發(fā)、自行設計、用國產設備、國產原料生產出高性能芳綸、并具有完整自主知識產權的規(guī)?；a。產品性能與美國杜邦公司的K29和K49相當，達到國際先進水平。煙臺泰和新材集團有限公司突破了聚合工程、紡絲工程、溶劑回收等核心技術，形成具有自主知識產權的連續(xù)低溫縮聚、干噴濕紡、溶劑連續(xù)回收的對位芳綸產業(yè)化技術，實現(xiàn)了芳綸關鍵原料國產化，加快了關鍵裝備的國產化進程。目前公司對位芳綸年產能1000噸，居全球第五位，主要市場集中在汽車膠管，光纜增強，防彈防護等領域。4．車用玄武巖纖維及其制品國內外現(xiàn)狀：玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐磨抗拉增強性能。玄武巖纖維代替部分碳纖維作為熱固性、熱塑性增強材料、摩擦材料、消音材料、內裝飾材料等在汽車上應用具有巨大潛在市場。目標與研究內容：開發(fā)出汽車專用玄武巖纖維，包括增強纖維、摩擦材料、消音內飾材料、高溫過濾材料等。研究玄武巖纖維成型機理，提高纖維力學性能；研發(fā)玄武巖纖維上漿劑，形成與環(huán)氧樹脂、熱塑性PP、PA等不同基體復合的玄武巖纖維系列產品；研究開發(fā)玄武巖纖維與碳纖維混雜增強復合材料織物；研發(fā)玄武巖車用摩擦材料、消音內飾材料、高溫過濾材料等產品。現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：玄武巖纖維是具有中國特色的高性能纖維品種，我國具有金屬和資源優(yōu)勢，我國現(xiàn)有6家玄武巖纖維生產企業(yè)，才能1.6萬噸，占全球玄武巖纖維的80%，成立玄武巖纖維聯(lián)盟。5．多軸向織物、混雜織物、預成型體生產成套裝備國內外現(xiàn)狀：對于未來汽車使用碳纖維做量產工藝時，更多地選擇碳纖維多軸向編織物作為加工原材料。因為量產工藝，沒有那么多時間去進行傳統(tǒng)的鋪層工藝。多軸向織物是碳纖維復合材料應用最多的織物結構，在汽車上主要應用多軸向碳纖維織物。同時根據(jù)應用零部件不同，可以與芳綸、玄武巖纖維等混雜形成混雜織物，綜合碳纖維的高模量和其他高性能纖維抗沖擊性能，同時可以降低成本。我國已經有多軸向碳纖維生產設備與生產企業(yè)，但混雜織物還沒有形成系列化定型產品，缺少相關數(shù)據(jù)庫和標準，因此汽車企業(yè)還沒有混雜織物產品可以應用。多軸向碳纖維經編機的生產一直由德國的KarlMayer和Liba兩大生產巨頭所壟斷。KarlMayer的MalimoMultiaxial型設備技術含量高，導紗梳櫛穩(wěn)定性的提高以及襯緯紗架的合理設計，相應的產量達到240m/h。Liba公司的CopcentraMAX3CNC型機器的所有功能均為電腦控制；織針機件以外的所有運動均由伺服電機驅動；織物的各種變化，尤其是鋪層角度的調整，均由中央電腦控制。在CopcentraMAX3CNC系列機型的基礎上，Liba公司成功推出了用于碳纖維產品生產的CopcentraMAX5CNCCarbon機型。目標與研究內容：研發(fā)出一系列混雜織物結構、生產技術與裝備，進行標準化，建立相關材料數(shù)據(jù)庫，為汽車企業(yè)提供系列化混雜織物產品及其數(shù)據(jù)庫。研發(fā)碳纖維與芳綸、玄武巖纖維、玻璃纖維、麻纖維混雜紡織結構設計與高效低成本制造技術并建立其復合材料數(shù)據(jù)庫及仿真計算設計方法；研發(fā)用于液體成型制備高韌性汽車零部件的熱塑性纖維混雜碳纖維織物結構，提高預成型體樹脂浸潤速度，提高汽車零部件RTM生產效率，提高汽車零部件韌性。現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：我國的經編機械生產企業(yè)，如常州市潤源經編機械有限公司和常州市第八紡織機械有限公司等也紛紛加大投入，對碳纖維多軸向經編機展開技術攻關并取得一定的成績。目前，國內的玻纖多軸向經編機已經基本滿足需要，而碳纖維多軸向經編機仍需進口。6．快速固化樹脂與預浸料生產技術與成套裝備國內外現(xiàn)狀：環(huán)氧樹脂基復合材料的傳統(tǒng)成型周期較長（數(shù)小時），因此在汽車工業(yè)的批量化生產應用遇到了極大的挑戰(zhàn)。為此，國外數(shù)家企業(yè)（如陶氏、邁圖、氰特等）已開發(fā)了適用于液體成型工藝（如真空導入、高壓樹脂傳遞模塑工藝等）的快速固化環(huán)氧樹脂體系，將固化成型周期大大縮短至數(shù)分鐘甚至幾十秒鐘。但是，國外對這些產品仍處于技術封鎖狀態(tài)且價格昂貴，而國內對快速固化環(huán)氧樹脂體系的開發(fā)還處于起步階段。亨斯邁AralditeXB3585環(huán)氧樹脂與固化劑XB3458成功應用到寶馬i3、i8、7系列、5系列碳纖維汽車的批量化生產。奧迪汽車公司自2011年起也將該樹脂用于R8車型的B柱側面板。日本帝人集團旗下的東邦特耐克絲株式會社開發(fā)了可以大幅提高生產率的快速固化型預浸料。生產效率提高了幾十倍，并且能夠對應年產5萬個左右的大批量生產碳纖維增強復合材料件。瀚森公司推出最新的Epikote樹脂TRAC06170和EPIKURE固化劑TRAC06170系統(tǒng)，在RTM和LCM工藝中，其循環(huán)周期不到1分鐘，并可以輕松脫模。目標與研究內容：研發(fā)車用RTM快速固化快速浸潤樹脂體系，車用預浸料快速固化樹脂體系，力學性能，耐熱性能、耐候性能等達到汽車工況要求，建立規(guī)?；a能力。自由基或離子型聚合固化環(huán)氧樹脂的分子結構設計、低反應熱及其固化壓力控制、可儲存預浸料快速固化樹脂。汽車使用環(huán)境下，樹脂基體的耐候性，失效機理與壽命預測?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：上海綱田復合材料有限公司開發(fā)了快速固化高韌性樹脂，低溫（80~90度）固化時間可調整為1~30分鐘，斷裂延伸率可達14%以上。華東理工大學華昌聚合物有限公司技術部在保證材料優(yōu)異性能的前提下，將環(huán)氧樹脂的固化時間縮短至2~5分鐘。（二）復合材料汽車零部件快速量產制造技術與裝備專項1．汽車零部件自動化量產RTM成型生產線成套裝備國內外現(xiàn)狀為了達到更好的視覺效果，在汽車的制造過程中，采用RTM工藝進行零部件的生產。若能為量化生產開發(fā)出一條可靠的自動化RTM生產線，則纖維增強塑料（FRP）將能夠更加廣泛地應用于汽車高強度承重結構件的生產。德國加工機械領域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）開發(fā)了一條高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）的自動化生產線。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，該HP-RTM工藝減少了樹脂注射次數(shù)，提高了預制件的浸漬品質，并縮短了成型周期。目標與研究內容：研發(fā)RTM汽車零部件自動化量產技術與設備，建立我國汽車零部件RTM快速成型自動化量產技術體系。研發(fā)碳纖維織物自動化裁剪、鋪層、預成型體定型技術與設備；研發(fā)樹脂快速浸潤技術與裝備；研發(fā)快速固化工藝及其自動化脫模設備；研發(fā)水切割、激光切割等自動化修邊打孔技術與設備；開展工程集成，建立快速RTM成型技術與裝備體系。現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：海源機械股份公司正在研發(fā)高壓RTM自動化成型設備；上海悅曼智能設備有限公司正在開發(fā)一種汽車零部件快速成型RTM自動化生產線。2．汽車零部件預浸料模壓生產技術與自動化年產線成套裝備國內外現(xiàn)狀：日產汽車公司2014款NissanGT-R跑車的行李箱蓋是利用預浸料模壓生產出來的，這也是預浸料模壓成型工藝首次商業(yè)化應用，它是一種可在傳統(tǒng)模壓機上加工碳纖維增強塑料復合材料部件的技術（2~4min）。目標與研究內容：建立預浸料快速模壓成型汽車零部件生產技術與裝備體系。研發(fā)碳纖維預浸料自動化裁剪、鋪層、快速固化工藝及其自動化脫模設備；研發(fā)水切割、激光切割等自動化修邊打孔技術與設備；開展工程集成，建立快速RTM成型技術與裝備體系。3．熱塑性復合材料汽車零部件制造技術（預浸料及其模壓成型、連續(xù)纖維增強注塑）與裝備國內外現(xiàn)狀：連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料具有成型周期短，生產節(jié)拍快，沖擊韌性好，可回收等優(yōu)點，是汽車零部件發(fā)展的主要方向。近年來出現(xiàn)了各種形式的熱塑性復合材料成型新方法。2014年德國拜耳（Bayer）公司收購ThermoplastCompositeGmbH公司，從而進入高性能的連續(xù)纖維增強PC熱塑性復合材料（片材）生產，制造具有密度小、超薄化、輕量化的連續(xù)纖維熱塑性預浸料（CFT）；2014年日本東麗碳纖維公司（Toray）與美國通用汽車公司（GM）合作開發(fā)了CFRT汽車部件，正在投入量產前的最終測試。2013年，注塑機制造商恩格爾（Engel）成功研發(fā)原位聚合反應的注射浸漬成型技術實現(xiàn)自動化、可控化、高效率的融熔浸漬過程與復合成形過程一體化，從而減少工藝流程、提高產品性能。2014年3月德國C.Hopmann教授發(fā)明的反應注射加壓間隙浸漬成型技術，適合熱固性/熱塑性樹脂基體（Resin）復合體系，成型時間快（2~5分鐘）、成型溫度低（120~150℃）、模具加壓壓力大（>25bar），同時操作相對簡易、可控性好、穩(wěn)定性好，設備投資成本低，易于制件實現(xiàn)大批量自動化生產，生連續(xù)纖維增強技術在汽車FRT應用需求巨大，特別是CFRT更加廣泛，巴斯夫（BASF）、塞拉尼斯（Celanese）、RTP、普立萬（Polyone）、沙伯基礎工業(yè)、帝斯曼（DSM）、杜邦（Dupont）、艾曼斯（EMS）、米拉克龍（Milacron）、阿博格（Arburg）、恩格爾、克勞斯瑪菲、Diffenbacher、Vision等國際化工、成型設備、模具、在線檢測、產品設計公司等分別或聯(lián)合推出FRT（GFRT和CFRT）汽車零部件、產品在線檢測工具，并且形成一個完整的從技術研發(fā)、自動化生產與裝備、在線測試、產品設計等系列配套的完整產業(yè)鏈。目標與研究內容：建立我國連續(xù)纖維增強熱塑性預浸料、模壓成型、混雜注塑成型等力學纖維增強熱塑性復合材料汽車零部件生產技術與裝備。連續(xù)纖維增強熱塑性預浸料制備過程熔體浸潤與孔隙率控制；預浸料模壓成型過程纖維織物變形斷裂破壞控制；熱塑性預浸料模壓過程內應力控制；連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料注塑成型技術；連續(xù)纖維預浸料與長纖維切片注塑成型制備混雜增強熱塑性復合材料零部件技術?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：我國俊爾、杰士杰、金發(fā)等開發(fā)了碳纖維單向排列增強熱塑性復合材料（CFRT）預浸帶生產線。海源機械于2010年成功開發(fā)高性能熱塑型復合材料模壓機，填補了國內空白，并于2012年成功研發(fā)出具有自主知識產權的直接在線全自動長纖維增強熱塑型復合材料（LFT-D）模壓生產線，可將熱塑型復合材料的最快成型周期壓縮至1分鐘之內；同時，海源機械、海源新材料正與國內部分主要汽車廠商開展復合材料在車身輕量化方面的研發(fā)、生產制造等一系列工作。4．復合材料黏結技術與自動化生產線裝備國內外現(xiàn)狀：連接是復合材料汽車的關鍵技術之一，不僅考慮碳纖維復合材料與復合材料連接，而且考慮復合材料與金屬連接。寶馬i3、i8、7系、5系等均采用結構膠黏結與鉚釘定位相結合，從工裝、涂膠、固化實現(xiàn)高度自動化。目標與研究內容：建立復合材料與多材料連接技術與自動化生產裝備，包括自動化工裝、表面處理、定位、涂膠、固化等自動化過程。黏結表面（復合材料、鋼、鋁合金、塑料）活化處理技術與自動化裝備；快速固化高強度結構熱熔膠的研發(fā)，滿足汽車總裝生產線的節(jié)拍；自動化定位工裝；自動化涂膠；自動化加壓固化等裝備。（三）輕量化復合材料汽車及其零部件設計、制造與評價技術專項1．非承載式碳纖維復合材料車身國內外現(xiàn)狀：寶馬i3、i8成功實現(xiàn)了電動車底盤與車身分離制造的設計，非承載式碳纖維車身作為載人艙，充分發(fā)揮碳纖維抗沖擊性能，保護人的安全。中國奧新同步研發(fā)了新型非承載式碳纖維車身，其車身與底盤分離，而車身采用鋁合金骨架與碳纖維復合材料覆蓋件混雜。與寶馬i3碳纖維車身比較，重量更小。目標與研究內容：優(yōu)化這種金屬骨架與碳纖維覆蓋件混雜結構車身的設計、制造與評價，建立相關標準，成為具有中國特色的碳纖維車身結構，并在行業(yè)中推廣。車身金屬骨架結構的優(yōu)化設計；碳纖維增強金屬骨架結構設計，特別是碳纖維覆蓋件與金屬骨架增強一體化；提高覆蓋件零部件結構集成度及其可制造程度，減少零部件生產、裝配、維修等綜合成本；碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、麻纖維等多種纖維混雜增強結構設計與制造技術研發(fā)?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：江蘇奧新新能源汽車有限公司研發(fā)成功了中國第一輛碳纖維車身電動車，2016年2月通過測試，獲得生產許可證，已經建立2萬輛生產線。奧新碳纖維新能源乘用車創(chuàng)下三個“中國第一”：中國第一個2萬輛碳纖維純電動汽車制造工廠，中國第一條電動汽車鋁合金底盤機器人焊接線，中國第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型車身生產線，搶占了戰(zhàn)略制高點。奧新公司已經建成兩萬輛碳纖維純電動汽車生產陣地及關鍵零部件廠，總投資11億元。每年生產A0級別碳纖維純電動汽車產值達40億元，車用碳纖維年用量可達1千噸。車用復合材料研究所與各大知名高校企業(yè)合作，包括東華大學、江蘇固諾新材料科技有限公司等。目前研發(fā)課題項目主要以“復合材料編制、預浸料、成形自動化”等方面。2．承載式碳纖維復合材料車身底盤一體化結構國內外現(xiàn)狀：蘭博基尼等研發(fā)了車身底盤一體化的承載式白車身，與金屬白車身一樣，車身與底盤一體化。已經成功應用于其高端車的批量生產。英國Far公司，研發(fā)了以抗沖擊性能很好的碳纖維方管代替鋼方管，作為汽車骨架，減重效果明顯。而且這種碳纖維方管容易實現(xiàn)自動化量產，碳纖維利用率高達98%，目前已批量生產1000多輛車。目標與研究內容：研發(fā)車身底盤一體化結構設計、零部件低成本制造、評價技術及其標準。建立基于各向異性碳纖維復合材料的“黑車身”結構設計方法、材料數(shù)據(jù)庫、零部件設計方法、零部件制造方法及其測試標準。現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：東華大學與奇瑞、北汽公司等分別研發(fā)碳纖維汽車前地板主承力結構件，達到金屬材料性能要求，減重40%以上，為承載式車身研發(fā)積累了經驗。北汽、上汽、長安、奇瑞、中山大學、東莞中山大學研究院等單位都在積極考慮碳纖維車身研發(fā)。3．碳纖維復合材料增強金屬混雜結構車身國內外現(xiàn)狀：寶馬公司開發(fā)了碳纖維增強普通鋼，代替高強鋼的設計技術；成功應用于寶馬7系、5系白車身的生產，減重效果明顯，但成本與高強鋼相當。由于可以繼續(xù)使用金屬汽車的生產流程和生產設備，汽車企業(yè)不需要大規(guī)模投入建設新型設備，因此這是碳纖維最有可能大規(guī)模應用于汽車輕量化的技術途徑。目標與研究內容：研發(fā)出一套適合中國汽車產業(yè)特色的碳纖維增強金屬白車身技術體系，包括針對不同級別車型的碳纖維增強部位和碳纖維用量。針對中國不同級別的車型，研究碳纖維增強部位及其零部件設計；研發(fā)碳纖維增強車身結構的設計、制造、評價技術體系；建立減重效果、碳纖維用量、全生命周期綜合成本評價方法體系；現(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：上海汽車、奇瑞汽車、奧新等正在積極研發(fā)碳纖維增強金屬車身結構的技術體系。上汽在輕量化技術研究與應用方面具有不同層面的團隊，不僅包括量產應用開發(fā)團隊，而且包括前瞻技術研究團隊，他們?yōu)樯掀灾髌放妻I車的輕量化研究與產業(yè)化做出了巨大貢獻。4．碳纖維復合材料汽車覆蓋件國內外現(xiàn)狀：汽車大型覆蓋件輕量化是汽車輕量化的主要內容。國內外有很多企業(yè)開展覆蓋件蓋研發(fā)。北京汽車率先在量產車型使用碳纖維復合材料發(fā)動機蓋，減重效果明顯。目標與研究內容：建立復合材料車門結構、制造、評價與標準，在整個行業(yè)推廣，同時盡快研發(fā)熱塑性復合材料車門。研發(fā)復合材料車門、發(fā)動機蓋、后舉門等大型覆蓋件的結構設計、評價及其標準；研發(fā)車門金屬鉸鏈與復合材料的連接技術；研發(fā)車門自動化量產技術與裝備；研發(fā)連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料制備車門技術與裝備?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：北汽某款運動型轎車采用了碳纖維增強復合材料前格柵和尾翼；某款越野車使用了玻纖、碳纖混雜復合材料車頂蓋；傳統(tǒng)罩蓋為鋼制，由內板、鉸鏈加強板（左、右）、鎖鉤加強板、前加強板、涂裝卡具加強板、外板7個鈑金件組成。鈑金件之間通過焊接、螺栓等連接，工藝復雜，總重量在16~20公斤。碳纖維復合材料發(fā)動機罩蓋由內板和外板兩層結構組成，局部有加強。初步估計重量6~10公斤左右，減重率可達5．碳纖維復合材料汽車通用零部件制備技術國內外現(xiàn)狀：傳動軸、輪轂、方向盤、懸掛擺臂、彈簧、板簧、座椅骨架為汽車通用件，不同車型結構相近，國內外有大量的企業(yè)正在研發(fā)這些碳纖維通用零部件，可以在量產車型應用，也可以在改裝和維修市場應用。這是碳纖維在汽車輕量化應用的重要方面。目標與研究內容：建立這些碳纖維復合材料零部件的結構設計、制造、評價和標準等技術體系，形成自動化量產生產線，培育一批汽車輕量化碳纖維復合材料零部件企業(yè)。建立碳纖維復合材料汽車零部件設計、評價方法與標準；建立傳動軸、輪轂、方向盤、懸掛擺臂、彈簧、板簧、座椅骨架等碳纖維復合材料零部件自動化量產技術與裝備?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：一汽、東華大學等研發(fā)了碳纖維汽車傳動軸、汽車板簧等零部件；東華大學研發(fā)了碳纖維輪轂。6．汽車碳纖維復合材料汽車維修、回收與循環(huán)利用國內外現(xiàn)狀：寶馬采用更換零部件的維修方式；寶馬公司碳纖維零部件回收現(xiàn)有技術采用燃燒等方法去除樹脂，碳纖維可以制備成為無紡布氈，回收使用?；厥绽锰祭w維可降低能耗、節(jié)約能源，主要方法有高溫熱解法、流化床分解法和超/亞臨界流體法。目標與研究內容：建立適合我國國情的碳纖維復合材料汽車維修、回收和循環(huán)使用技術體系。研發(fā)設計合理車身結構，在碰撞中破壞局限在一定零部件區(qū)域，可以通過更換零部件解決維修問題；研發(fā)復合材料現(xiàn)場修補技術體系；研發(fā)碳纖維零部件回收及其循環(huán)使用技術?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：上海交通大學科研團隊成功開發(fā)了國內第一項擁有完全自主知識產權的碳纖維復合材料廢棄物新型裂解回收技術和裝備，已達到具有國際水平的規(guī)?；a能力，填補了國內該領域的空白，年處理能力超過200噸。中科院山西煤化所研究團隊也實現(xiàn)了熱固性樹脂基復合材料的高效降解和全成份回收。7．碳纖維復合材料汽車及其零部件設計與評價方法（設計方法與仿真軟件公共平臺、關鍵原材料數(shù)據(jù)測試公共平臺）國內外現(xiàn)狀：國外寶馬、Audi、大眾等公司已經建立碳纖維復合材料汽車設計、評價方法；國內也有一批企業(yè)和研究人員開展工作，但國內目前研究工作零散，沒有形成體系，還沒有形成可復制推廣的技術體系。目標與研究內容：目前國內外汽車行業(yè)成熟的設計方法、材料數(shù)據(jù)、評價方法都是基于各向同性的金屬材料，對各向異性的復合材料不能適應。對各向異性的復合材料需要建立設計方法及其軟件，需要建立材料數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)有汽車與零部件結構設計方法體系是基于各向同性的金屬材料，對各向異性的碳纖維復合材料結構設計缺乏方法體系，包括剛度、強度、模態(tài)、沖擊碰撞、疲勞失效、壽命預測等?，F(xiàn)有基礎與優(yōu)勢單位：奧新、北汽、奇瑞、長安、長城華冠、上汽、一汽等已經開展大量研發(fā)工作。8．標準建設（碳纖維復合材料整車標準、零部件標準、材料標準及其測試）（1）建立碳纖維復合材料車身、零部件和整車標準及其測試方法體系；（2）建立碳纖維復合材料汽車維修標準及其規(guī)范示范體系；（3）建立碳纖維復合材料汽車零部件回收循環(huán)使用技術體系；（4）建立材料標準及其檢測方法；包括碳纖維、玄武巖纖維、多軸向織物、混雜織物。三、高性能纖維與輕量化產業(yè)發(fā)展建議綜上所述，發(fā)展輕量化產業(yè)對能源、環(huán)境、制造業(yè)、新能源汽車戰(zhàn)略新興產業(yè)和新材料戰(zhàn)略新興產業(yè)具有重要意義。我國汽車保有量約為1.5億輛，70%的成品油用于機動車燃料，預計到2025年為3億輛，國家能源發(fā)展戰(zhàn)略難以滿足這一增長需求；汽車排放造成霧霾等環(huán)境惡化亟待解決；新能源汽車的續(xù)航里程亟待提高。輕量化技術是汽車降低油耗，減少排放、提高電動汽車續(xù)航里程最有效工程途徑之一，也是“中國制造2025”核心技術和核心競爭力之一（如高鐵、大型客機、機器人、海洋化工等），輕量化技術對國家能源、環(huán)境、制造業(yè)等領域的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。鑒于輕量化產業(yè)對國家能源、環(huán)境、制造業(yè)、新能源汽車和新材料戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展的重要性，借鑒國外發(fā)展經驗，結合國情，提