汽车轻量节能和低成本环保的创新解决方案

罗益锋，罗晰旻

（全国特种合成纤维信息中心，北京 100028）

汽车轻量节能和低成本环保的创新解决方案

罗益锋，罗晰旻

（全国特种合成纤维信息中心，北京 100028）

我国汽车工业正面临4 个方面的重大挑战：2020年节能环保法律法规的强化；汽车碳纤维复合材料化是大势所趋，日本碳纤维厂家开发部分预氧化黑色原丝，并采用微波碳化和等离子体表面处理，使生产效率提高10 倍；碳纤维增强热塑性和热固性复合材料的成型时间各达到1～3 min；动力电池的创新发展拉大了与中国的差距。为此提出以下6 个方面创新的解决方案加以应对：引进高效低成本的大丝束PAN基碳纤维生产线，生产效率提高5倍，并研发上述黑色原丝；引进新型低成本快速成型CFRP固化剂；添加廉价的中空微纳米陶瓷粉体，可大幅度降低汽车用工程塑料和CFRP部件的成本，提高综合性能和附加某些功能；用对位芳纶轮胎取代钢丝胎；加快固体钒动力电池的中试和产业化，其理论质量能量密度是锂离子电池的10 倍，小试已达到400～600 kWh/kg，由于设计理念全新，体积和质量越小，电动车的续驶距离越远，无需充电，不存在安全问题，反应产物可再生循环使用；采用塑料光纤显示系统等。综上如是，方能使我国汽车产业迈向世界先进或领先水平。

汽车；轻量化；低成本碳纤维；陶瓷粉体；新型电池；新固化剂

0 前言

全球各发达国家及我国汽车工业节能环保法律法规的强化，对我国新材料界特别是高新技术纤维行业的发展，无疑是极大的机遇和挑战。

然而汽车的轻量化是一项艰巨的系统工程，特别是我国汽车产业约60%的核心技术，掌握在国外手里，如何走出一条有我国创新特色的发展道路，已成为我国汽车人和新材料人的共同历史使命。我们通过多年的国内外调研和初步实践，提出了如下的创新解决方案，以期通过多方面的共同努力，使我国汽车产业尽快迈向世界先进或领先水平。

1 我国汽车工业面临的挑战

到2020年，美国、欧盟和日本的节能环保法律法规所规定的新出厂汽车须达到消耗每升汽油续驶里程和所排放的每立方米尾气不应超过的温室气体排放量是相当严格的，意味着整车须减轻质量50%～60%。

我国工信部也出台了相应的法规，到2020年新车每消耗7 L汽油须能续驶100 km，这对我国新材料界来说是一块难啃的“骨头”。为此新一代汽车的碳纤维复合材料（CFRP）化是大势所趋。

2 国外新技术的挑战

2.1 引领世界碳纤维发展的日本企业，创新出黑色PAN原丝的新工艺等，使PAN-CF的生产效率提高10 倍

2012～2014年日本经济部启动“创新碳纤维基础技术开发”计划，由东京大学的影山和郎教授统管基础研究，而产业技术综合研究所（NEDO）的羽鳥浩章任该项目领导。2015～2016年NEDO委托东丽、帝人（东邦Tenax）和三菱丽阳3 大企业加盟，形成全日本的开发体制，研究成果和知识产权由东京大学一体化管理。

图1 以往从PAN原丝至碳纤维的工艺流程

图2 创新的碳纤维制造工艺

图1～2分别示出以往采用进藤方式的PAN-CF制造流程和创新开发的碳纤维制造流程对比。

图3为无需预氧化的碳纤维原丝及碳纤维截面图。

图4示出含侧链提醒结构（溶剂可溶）的新型聚合物结构示意图。

研发目标：①开发无需预氧化工序的新型碳纤维前驱体化合物，②解明碳化结构的形成机理，③碳纤维的评价手段和标准化，④具体目标数据（2016年）：拉伸强度3.5 GPa、拉伸模量≥235 GPa和断裂伸长率≥1.5%。

表1示出该新工艺和以往工艺的生产效率、能耗和CO2排放量的对比。

目前该计划所达到的研发实绩示于表2。

图3 黑色碳纤维原丝的纺丝原液、纺出纤维的洗净和最终碳纤维的截面

图4 含侧链的梯形结构示意图

表1 新旧两种碳纤维工艺的综合对比

表2 日本创新碳纤维基础技术开发计划的研发业绩

图5 微波加热法的碳化基础技术

该新型聚合物是在衣料用PAN溶液中添加能溶于其中的促进剂和氧化剂，在液体中进行预氧化。由于聚合物含有碱性含氮官能团，且可溶于溶剂中，因此原丝的碳化收率是预氧化PAN纤维的1.5 倍。在拉伸模量与以往PAN-CF相同的情况下，可制得单丝直径大2 倍以上的碳纤维。由于采用微波对黑原丝进行直接加热，不需要将碳化炉维持高温，碳化时间可缩短，能耗少，如图5所示。采用等离子表面处理，可大幅度简化工艺，使能耗削减50%。

2.2 低成本快速成型CFRP工艺

为了使CFRP扩大应用于量产车，开发低成本的CFRP成型新技术和快速成型固化剂很重要。目前用的较成功的是HP-RTM（高压树脂转移模塑）法、PCM（预浸料压缩模塑）法和SMC（片状模塑物）法，可制成各种复杂形状的汽车部件，如图6所示。

最近名古屋大学开发了LFT-D（长纤维增强热塑性树脂）法，是将PAN-CF与尼龙先制成中间基材的方法，而东京大学开发了采用CTT（带状物）、CMT（席状物）等各种碳纤维形态的中间基材，直接制成PP复合材料来降低成本，可使车体减质量60%。

图7示出用激光进行碳纤维UD带进行自动积层的设备和铺层情况。

在快速成型固化剂方面。无论是热塑性还是热固性CFRP，都可实现1～5 min的固化时间，但胺类或酸酐类固化剂的添加质量分数高达30%～50%，条件较苛刻，存在污染问题。

2.3 汽车用动力电池

最典型是Tesla（特斯拉）电动汽车用的三元体系电池，充一次电只需1 h就可续驶500 km，但仍存在安全问题，需安装大量充电桩。氢燃料电池已于2015年实现商品化，丰田氢燃料电池汽车装载70 MPa压力的CFRP氢气瓶，可续驶600 km，需建大量CFRP充电站。石墨烯电池在网上曾广为传播，实际上只是在锂离子电池的电极材料中添加少量石墨烯，据说充一次电只需8～10 min就可续驶1 000 km，但远未产业化。我国也开发了各种各样的新型电池，但没有一款真正的具有颠覆性的新电池。

2.4 其他

为实现汽车轻量化，对位芳纶轮胎的需求量大增，同时日本在本国销售的汽车光显示系统，基本实现了塑料光纤化。

3 建议应对的创新解决方案

3.1 引进或研发高效大丝束PAN-CF生产技术和设备

据了解目前可向我国输入的大丝束PAN-CF生产装置，预氧化时间可缩短至10 min，各炉体加热方式可选用微波，使生产效率提高约5 倍，降低成本约50%～60%。应抓紧研发上述黑色原丝，以砍掉预氧化工序和设备，争取5 年内实现产业化。

3.2 在汽车塑料或CFRP部件中添加中空微纳米陶瓷粉体(HMNCP)

HMNCP是我国独创的高技术产品，由电厂排放的粉煤灰加工而成，其中微米级圆球状粉体约60%，纳米级约40%，表面有网状结构，内部呈中空结构。图8示出其外观。

图6 汽车前端部件(长碳纤维质量分数20%+PP)

图7 靠激光进行UD带自动铺层

图8 陶瓷微纳米混合粉体外观

HMNCP经表面处理后，曾在56 种各类塑料部件中添加20%～30%，提高了模量、抗冲击强度、耐磨性、耐腐蚀性、阻燃性等，而成本下降（表面处理品售价5～6 元/kg）。

在宁波博利隆复合材料有限公司做过应用研究，在CFRP的环氧树脂中添加入10%～30%经活化处理的HMNCP，结果拉伸强度持平或略有下降，但弯曲模量和抗冲击强度、阻燃和耐高低温性等大幅提高，成本大幅下降，这对发展汽车用CFRP承力件十分重要。在汽车用涂料中添加HMNCF，可增加光洁度、耐划伤、耐磨、耐腐蚀、耐高低温、保温性提高约6 ℃。在汽车轮胎的橡胶中添加HMNCP，可提高耐磨性、耐高低温性、阻燃性、弹性和寿命。同时可代替碳黑或白碳黑作有色轮胎，售价翻几倍，而成本下降。在汽车耐热部件中添加HMNCP，可进一步提高耐热寿命。

3.3 CFRP快速成型固化剂

我们将引进新型快速成型固化剂BPH，BPH-环氧树脂体系是一种低粘度液体，其中BPH质量分数只有1%～4%，在无阳光照射下可储存6 个月以上。且加工性能好，吸湿性比胺-环氧树脂固化剂体系低50%。

采用BPH固化剂-环氧树脂体系所加工出的CFRP等复合材料成型品，尺寸精度高，收缩率只有1%～2%，而胺固化剂-环氧树脂体系固化后的收缩率为4%～7%，酸酐固化剂-环氧树脂体系固化后的收缩率为3%～6%。BPH固化剂与胺类固化剂的加入量与最终复合材料的弯曲强度、弯曲模量和抗冲击强度3 大重要力学性能指标的对比，详见表3。

可见，BPH固化剂虽加入量极小，但制成的复合材料3 大重要指标均大大高出不同的胺类固化剂成型品。

3.4 用对位芳纶子午胎逐步取代钢丝胎

中国化工集团公司已收购了世界3 大轮胎企业之一的意大利轮胎厂，为今后发展对位芳纶轮胎以满足国外日益增长的需求。在国内为中蓝集团晨光化工研究院有限公司发展年产万吨对位芳纶产能提供机遇，并可向国内输入该轮胎，实现汽车轻量化。

我国还有其他4 家同种纤维生产企业，他们也可与天津轮胎厂等实现芳纶轮胎的国产化。

3.5 今后重点发展固体钒动力电池

由中德合作研发的全新VB2-空气电池，具有设计理念新颖，无需充电，能量密度与功率密度极高（见表4），不存在自燃、爆炸等安全问题，反应产物可回收再生等优点。具体简介如下：其理论能量密度，居各种电池第二位，相当于锂离子电池的11 倍，意味着今后的发展潜力巨大。

创新点是将传统的平板式电池隔膜设计成中空微管膜或中空纤维膜，使单位体积的总膜面积大大扩大，而且微管直径越小，膜面积越大，反应效率越高，如图9所示。

表3 弯曲强度、弯曲模量和冲击强度3 大重要力学性能指标的对比

为此动力电池体积和质量越小，电动汽车的续驶里程越远。

表5和图10示出固体钒电池体积、质量与电动汽车续驶里程的关系。

反应机理是靠比表面积大的VB2纳米粉体与空气中的氧在催化剂的存在下反应产生电流，一个VB2分子能产生11 个电子，而其他已商品化的电池，一个分子只能产生1～2 个电子，因此能量密度极高。反应温度不超过60 ℃，加上膜材质具有耐高低温、抗燃、电绝缘等优良特性，因此不存在安全问题。电池结构被设计成反应器和VB2粉体储存器，靠小泵将VB2纳米粉体打入装有列管式膜反应器中循环反应产生电流。因此其电动汽车续驶500～1 000 km后，无需将电池卸下，只需打开钒粉储存器顶盖，用特制吸枪插入容器中，将反应产物（V2O5+B2O3）吸出，再将新VB2置入，换粉时间只需3～5min，电动车又可续驶。反应产物在特定条件下，可进行可逆反应变回原料，反复循环使用。

表4 各种主要电池的理论能量密度对比 Wh/kg

图9 直径与能量密度的关系曲线

表5 反应器尺寸

图10 钒粉储存器尺寸

表6～7分别示出全球各时期动力电池的发展目标和固体钒电池所达到的能量密度对比。

据估算，固体钒电池的成本，比同样能量密度的锂离子电池低约20%～30%。未来电动汽车的综合使用成本估算，固体钒电池汽车约比燃油车低40%，而锂离子电池汽车比燃油车贵68%。

总之，固体钒动力电池具有划时代意义，未来产业化后必能引领中国电动车走向世界领先水平。

表6 国内外动力电池的研发目标

表7 固体钒电池的研发目标

3.6 其他

我国石英光纤和塑料光纤已跃居世界先进水平，完全可以取代进口车所用的光纤显示系统。同时应加强光纤厂家与国产车厂家的沟通，利用国产光纤配置车内的光显示系统。

4 结束语

综上所述，国家有关部门若能对上述创新建议给予资金和政策上的大力支持，在未来10 年间，就有望使我国汽车产业迈向世界先进或领先水平。

[1] 编辑部. 革新碳纤维基础技术的开发和朝汽车工业的应用[J]. 化学经济, 2016, (5): 32-37.

[2] 铃木智史. 碳纤维增强塑料的最近成型技术和装置[J].塑料时代, 2016, 62(5): 42-49.

[3] Toho Tenax: High efficiency thermoset CFRP production technology[J]. atb, 2015, (1): 12.

[4] 东丽扩充面向汽车CFRP模压成型材料[N]. 石油化学新闻, 2016, (5 006): 4.

[5] JFE的氢燃料电池用CFRP压力容器[N]. 石油化学新闻, 2015, (4 970): 20.

[6] 罗益锋. 大丝束PAN原丝及碳纤维生产装置考察报告.内部资料, 2016.

[7] BPH新型固化剂. 内部资料, 2016.

[8] 罗益锋. 国外新型动力电池最新进展. 内部资料, 2016.

The innovation solution of light weight, energy saving and low cost environmental cars

LUO Yi-feng, LUO Xi-min

( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

The 4 major challenges are faced with China’s automobile industry: First is the strengthening of energy saving and environmental protection laws and regulations; second is the general trend of the times for using carbon fiber reinforced plastics (CFRP) car, while the production efficiency of Japanese carbon fiber companies will increase 10 times by using partial preoxidized black precursor fiber, and using microwave for carbonizing and plasma for carbon fiber surface treatment; third is the forming time both for carbon fiber reinforced thermoplastic and thermoset composites have reach 1～3 min respectively; Forth is the gap of innovation development between advanced countries and China in power batteries is increased. So the innovative solutions should be put forward as counter measure: The high efficient and low cost large tow PAN-based carbon fiber production line, which could be increased the production efficiency by 5 times, should be imported from abroad, the R&D of above black PAN precursor should be carried on at the same time; A low cost high speed new forming curing agent for CFRP should be imported from abroad; Add the low price hollow micro-and nano-ceramic powder into car using engineering plastics and CFRP parts in order to decrease the cost to large extent, increase the comprehensive properties and add some functions; Using para-aramid fiber tire instead of stainless steel filament tire; Speed up the pilot experiment and in dustrialization of solid vanadium battery, its theoretical energy density per weight is more than 10 times compared with lithium ion battery, now 400～600 kWh/kg have reached for solidvanadium battery in laboratory, the smaller volume and lighter weight of vanadium battery the longer last run distance for electric car due to it’s entirely new design concept, the battery need bot charge with electricity, no any safety problems, the reactant can be regenerated and reused; Using plastic light transmitting fiber for display system in the car etc. these could make Chinese automobile industry striding toward worlds’ advanced or leading levels.

car; light weight; low cost carbon fiber; ceramic powder; new type battery; new curing agent

TB33; U46

A

1007-9815（2016）05-0001-06

定稿日期:2016-09-15

罗益锋（1937-），男，浙江宁波人，教授级高工，中心主任，《高科技纤维与应用》杂志主编，中国化纤工业协会顾问，波恩项目投资有限公司专家组组长，从事高新技术纤维、复合材料、新能源化工等技术、经济和信息综合研究，(电子信箱)luoyifengzg@163.com。