全身主要由复合材料制作的波音787飞机,完成了大型民用飞机由传统的铝合金向碳纤维增强塑料复合材料的转变。新飞机所用材料按体积计算,复合材料占到80%。按重量计算则为:50%复合物料,20%铝,10%钢 ,和20%的其他材料。
 
一般来说,航空航天工业开发出来的先进材料可以向其他工业推广。如二战时期为飞机开发的玻璃纤维复合材料,已在游艇和风能叶片行业占据主流。纤维复合材料强度与钢相当,比重只是1.5~2.0克/立方厘米,但是仅在F1方程式赛车和高端跑车上得到应用,在普通轿车上并没有成为主要材料。复合材料在汽车工业没有大规模应用的主要原因是,大规模生产技术路径没有完全打通。受几个关键技术瓶颈制约,生产效率低,成本高,无法实现汽车工业必须的高效率大规模生产。虽然历史上进行了多次尝试,都没有成功。
 
美国总统奥巴马宣布新的轿车燃油效率标准:到2025年新车型要求每百公里燃油减少50%,达到每百公里燃油4.3升。此前,能源基金会高级副主席、中国可持续能源项目总裁林江在接受《科学时报》记者采访时表示,美国车辆新标准的出台将促使百亿美元的投资流向能效技术研发领域,将推动汽电混合动力技术与轻型材料的研究和商业化。
 
因为节能减排迫切要求,欧洲和日本各大车厂均选择开始了新一轮应用碳纤维等高强纤维复合材料的努力。采用复合材料可使汽车车身减重40%。复合材料还能提高抗撞性能和安全性。要想取得成功,必须取得技术突破。德国宝马电动汽车i3和其他车厂的碳纤维车身多是采用树脂转移模塑成形技术(RTM)。
 
RTM主要原理是在模具的腔中铺放纤维预制体,将树脂液体注入模腔,树脂浸注纤维预制体后固化成固体,脱模获得构件。这个RTM流程的效率主要取决于树脂的固化时间和纤维预制体的铺层效率两个制约因素。以前,树脂的固化时间至少需要30分钟,而生产汽车要求几分钟甚至一分钟制成一个构件。美国陶氏近期为汽车工业开发出了2分钟固化的树脂,突破了树脂固化时间的瓶颈。
 
要使用长纤维做结构材料,通常由纱线做成纤维片, 叠层纤维片到一定厚度得到纤维体。由于自动化机械操作纤维片材难度较大,只有要求很高的飞机和形状比较规则构件才能够采用昂贵的自动化铺层设备。纤维叠层多采用手工,效率低,成本高。这是大规模生产的一个主要障碍。宝马等各大汽车公司都还没有解决,所以宝马的i3汽车售价要4万欧元左右,属于高档汽车。
 
无锡安飞纤维材料公司韩楠林博士发明的韩氏三维织物和自动化纤维叠层机,可以实现纤维叠层自动化,取代手工叠层。一个纤维预制体在90秒内就可以自动化完成,提高生产效率数倍,降低生产成本50%以上。这为复合材料在汽车这种大规模生产行业的应用打通了技术路线,也为世界建造波音787的下一代三维复合材料飞机提供了新的技术基础。
 
突破了大规模生产的技术后,复合材料的成本在汽车上应用就不是问题。复合材料的模具费用低,只是金属冲压模具的几分之一。另外,对复合材料回收利用可以借鉴轮胎, 因为有巨大的市场需求,在山东、江苏和浙江呈现遍地开花之势的低速电动汽车售价3万元左右。这种电动汽车也能承受成本在1万元左右的玻璃纤维复合材料制作的车身和底盘。玻璃纤维复合材料也是在装甲车上使用的防弹装甲材料。而新型的韩氏三维复合材料能够提高抗冲击强度50%~100%;因而可以显著提高低速电动汽车的技术水平和安全性,引领世界车用复合材料的新变革。
 
突破了制约瓶颈后, 飞机用的复合材料在汽车工业大规模应用的通道也就敞开了。 预计到2025年,世界上多数新轿车的车身和底盘主结构都会使用纤维复合材料。
 
正如中科院院长白春礼所言:“谁能提前判断科技革命发生的领域,进行前瞻和重点部署,就有可能在新一轮竞争当中抢占先机。”车身材料的革命会颠覆现在汽车生产的冲压、焊接工艺。新建的电动汽车厂,如果在冲压和焊接上还是按传统汽车厂那样投入巨资,可能会走弯路。
 
国家新材料产业发展战略咨询委员会副主任、碳纤维及复合材料产业技术创新联盟副理事长李克建研究员说,纤维增强复合材料是当今世界发展热点之一,目前阻碍其快速发展的“拦路虎”是高成本。李克建评论说:“韩楠林博士有股‘疯劲’,他在降低成本方面作着不懈的努力。我赏识他的‘疯劲’,这就是科技创新的冲动,难能可贵。”
 
虽然安飞纤维材料公司突破了复合材料大规模自动化生产的一个关键技术瓶颈,但是要引领和推动世界汽车车身材料革命的前景并不乐观。目前国家科技研发经费呈现“哑铃”型战略布局:央企和大型企业获国家支持巨额研发经费,这是“哑铃”的一头。而“哑铃”的另一端是科研院所和大学,获得经费渠道众多,一般的人也是“经费基本不缺”。“哑铃”中间的细杆是以技术突破发明创新进行创业,从事将科研成果转化为生产力的小企业。
 
《科学时报》 (2011-12-05 B2 产业)