三論國產碳纖維產業化

06-10

文/沈真（江蘇恆神股份有限公司）

最近有感而發寫了了兩篇小文，總結一下就是兩件事：首先國產碳纖維產業必須寄託於下游產業複合材料產品的產業化；其次下游產品的產業化取決於是否可以提供「買得起的複合材料製品」。因此問題就歸結為如何才能提供「買得起的複合材料」。

關於複合材料產品，在航空複合材料界一直流行這樣幾句話：「設計是主導，材料是基礎，製造是關鍵。」民機複合材料製件在實現產業化過程中，美國NASA贊助的諸多研發計劃中始終貫穿了這樣的指導思想：「信心（安全性）、技術、成本」，即為實現民機複合材料產業化必須解決上述三個問題。由於碳纖維複合材料擁有所有結構材料中最高的比剛度，是實現結構輕量化的首選材料，主要用於對結構輕量化有迫切需求的產業，而這些結構對安全性有極高的要求，由於是新材料，用戶對其安全性的疑慮是可以理解的；技術是在滿足安全性的前提下保證設計和製造複合材料製件的必要條件；然後才進一步考慮如何實現銷售，銷售的關鍵是使用戶認同其全壽命成本（採購成本使用成本維護成本）優於其他結構用材料的製品，所以信心（安全性）、技術和成本是實現複合材料製件產業化的三步曲。

縱觀碳纖維複合材料得到大量應用的工業領域：體育休閑、建築補強、航空航天，以及目前增長迅速的風電葉片和壓力容器，都是國外碳纖維的一統天下，為什麼？因為所有這些領域的複合材料產品都是首先由國外廠家設計和製造出來，然後利用中國的廉價勞動力，在中國設廠或轉讓技術生產。國產碳纖維進入這些領域的首要條件必須要求性能相當，價格低廉，在把性能做到與國外基本相當後還必須打價格戰。因此國產碳纖維進入這些市場，只能適應由開發商指定的遊戲規則，生產出符合產品規定材料規範的碳纖維，與國外廠商打價格戰，要求國家強行制訂使用國產碳纖維的法令不符合市場經濟規律。在此背景下，碳纖維廠商只能立足於自身改進工藝，提高性能，降低成本，就像碳纖維界熱烈討論的那樣。但要實現這一目標，同樣必須立足於經歷長期高耗能低性能的生產過程，才有可能實現。在國產碳纖維性能略低於國外碳纖維的當下，只能進入低端複合材料市場，當然只能賣「白菜」價了。說到底，因為我們不掌握複合材料製品的核心技術，只能遵從國外廠商制訂的材料規範，國產碳纖維沒有任何發言權。在這種情況下，國產碳纖維廠商的唯一出路就是按照國外的碳纖維材料規範，生產符合其要求的產品，並儘可能降低成本。如何打破僵局，使用戶接受國產碳纖維來生產批量化的複合材料製品呢？那就要主動掌握碳纖維複合材料製品的開發權，按照國產碳纖維實際達到的性能和用戶對產品的性能要求，設計和製造出全壽命成本優於其他結構材料的複合材料製件。

回顧上世紀70年代波音在開發民機複合材料結構時東麗T300的技術狀態，從波音公司T300的材料規範可以發現，當年東麗的T300並不優於目前國內的同級產品，但波音就用那樣的碳纖維開發出了波音系列的複合材料尾翼，不僅全壽命成本優於金屬結構，也安全運行了30年，東麗公司可以在波音公司大量使用的基礎上，源源不斷地進行生產，並在長期生產和對用戶反饋問題的響應基礎上，不斷提高性能和降低生產成本，達到了目前的高性能和低成本。國產碳纖維如何學習東麗成長的道路呢？只有緊緊伴隨堅定走碳纖維複合材料產品產業化之路的用戶，在產品產業化的過程中實現國產碳纖維的產業化，這樣的用戶只能是目前還沒有產業化產品的新興行業用戶。。

當前碳纖維產業正在如火如荼地準備進入以軌交和汽車為代表的交通運輸領域，的確交通運輸車輛的輕量化是該行業迫切需要解決的關鍵議題，碳纖維的應用應是最佳的解決方案，國外特別是寶馬已為此開展了十餘年的探索，2013年寶馬i3的推出被譽為汽車複合材料的元年。與民機複合材料應用實現產業化類似，做出「買得起的複合材料」需走的路異常艱辛，只要堅持不懈，總會實現的，屆時必將迎來碳纖維需求的大爆發。國產碳纖維企業在實現交通運輸車輛複合材料結構產業化的過程中，必須勇於參與成為規則的制定者，才能成為真正的贏家，否則屆時又會淪為國外碳纖維的替代者，去打價格戰。

目前與碳纖維已得到大量應用的其他工業領域（體育休閑、建築補強、風電葉片、壓力容器等）產品不同，交通運輸車輛結構形式和受力要複雜得多，與飛機結構類似，因此其設計和製造必須依託民機複合材料產業化積累的技術基礎；但還要認識到交通運輸車輛複合材料與民機複合材料又有很大的差別：

(1)民機在開始使用複合材料時很多技術人員具有軍機應用的經驗，交通運輸部門的技術人員對複合材料的認識和技術基礎基本為零；

(2)民機結構輕量化是在使用最輕的鋁材基礎上進行輕量化，碳纖維是唯一選擇；而交通運輸結構是在主體結構採用鋼材的基礎上進行輕量化，對很多人來說，碳纖維的應用往往不是第一選擇；

(3)軍機複合材料可接受的價格是10000~20000元/kg，民機是6000~8000元/kg，軌交車輛是800~1500元/kg，汽車是200~500元/kg，具體價格取決於製件的複雜程度（即技術附加值）。

所以對交通運輸行業解決信心（安全性）、技術和成本三大難題比民機開始應用時困難得多，交通運輸車輛複合材料結構沒有現成成功的經驗可以模仿，既要繼承民機複合材料技術基礎，又要在此基礎上根據行業的特點大膽創新，走出中國自己的路，才有國產碳纖維光明的未來。碳纖維產業的從業者必須付出更多的努力，才有可能使用戶有更大的信心，堅持不懈走完產業化之路。

實現複合材料產品的產業化（即生產出「買得起的複合材料」）必須牢牢掌握產品的開發權，就要遵循本文開頭提到的「設計是主導，材料是基礎，製造是關鍵」。產品的源頭是設計，設計時可以根據用戶的要求提出對材料的要求，在碳纖維供應商提供產品的基礎上可以提出改進要求，若供應商經過努力與設計的要求仍有差距時，可以通過設計手段來彌補原材料的性能不足實現用戶對產品的要求；當然複合材料產品的設計團隊還必須與製造團隊密切配合，使產品的設計符合複合材料的製造特點，以便儘可能實現低成本製造；同時原材料供應商在此期間必須聽取製造團隊對原材料的改進要求，努力提供滿足低成本製造要求的原材料。只要這三個團隊密切配合，就可以用國產碳纖維生產出滿足用戶要求的複合材料製品，在實現複合材料製品批量化銷售的基礎上，實現碳纖維源源不斷的生產和銷售。

對複合材料產品安全性的疑慮，即信心，通常是通過滿足結構完整性要求來提供的。飛機的結構完整性定義是「影響飛機安全使用和成本費用的機體結構的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。」這一定義同樣適用於交通運輸結構。結構完整性的要求由行業的設計規範體現，目前交通運輸行業的設計規範完全基於金屬結構的使用經驗，採用複合材料後很多條款無法執行，必須增添針對複合材料的相關內容。民機設計規範FAR25部（中國是CCAR25部）適用於所有的結構材料，諮詢通報AC20-107「複合材料結構」是根據複合材料在飛機結構40年應用的經驗教訓總結，這些補充條款和對條款符合性的實踐經驗基本上適用於交通運輸行業。對這些補充條款的解讀可以發現，凡是不牽扯破壞機理的內容，一般也適用於複合材料；凡涉及破壞的條款則必須重新定義，例如有關靜強度（包括連接強度）、疲勞壽命、損傷容限的條款。衝擊損傷是複合材料結構的特殊問題，必須給出有關的設計要求和處理方法。安全性的另一關鍵是如何確定設計用材料性能，複合材料的特點是結構與材料同時形成、材料的可設計性，因此設計用性能的確定不同於金屬，分為材料許用值和設計值，美國CMH-17《複合材料手冊》第一卷《結構材料性能表徵》就是集40多年有關複合材料性能表徵的經驗教訓總結，它適用於所有高性能複合材料設計用性能的選取和確定。總之可以借鑒飛機結構的設計規範並結合行業特點來制訂適用於交通運輸行業的補充規範。