塑料復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變。新飛機所用材料按體積計算,復(fù)合材料占到80%。按重量計算則為:50%復(fù)合物料,20%鋁,10%鋼,和20%的其他材料。
一般來說,航空航天工業(yè)開發(fā)出來的先進材料可以向其他工業(yè)推廣。如二戰(zhàn)時期為飛機開發(fā)的玻璃纖維復(fù)合材料,已在游艇和風(fēng)能葉片行業(yè)占據(jù)主流。纖維復(fù)合材料強度與鋼相當(dāng),比重只是1.5~2.0克/立方厘米,但是僅在F1方程式賽車和高端跑車上得到應(yīng)用,在普通轎車上并沒有成為主要材料。復(fù)合材料在汽車工業(yè)沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是,大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)路徑?jīng)]有完全打通。受幾個關(guān)鍵技術(shù)瓶頸制約,生產(chǎn)效率低,成本高,無法實現(xiàn)汽車工業(yè)必須的高效率大規(guī)模生產(chǎn)。雖然歷史上進行了多次嘗試,都沒有成功。
美國總統(tǒng)奧巴馬宣布新的轎車燃油效率標準:到2025年新車型要求每百公里燃油減少50%,達到每百公里燃油4.3升。此前,能源基金會高級副主席、中國可持續(xù)能源項目總裁林江在接受《科學(xué)時報》記者采訪時表示,美國車輛新標準的出臺將促使百億美元的投資流向能效技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域,將推動汽電混合動力技術(shù)與輕型材料的研究和商業(yè)化。
因為節(jié)能減排迫切要求,歐洲和日本各大車廠均選擇開始了新一輪應(yīng)用碳纖維等高強纖維復(fù)合材料的努力。采用復(fù)合材料可使汽車車身減重40%。復(fù)合材料還能提高抗撞性能和安全性。要想取得成功,必須取得技術(shù)突破。德國寶馬電動汽車i3和其他車廠的碳纖維車身多是采用樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術(shù)(RTM)。
RTM主要原理是在模具的腔中鋪放纖維預(yù)制體,將樹脂液體注入模腔,樹脂浸注纖維預(yù)制體后固化成固體,脫模獲得構(gòu)件。這個RTM流程的效率主要取決于樹脂的固化時間和纖維預(yù)制體的鋪層效率兩個制約因素。以前,樹脂的固化時間至少需要30分鐘,而生產(chǎn)汽車要求幾分鐘甚至一分鐘制成一個構(gòu)件。美國陶氏近期為汽車工業(yè)開發(fā)出了2分鐘固化的樹脂,突破了樹脂固化時間的瓶頸。
要使用長纖維做結(jié)構(gòu)材料,通常由紗線做成纖維片,疊層纖維片到一定厚度得到纖維體。由于自動化機械操作纖維片材難度較大,只有要求很高的飛機和形狀比較規(guī)則構(gòu)件才能夠采用昂貴的自動化鋪層設(shè)備。纖維疊層多采用手工,效率低,成本高。這是大規(guī)模生產(chǎn)的一個主要障礙。寶馬等各大汽車公司都還沒有解決,所以寶馬的i3汽車售價要4萬歐元左右,屬于高檔汽車。
無錫安飛纖維材料公司韓楠林博士發(fā)明的韓氏三維織物和自動化纖維疊層機,可以實現(xiàn)纖維疊層自動化,取代手工疊層。一個纖維預(yù)制體在90秒內(nèi)就可以自動化完成,提高生產(chǎn)效率數(shù)倍,降低生產(chǎn)成本50%以上。這為復(fù)合材料在汽車這種大規(guī)模生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用打通了技術(shù)路線,也為世界建造波音787的下一代三維復(fù)合材料飛機提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。
突破了大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)后,復(fù)合材料的成本在汽車上應(yīng)用就不是問題。復(fù)合材料的模具費用低,只是金屬沖壓模具的幾分之一。另外,對復(fù)合材料回收利用可以借鑒輪胎,因為有巨大的市場需求,在山東、江蘇和浙江呈現(xiàn)遍地開花之勢的低速電動汽車售價3萬元左右。這種電動汽車也能承受成本在1萬元左右的玻璃纖維復(fù)合材料制作的車身和底盤。玻璃纖維復(fù)合材料也是在裝甲車上使用的防彈裝甲材料。而新型的韓氏三維復(fù)合材料能夠提高抗沖擊強度50%~100%;因而可以顯著提高低速電動汽車的技術(shù)水平和安全性,引領(lǐng)世界車用復(fù)合材料的新變革。
突破了制約瓶頸后,飛機用的復(fù)合材料在汽車工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的通道也就敞開了。預(yù)計到2025年,世界上多數(shù)新轎車的車身和底盤主結(jié)構(gòu)都會使用纖維復(fù)合材料。
正如中科院院長白春禮所言:“誰能提前判斷科技革命發(fā)生的領(lǐng)域,進行前瞻和重點部署,就有可能在新一輪競爭當(dāng)中搶占先機�!避嚿聿牧系母锩鼤嵏铂F(xiàn)在汽車生產(chǎn)的沖壓、焊接工藝。新建的電動汽車廠,如果在沖壓和焊接上還是按傳統(tǒng)汽車廠那樣投入巨資,可能會走彎路。
國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會副主任、碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長李克建研究員說,纖維增強復(fù)合材料是當(dāng)今世界發(fā)展熱點之一,目前阻礙其快速發(fā)展的“攔路虎”是高成本。李克建評論說:“韓楠林博士有股"瘋勁",他在降低成本方面作著不懈的努力。我賞識他的"瘋勁",這就是科技創(chuàng)新的沖動,難能可貴�!�
雖然安飛纖維材料公司突破了復(fù)合材料大規(guī)模自動化生產(chǎn)的一個關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,但是要引領(lǐng)和推動世界汽車車身材料革命的前景并不樂觀。目前國家科技研發(fā)經(jīng)費呈現(xiàn)“啞鈴”型戰(zhàn)略布局:央企和大型企業(yè)獲國家支持巨額研發(fā)經(jīng)費,這是“啞鈴”的一頭。而“啞鈴”的另一端是科研院所和大學(xué),獲得經(jīng)費渠道眾多,一般的人也是“經(jīng)費基本不缺”。“啞鈴”中間的細桿是以技術(shù)突破發(fā)明創(chuàng)新進行創(chuàng)業(yè),從事將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的小企業(yè)。