孟弋洁:复合材料行业发展现状及最新应用

2023年12月19日-21日,由中国电动汽车充电基础设施促进联盟、中国汽车工业协会充换电分会、杭州市富阳区人民政府联合主办的“2023中国汽车充换电生态大会”在杭州举办。本届大会以“迎接新挑战,全面推动充换电基础设施高质量发展”为主题,设置了“1+1+6+N”场会议和发布,即1场闭门会议+1场大会论坛+6个主题论坛+N场重磅发布,会议围绕“充换电基础设施建设”、“充电桩下乡”、“高品质充电服务”、“换电模式”、“海外出口”、“车网互动”等方面进行深入交流,研讨构建产业高质量发展格局的对策、方法与路径。
其中,在12月21日上午进行的“主题论坛五:充电桩出口海外实践与探索”环节,中国复合材料工业协会秘书长孟弋洁发表了精彩演讲。
孟弋洁:复合材料行业发展现状及最新应用
以下内容为现场演讲实录:
 
非常荣幸受邀参加今天的会议,我也很高兴在这里把我们复合材料的情况给与会代表进行分享。
我的报告主要分三方面,一是复合材料发展概况,二是在新能源方面的应用,三是协会的介绍。
今天的大部分代表不是复合材料行业的人,我简要介绍一下,复合材料的发展。世界复合材料发展与航空业密切相关,从树脂开发伊始,复合材料就逐渐在航空航天中得到应用。最开始是玻璃钢被用于生产飞机和导弹的外壳,而后逐渐扩展了高性能纤维的应用,如碳纤维、芳纶纤维。
新中国成立以后,我国的复合材料行业得到了迅速发展,到目前为止复合材料技术跟国外虽有一定的差距,但复合材料整体的工艺和装备还处在世界前列。尤其近十年的高质量发展,其差距由原来的30、40年,已缩短到10年左右。国内复合材料的发展主要与导弹、战斗机和两弹一星这些国家大工程密切相关,在70年代末、80年代初逐渐被应用到民用。当协会1984年成立的时候,全国从事复合材料产业链上下游生产的国有企业和研究院所大概160多家。
由于复合材料有相当多的高附加值产品是运用于军工,所以不管是国内还是国际上都很难准确的收集整个行业的产值信息。对外公布的中国2600亿行业规模,不包括覆铜板,覆铜板在1992年的时候在信息工业部那边成立了一个专业的专委会,专门负责覆铜板的相关工作,所以我们协会也就没在这块做工作。覆铜板我了解的情况大概有900亿。同时大约有1000亿规模的采光瓦大,也没在统计范围内。数据主要基于协会的会员和主要应用领域做的分析,和国际上比的话,我们的产值很高,但是附加值和欧美还在一定差距,从2009年中国已经连续么多年世界第一。
可能大家都不太了解复合材料是什么,其实复合材料在老祖宗那辈就已经应用上了,原来的泥墙,就是稻草+土壤形成的复合材料,我们的布鞋鞋底,原来用的纸浆与布浸渍,再叠层,最后用线上下缝合,叠层过程中就是一个手辅过程,上下缝合就是现在针刺工艺。复合材料具有一定的可设计性,两种或两种以上的材料通过一定的工艺组合成新材料,保留了两种材料优质特点,同时呈现出了新材料的特殊性。像导弹的载入,烧蚀的那段时间,像一般的金属已经熔化掉了,但复合材料会汽化形成表面的隔热层,通过牺牲表面材料带走热量保护内部结构。功能结构一体的化复合材料表现出的就是可设计、轻量化、高可靠、高效能,所以说复合材料和传统材料相比不是材料,是一种复合成型过程。
复合材料经过这么多年发展,玻璃钢复合材料占比高达95%。近10年发展很快,玻璃纤维全球最大,已经达到了830万吨的规模。而且价格也下降很快,普通玻纤纱已经只有2.9~3.1元/公斤。这两年热塑性纤维在汽车工业用得比较多,像特斯拉,现在正在研究短切纤维增强尼龙来做车身的课题。碳纤维是汽车上使用的最主要的高性能纤维。汽车轻量化把碳纤维轻质高强的特点呈现出来了,和其他的高性能纤维比,比强度和价格优势十分明显。随着这两年碳纤维投资的热潮,今年最低的碳纤维已经做到72元,T700去年还能卖到300元,今年直接跌到了140块钱,为新能源和其他方面的应用拓展了一定的方向。
碳纤维复合材料和国际先进相比,应该说在性能上还存在一定差距,主要体现在不稳定性上。去年中国国内需求大概是4.2万吨左右,首次国内供货超过了国外,对国外的产品的依赖逐渐降低。不同的需求在不同的应用领域碳纤维有明确的价格区间,现在不管是哪个行业,复合材料在国民经济的各个面上都能够得到广泛的应用。在当前需求减弱的大背景下,各个应用领域都存在内卷的问题,价格一直是追求的方向,一是材料本身,二是低成本的成型工艺。
碳纤维方面表现出来优异的性能,但由于复合材料的可设计性和制造工艺的特点,在成型过程中工艺的不确定性直接会影响到材料的性能,这里强调需要关注不同材料的界面。碳纤维复合材料在汽车上主要应用的方向在这里已经呈现,就不用多说了。
我们刚才说了碳纤维、玻纤增强体,基体这里面与高性能匹配的话就是环氧树脂。中国的环氧现在产能已经达到了365万吨的规模,但实际上国内需求只有180多万吨,而我们复合材料在环氧需求量的占比应该占比1/5—1/4的规模,今年环氧树脂价格下探明显,原来最低要25、26元,今年最低达到了16元/公斤,为我们下游的拓展扩大应用创造了前所未有的机遇。
复合材料在轻量化上应用优势明显,当然今天新能源汽车得到了国家大量的政策优惠和支持,也是行业重点关注的。碳纤维复合材料在轻量化上应用可以让结构减重达到30%,比钢轻了70%。其使用的工艺主要是片状膜塑料和注射成型和真空袋压。对于大批量的产品就要用SMC工艺,机械化程度很高,最快是半分钟,最慢的根据尺寸的结构复杂程度,可能会有一些时间上的影响。
这里呈现的是汽车上应用的主要产品,重卡的传承轴、板簧、轮毂、座椅等等,宝马3系用全复合材料的车身,两个人就能轻松抬起来。上世纪90年代中华子弹头在南方曾经有一段时间销量还不错,因为它有一定的弹性,当然剧烈的撞击下会散架,但是有一定的弹性。
这里要说一下涂层,为了降低车辆在夏天暴晒的温度,我们的涂层能够有效减少热量的吸收。现在已经有这个技术,实际上我们肉眼可见光是光线中很小的波段,紫外线和红外线是产生热烈的重要原因,在不减少透光性的情况下,大量地过滤掉这两个波段的热量。而且该技术能够做到在同介质、同温度的情况下能够无限趋近于绝对温度的放热,也就是如果无限时间,这个温度能够不断地往下放热,当然这里没有外部热量不断往内部传递。使用了这个技术的车经过测试比不用这个技术的车最多能够低到3度。  
复合材料应用在传动轴上国外已经有成果,现在中国的复合材料用到大飞机上的起落架上都没问题,传动轴也是没问题的。这类似的应用包括下支臂等能大幅降低汽车重量。而且复合材料有一个最大的特点,就是抗疲劳性能,阻尼特性特别好。在减震、在提高产品使用寿命上有很大的应用场景。电池盒盖就不用说了,现在特斯拉提出的1300度的耐烧,复合材料能轻松实现。
电气绝缘是传统应用较大的领域,主要用的是树脂耐热、耐温、绝缘特性。充电设施充分应用了这些特点。复合材料能满足充电桩各项指标的要求,这就不多说了。板簧前两年比较火,有相当多的企业在这方面有研究,像知名的穹弓每年有100万的产量。由于复合材料的基础数据积累和性能数据没有开放,很多人对复合材料不了解,没有设计到这里面来,限制了复合材料的应用。碳陶刹车片是汽车应用的另一方向,像特斯拉的一套大概10几万,国内做得比较好的5、6万,现在最便宜的可能也能做的1万元以内。这个市场比较大的,主要用的是T700纤维,去年到今年价格下了一半,这个市场应该有大的应用。用复合材料的刹车片可以减重,最关键还有导热效果比较好,不会出现刹车时热衰减。
中国复合材料工业协会1984年成立,由于赖部长从俄罗斯勘察回来,取名玻璃钢,又与玻璃相关,所以就放到了建材口。改革开放以后复合材料应用面很广,为了促进各个部委之间的交流、横向联系就建立了我们的协会。协会的第一任会长是丁原部长,2017年改名为复合材料工业协会,2020年协会换届,中国建材总经理李新华是协会会长。作为国家的一级协会,我们发挥着承上启下,做好四个服务的作用。协会希望成为复合材料行业最权威的服务机构。
我们这里也有几个公众号,尤其是订阅号,每天都有介绍复合材料的最新应用,也希望各位朋友能够关注我们的公众号,有什么需要的跟我们联系,感谢大家!谢谢!

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