車身輕量化新材料

1、1. 輕量化或成制造業(yè)發(fā)展突破口當(dāng)制造業(yè)遭遇經(jīng)濟(jì)不振需求下滑，輕量化有望成為制造業(yè)發(fā)展的突破口。以新能源汽車產(chǎn)業(yè)為例，為了解決新能源汽車?yán)m(xù)航里程短的問(wèn)題，在能源效率短期很難實(shí)現(xiàn)較大突破的現(xiàn)實(shí)下，汽車輕量化逐漸引起產(chǎn)業(yè)關(guān)注。同樣的在軌交車輛和航空飛行器制造方面，輕量化改造也起到了舉足輕重的作用。目前的輕量化主要涉及4大材料：碳纖維復(fù)合材料、鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼。對(duì)這些材料的選擇，往往要從成本、與金屬的連接、修復(fù)及回收等方面進(jìn)行綜合考量。輕量化帶來(lái)的不僅僅是材料的革新，更是產(chǎn)業(yè)鏈的重整和制造裝備的需求激活。2. 碳纖維材料引領(lǐng)輕量化浪碳纖維材料泛指由碳纖維和聚合物樹(shù)脂復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料料

2、。由于高強(qiáng)度+低密度的特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用一直備受關(guān)注。碳纖維復(fù)合材料車身/機(jī)身部件因?yàn)槭且惑w成型，所以其省去了大量的緊固件、連接件、焊接材料等附屬結(jié)構(gòu)重量，因此不僅是材料本身重量減輕，附加重量也得到降低，未來(lái)一體化碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)有望對(duì)車輛、飛行器等裝備減重起到巨大作用。目前碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要受限于上游高端原絲的進(jìn)口、中游部件成型的成本控制以及下游需求的釋放。3. 碳纖維及部件生產(chǎn)流程與相關(guān)設(shè)備碳纖維原絲的生產(chǎn)涉及拉絲、牽伸、碳化、石墨化等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中碳化環(huán)節(jié)的技術(shù)難度與生產(chǎn)附加值最高。碳纖維相關(guān)生產(chǎn)裝備主要是兩方面，一方面是碳纖維原絲的生產(chǎn)裝備，另一方面是將碳纖維原絲壓制成

3、復(fù)合材料以及最終部件的成型裝備。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的興起有望帶動(dòng)碳纖維下游需求的快速釋放，而整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的相關(guān)設(shè)備廠商將率先迎來(lái)產(chǎn)業(yè)化紅利。4.國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)裝備企業(yè)列舉海源機(jī)械：公司碳纖維輕量化業(yè)務(wù)研發(fā)繼續(xù)推進(jìn)，新能源汽車碳纖維車身部件生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，公司預(yù)計(jì)2017年3月份進(jìn)行安裝調(diào)試試生產(chǎn)。同時(shí)公司已與多家車企接洽探討碳纖維輕量化部件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。楚江新材：子公司湖南頂立科技針對(duì)碳纖維復(fù)合材料及其構(gòu)件發(fā)展需求，自主設(shè)計(jì)研發(fā)一系列的碳纖維預(yù)氧化裝備、碳化裝備以及碳纖維復(fù)合材料石墨化成套技術(shù)裝備。精功科技：公司主營(yíng)光伏裝備和紡織機(jī)械，并以發(fā)展碳纖維專用設(shè)備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為突破口，

4、2016年上半年實(shí)現(xiàn)碳纖維成套設(shè)備銷售5百余萬(wàn)元。一、輕量化或成為制造業(yè)發(fā)展突破口1輕量化幫助新能源汽車延長(zhǎng)續(xù)航中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，上半年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)17.7萬(wàn)輛和17.0萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)達(dá)125%和126.9%。新能源汽車產(chǎn)業(yè)在補(bǔ)貼退坡等負(fù)面影響下曲折前行，未來(lái)數(shù)年景氣仍有望保持旺盛。而對(duì)于新能源汽車本身，隱藏在電池電機(jī)電控系統(tǒng)問(wèn)題背后的是續(xù)航能力提升這一核心問(wèn)題。為了解決新能源汽車?yán)m(xù)航里程短的問(wèn)題，多年以來(lái)，電池界不斷推出新的技術(shù)手段，改善改進(jìn)電池材料、技術(shù)、工藝。但是在歷經(jīng)了多次材料與技術(shù)路線變革后，能源效率在短期內(nèi)較難再實(shí)現(xiàn)較大的突破，因此業(yè)界開(kāi)始轉(zhuǎn)移視線，在繼續(xù)研

5、發(fā)新型儲(chǔ)能技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)始關(guān)注汽車輕量化技術(shù)，通過(guò)減重減介實(shí)現(xiàn)能源效率的提高，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)新能源電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。輕量化與新材料密不可分，工業(yè)領(lǐng)域的輕量化未來(lái)主要涉及4大材料：碳纖維復(fù)合材料、鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼。從材料強(qiáng)度與重量角度來(lái)看，以耗鋼材400kg為標(biāo)準(zhǔn)，高強(qiáng)度鋼材則需要320kg，鋁合金240kg，鎂合金220kg，復(fù)合材料160kg，粗算減重潛力分別為：10%-20%、40%、50%、60%。定量的分析乘用汽車減重的經(jīng)濟(jì)效益得出：對(duì)于普通的乘用車來(lái)說(shuō)，一輛轎車每減重100kg，每百公里燃油消耗就平均減少0.5L，二氧化碳排放也隨之減少500g?？梢钥吹?，減重對(duì)于燃油效率的提升

6、有著重要的意義。提到汽車輕量化，人們第一時(shí)間想到的是其安全性問(wèn)題，即對(duì)車身輕量化后材料強(qiáng)度不夠和自重過(guò)輕等問(wèn)題的擔(dān)憂。其實(shí)汽車的輕量化，就是在保證汽車的速度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量。減重后的汽車有許多優(yōu)點(diǎn)，例如更環(huán)保、更節(jié)油、行駛速度提高、操控性能和反應(yīng)能力改善等。除了汽車輕量化以外，包括軌交和航空在內(nèi)的工業(yè)制造部門也都在進(jìn)行輕量化的探索，有些甚至走在了汽車行業(yè)的前列。2輕量化助力軌道交通降本增效鐵路貨運(yùn)車輛方面在軌交貨運(yùn)車輛方面，輕量化改造也起到了舉足輕重的作用。按照美國(guó)制造的鋁合金煤車統(tǒng)計(jì)，在同等強(qiáng)度條件下，鋁合金車比鋼制車重量小約20。C80型鋁合金運(yùn)煤敞車是為我國(guó)

7、大秦鐵路為提高運(yùn)輸能力，達(dá)到年運(yùn)量2億噸目標(biāo)，開(kāi)行2萬(wàn)噸列車而研制的專用車輛。我國(guó)C80型鋁合金運(yùn)煤敞車較C76型鋼浴盆敞車車體輕了5t、較C63A型敞車輕了19t，在車輛總重不變的情況下，大大提高了車輛有效載重。由于C80型鋁合金運(yùn)煤敞車載重較C63A型敞車每輛提高載重19t，提高運(yùn)能31.1%。因此，每年每輛車平均收益將提高22.92萬(wàn)元；在車輛使用壽命期內(nèi)每輛收益將提高572.90萬(wàn)元；同時(shí)可減少車輛保有量，按照年運(yùn)量2億噸計(jì)算，可減少車輛購(gòu)置3763輛、減少機(jī)車購(gòu)置165臺(tái)。采用C80型鋁合金運(yùn)煤敞車可減少列車開(kāi)行對(duì)數(shù)，從而減少機(jī)車車輛的維護(hù)人員、機(jī)車司乘人員、機(jī)車燃動(dòng)費(fèi)、車輛維護(hù)費(fèi)及

8、線路損耗等，實(shí)現(xiàn)減員增效和降耗增效。軌交客運(yùn)車輛方面與傳統(tǒng)的車輛制造材料耐候鋼和不銹鋼相比，鋁型材能降低50%的車體重量，對(duì)高速線路、多彎線路、起伏線路和惡劣環(huán)境有著良好的適應(yīng)性，因而成為城市地鐵、高速鐵路和貨運(yùn)鐵路軌道車輛的可選材料之一。目前鋁型材在日本東京地鐵和新干線軌道車輛上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)四種鐵路客運(yùn)專線動(dòng)車組CRH1，CHR2，CRH3和CRH5當(dāng)中，除CRH1為不銹鋼材質(zhì)外，其余三種車體均為鋁合金材質(zhì)，一般說(shuō)來(lái)時(shí)速超過(guò)250公里的高速列車均為鋁合金材質(zhì)。得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)四種鐵路客運(yùn)專線動(dòng)車組CRH1，CHR2，CRH3和CRH5當(dāng)中，除CRH1為不銹鋼材質(zhì)外，其余三

9、種車體均為鋁合金材質(zhì)，一般說(shuō)來(lái)時(shí)速超過(guò)250公里的高速列車均為鋁合金材質(zhì)。3民航客機(jī)輕量化設(shè)計(jì)已成趨勢(shì)一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，無(wú)論機(jī)身材料怎樣變化，它都在向著高強(qiáng)度、輕量化的方向穩(wěn)步邁進(jìn)。尤其近些年來(lái)，兼顧強(qiáng)度和輕量化優(yōu)勢(shì)的復(fù)合材料更是以一種難以想象的速度在機(jī)身材料中占據(jù)主體地位。以空客為例，短短幾十年的時(shí)間，復(fù)合材料占比就已經(jīng)占到飛機(jī)整體材料的一半以上。在當(dāng)今的航空領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)輕量化和與之相關(guān)的“低油耗”是一直是兵家必爭(zhēng)之地。通常而言，我們所熟悉的汽車百公里油耗往往在5-12L不等（個(gè)別大排量車會(huì)超出此范圍），即使是F1賽車這樣的高油耗賽車百公里油耗也不超過(guò)100L。以可搭載400余人的波音747-40

10、0為例，它的最大燃料容量216,840升，按100美元一桶算，就是13.6萬(wàn)美元。而滿載續(xù)航1.3萬(wàn)公里。 在這個(gè)量級(jí)上，材料輕量化帶來(lái)的油耗降低不可小覷。根據(jù)國(guó)際航協(xié)的數(shù)據(jù)，燃油成本大約占航空總成本的26%。而在國(guó)內(nèi)部分航空公司，燃油成本甚至要占到40%。美國(guó)波音曾在787飛機(jī)研制過(guò)程中，投入3億美元經(jīng)費(fèi)研究在飛機(jī)某些部位用鈦合金取代鋁合金以解決超重問(wèn)題，以此來(lái)達(dá)到減重2500千克的目標(biāo)。這一目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)可以減少20%燃油消耗。二、碳纖維復(fù)合材料引領(lǐng)輕量化浪潮1高強(qiáng)度低密度廣受青睞碳纖維復(fù)合材料一般也叫CFRP，是英語(yǔ)Carbon Fibre Reinforced Plastic的縮寫，中文

11、譯為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱碳纖維復(fù)合材料。碳纖維（CF，CarbonFiber）一般用聚丙烯腈（PAN）為原料，先在200300的空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，繼而在惰性氣體保護(hù)下用1000左右的高溫完成碳化，最后加熱1500到3000成碳纖維。碳纖維90%以上是碳原子，和其他金屬相比質(zhì)量較輕。另外，因碳分子是按纖維方向規(guī)則排列的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而擁有強(qiáng)韌的特性。按照碳纖維絲束中的單絲數(shù)量，聚丙烯腈基碳纖維又可分為小絲束（宇航級(jí)）和大絲束（工業(yè)級(jí)）兩種，單絲數(shù)量1K-24K的碳纖維被分為小絲束，而48K以上的的劃為大絲束。CFRP泛指由碳纖維和聚合物樹(shù)脂復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料料，環(huán)氧樹(shù)脂CFRP

12、其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。CFRP比強(qiáng)度一般都在1800Mpa以上，是鋼的7到9倍，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa左右，比模量也達(dá)到了300GPa，一般鋼鐵僅有200GPa左右，然而，CFRP的密度僅為一般鋼鐵的1/4，這也是其廣受青睞的重要原因：高強(qiáng)度+低密度。2碳纖維與汽車輕量化輕量化與新材料密不可分，電動(dòng)車輕量化未來(lái)主要涉及4大材料：碳纖維復(fù)合材料、鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼。對(duì)這些材料的使用，應(yīng)從成本、與金屬的連接、修復(fù)及回收等方面進(jìn)行綜合考量。碳纖維復(fù)合材料車身因?yàn)槭且惑w成型，所以其省去了大量的緊固件、連接件、焊接材料等附屬結(jié)構(gòu)重量，因此不僅是材料本身重量減輕

13、，還減少了附加重量，因此一體化碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)將對(duì)車輛減重起到巨大作用。除此之外，輪胎輕量化正逐漸成為汽車輕量化的一種發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)了解，這種車輪以環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)CFRP（碳纖維增強(qiáng)聚合物）環(huán)繞鋁合金架構(gòu)。由于重量減少，這種輪胎能夠提升車輛的功率和節(jié)能效率。輪胎輕量化能帶來(lái)車輛框架輕量化兩倍的效益，未來(lái)將成為主流。汽車輕量化為碳車輪的發(fā)展帶來(lái)了巨大的動(dòng)力。3航空等領(lǐng)域前沿開(kāi)始試用碳纖維復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)金屬材料，最大的優(yōu)點(diǎn)就是在同等強(qiáng)度下能夠大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量。用CFRP制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件，同鋁合金相比，減重效果可達(dá)20%-40%，體現(xiàn)出巨大的節(jié)能效益。業(yè)內(nèi)專家分析，未

14、來(lái)20-30年，航空復(fù)合材料將迎來(lái)新的發(fā)展時(shí)期，CFRP的大范圍應(yīng)用，將帶來(lái)航空產(chǎn)業(yè)鏈革命性的變革，包括設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新、設(shè)計(jì)師的知識(shí)更新和設(shè)計(jì)團(tuán)組的重組，航空產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略性改變，以及對(duì)航空維修業(yè)提出前所未有的挑戰(zhàn)。軍機(jī)應(yīng)用20世紀(jì)60年代，美國(guó)首先將CFRP用在軍機(jī)上，用于艙門、口蓋、整流罩以及副翼、方向舵等受力較小或非承力部件。80年代初，發(fā)展到垂尾、平尾等尾翼一級(jí)的次承力部件，如F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復(fù)合材料尾翼，此時(shí)復(fù)合材料用量有限。到80年代末，美國(guó)推出的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22、F-35JSF上，復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主要的承力結(jié)構(gòu)

15、，軍機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化進(jìn)程加速，復(fù)合材料用量不斷增加，現(xiàn)在復(fù)合材料的用量已經(jīng)占軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%-50%。有些飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上也采用了復(fù)合材料，這些復(fù)合材料采用耐高溫樹(shù)脂（聚酰亞胺）制造，工作溫度可達(dá)250-350，用作發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道機(jī)匣、風(fēng)扇靜子葉片、轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到應(yīng)用。民機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是輕質(zhì)，而且給設(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸/透波等其他傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，增加未來(lái)發(fā)展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料可明顯減少使用維護(hù)要求，降低壽命

16、周期成本，特別是當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入老齡化階段后差別更明顯。同時(shí)，大部分復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件可以整體成型，大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目，從而減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低連接和裝配成本，并有效降低總成本。全球兩家航空巨頭美國(guó)波音公司和歐洲空客公司多年形成的競(jìng)爭(zhēng)似乎愈演愈烈，其中一個(gè)重要表現(xiàn)就是復(fù)合材料的用量不斷增加。相對(duì)于軍機(jī)，民機(jī)的安全可靠性要求更高。而復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，在對(duì)材料特性認(rèn)識(shí)、保證工藝穩(wěn)定的措施和有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不十分充分的情況下，其發(fā)展經(jīng)歷了較謹(jǐn)慎而又漫長(zhǎng)的歷程。復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用從起步到主結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，只用了10多年；而在民機(jī)上的應(yīng)用從20世紀(jì)80年代開(kāi)始到大范圍的應(yīng)用，經(jīng)歷了30多年

17、。民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用量上限約為60%。2011-2020年，通用航空領(lǐng)域有望增加12400架飛機(jī)，公務(wù)機(jī)市場(chǎng)將新增13600架。新飛機(jī)上的復(fù)合材料質(zhì)量占比約為54%，公務(wù)機(jī)中占68%左右。隨著民機(jī)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的需求不斷增長(zhǎng)，未來(lái)20-30年航空復(fù)合材料將進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。三、碳纖維生產(chǎn)流程及主要設(shè)備1碳纖維生產(chǎn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游為石油化工行業(yè)，主要通過(guò)原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈；碳纖維企業(yè)通過(guò)對(duì)以丙烯腈為主的原材料進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對(duì)原絲進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝制得碳纖維，通過(guò)對(duì)碳纖維和高質(zhì)量樹(shù)脂的加工以獲得碳纖維復(fù)合材料以滿

18、足應(yīng)用需求；產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用并購(gòu)買碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型與材料成型同時(shí)完成，下游產(chǎn)品性能受纖維與樹(shù)脂匹配性、工藝性等影響較大，因此必須發(fā)展由原絲到碳纖維再到復(fù)合材料的全產(chǎn)業(yè)鏈。下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，要與碳纖維的研發(fā)形成一個(gè)良性互動(dòng)的過(guò)程。在“生產(chǎn)應(yīng)用改進(jìn)擴(kuò)大應(yīng)用提高穩(wěn)定”循環(huán)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，從不穩(wěn)定到逐步穩(wěn)定。在碳纖維整體產(chǎn)業(yè)鏈中，不同階段產(chǎn)品價(jià)格大幅增值，同一品種原絲的售價(jià)約40元/公斤，碳纖維約180元/公斤，預(yù)浸料約600元/公斤，民用復(fù)合材料約在1,000元以下/公斤，汽車復(fù)合材料約3,000元/公斤，航空復(fù)合材料約8,000元/公斤，

19、每一級(jí)的深加工都有大幅度的增值。2碳纖維生產(chǎn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈碳纖維的生產(chǎn)流程主要包括：拉絲、牽伸、穩(wěn)定、碳化、石墨化。拉絲：這是碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的第一個(gè)步驟，這個(gè)過(guò)程是物理變化，主要是將原材料分離成纖過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，紡絲液細(xì)流與凝固液之間的傳質(zhì)、傳熱、相平衡移動(dòng)。導(dǎo)致PAN沉析形成凝膠結(jié)構(gòu)的絲條。牽伸：一般是在100-300度的溫度下進(jìn)行，根據(jù)結(jié)定向纖維的拉伸效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程也是實(shí)現(xiàn)PAN纖維的高模量、高強(qiáng)化、致密化和細(xì)化的關(guān)鍵步驟。穩(wěn)定：也就是常說(shuō)的預(yù)軟化。通過(guò)400加熱氧化的方法使熱塑性PAN線形大分子鏈轉(zhuǎn)化為非塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，使其在高溫下不熔不燃、保持纖維形態(tài)，熱力學(xué)處于穩(wěn)定狀態(tài)

20、。碳化：在1000-2000度范圍內(nèi)進(jìn)行，將PAN中非碳元素驅(qū)除，最后生成含碳量90%以上具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。石墨化：在2000-3000度的范圍內(nèi)進(jìn)行，將無(wú)定型、亂層結(jié)構(gòu)的碳化材料向三維石墨化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，是提高碳纖維模量的主要技術(shù)措施。由上道原絲生產(chǎn)工藝產(chǎn)出的PAN原絲，經(jīng)過(guò)送絲架濕熱預(yù)牽伸后，由牽伸機(jī)構(gòu)依次送入預(yù)氧化爐，經(jīng)過(guò)數(shù)臺(tái)預(yù)氧化爐群的不同梯度溫度場(chǎng)后制得預(yù)氧化纖維（預(yù)氧絲）；預(yù)氧絲相繼進(jìn)入中溫碳化爐和高溫碳化爐后制得碳纖維；碳纖維再經(jīng)過(guò)最終的表面處理、上漿、干燥等工藝得到碳纖維成品。全過(guò)程連續(xù)走絲，精確控制，任何一道工序出現(xiàn)些許問(wèn)題都會(huì)影響穩(wěn)定生產(chǎn)和最終碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。碳纖維生

21、產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。原絲及碳纖維主要生產(chǎn)設(shè)備主要有噴絲板、蒸汽牽伸機(jī)、卷繞退繞設(shè)備、高溫碳化爐和石墨化爐等，其中部分核心裝備基本依賴進(jìn)口。我國(guó)碳纖維制備過(guò)程存在的主要問(wèn)題是，一些通用性裝備與工藝的匹配性較低，而專用裝備的設(shè)計(jì)和技術(shù)改造缺乏一些必要的研發(fā)支撐，整體制造水平相對(duì)較低，使得碳纖維綜合指標(biāo)協(xié)調(diào)與可控性不高。國(guó)內(nèi)千噸級(jí)裝備設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行系統(tǒng)集成能力缺乏，使國(guó)產(chǎn)碳纖維成本問(wèn)題未得到有效解決，影響碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。原絲設(shè)備介紹以一種典型的1000t PAN基碳纖維原絲生產(chǎn)線的研發(fā)為例，簡(jiǎn)單對(duì)設(shè)備功能、組成進(jìn)行介紹。年產(chǎn)1 000t PAN基碳纖維

22、原絲生產(chǎn)線的單元機(jī)設(shè)備包括：紡絲機(jī)、牽伸機(jī)、干燥機(jī)及電氣控制等部分。1、紡絲機(jī)紡絲機(jī)用于二甲基甲酰胺（DMF）溶劑濕法紡制長(zhǎng)絲束纖維的凝固成形紡絲，紡絲原液從主管分支管進(jìn)入計(jì)量泵，通過(guò)過(guò)濾器、紡絲組件進(jìn)行紡絲凝固成形。順流濕法紡絲機(jī)，分上下兩層交錯(cuò)排布，全機(jī)由機(jī)架、泵橋（含計(jì)量泵、噴絲板）、凝固浴槽、上導(dǎo)絲架、導(dǎo)絲傳動(dòng)部件等組成。機(jī)架由型鋼及鋼板焊接而成。泵橋部件由計(jì)量泵支架、傳動(dòng)軸、搖擺管座、紡絲組件、泵軸傳動(dòng)齒輪、離合齒輪等零件組成。由于紡絲原液溫度較高，所以在紡絲組件上設(shè)計(jì)了熱水夾套結(jié)構(gòu)，對(duì)紡絲組件進(jìn)行保溫，以保證紡絲原液的穩(wěn)定。2、牽伸機(jī)從紡絲機(jī)集束的絲束，經(jīng)過(guò)牽引進(jìn)入預(yù)牽伸機(jī)組，在牽

23、伸輥之間的水槽內(nèi)完成初步牽伸。牽伸機(jī)組由預(yù)牽伸機(jī)、2臺(tái)四輥牽伸機(jī)、1臺(tái)進(jìn)絲兩輥牽伸機(jī)、1臺(tái)出絲帶壓輥的兩輥牽伸機(jī)及1個(gè)牽伸槽等設(shè)備組成。預(yù)牽伸機(jī)為四輥牽伸機(jī)，由傳動(dòng)箱體、箱體支架、牽伸輥組成，上二下二排布。3、水洗機(jī)水洗機(jī)組用于將預(yù)牽伸后的絲束進(jìn)行浸浴式水洗，以去除絲束中的DMF溶劑，包括5臺(tái)四輥水洗機(jī)、1臺(tái)進(jìn)絲兩輥曳引機(jī)、1臺(tái)帶壓輥的兩輥牽引機(jī)及1個(gè)水洗槽。四輥水洗機(jī)為上二下二排布。4、干燥機(jī)干燥機(jī)用于絲束的干燥及冷卻定型。全機(jī)分為3個(gè)干燥區(qū)，每區(qū)十輥，上下交錯(cuò)排布。后四輥通冷卻水，其他輥通熱蒸汽，虹吸式結(jié)構(gòu)。前部設(shè)計(jì)有防護(hù)窗，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。5、電氣控制觸摸屏能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)全機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、

24、各單機(jī)運(yùn)行速度、電流、牽伸比等工藝參數(shù)的監(jiān)控、設(shè)置、修改和顯示。觸摸屏設(shè)有主畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、運(yùn)行控制畫面。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或電控設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，觸摸屏可顯示故障發(fā)生處，并啟動(dòng)報(bào)警，通過(guò)觸摸屏操作，可進(jìn)行設(shè)置與修改。上級(jí)DCS要求有數(shù)據(jù)采集、處理和管理，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變頻器設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。6、預(yù)氧化爐設(shè)備介紹目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的預(yù)氧化設(shè)備有直線式爐、熱風(fēng)循環(huán)式爐、外熱式預(yù)氧化爐、流化床式預(yù)氧化爐、導(dǎo)流板式爐等不同爐型。以導(dǎo)流板式預(yù)氧化爐為例介紹大致設(shè)備組成與工作流程。預(yù)氧化爐里熱風(fēng)流向可以與運(yùn)行纖維平行，也可以垂直。熱風(fēng)流當(dāng)平行流動(dòng)的速度不太高時(shí)，反映熱不易瞬時(shí)排除；流量太大時(shí)，熱風(fēng)耗能大；當(dāng)垂直

25、流動(dòng)時(shí)，有利于反映熱的排除，但平行運(yùn)行的絲束對(duì)熱風(fēng)有阻流作用，并且爐外空氣比較容易通過(guò)預(yù)氧化爐爐口進(jìn)入爐內(nèi)，使有效反映段變短。裝有導(dǎo)風(fēng)板的預(yù)氧化爐結(jié)構(gòu)如圖所示，其熱風(fēng)氣流的流動(dòng)軌跡成“之”字形，多次穿過(guò)纖維束，可有效帶走反應(yīng)熱，縮短預(yù)氧化時(shí)間，走絲速度是普通預(yù)氧化爐的3倍。但是這種預(yù)氧化爐的爐體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是導(dǎo)流板的凹凸交替出現(xiàn)，給斷絲處理和清理爐腔等設(shè)備日常使用和后續(xù)維護(hù)工作帶來(lái)很大不便，仍需進(jìn)一步改善設(shè)計(jì)。7、碳化爐設(shè)備簡(jiǎn)介低溫碳化爐的爐溫一般設(shè)計(jì)在300-800度，在這溫區(qū)預(yù)氧絲結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化，約有30%-40%的質(zhì)量（相對(duì)于預(yù)氧絲）要熱解逸走，是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。牽伸機(jī)構(gòu)將

26、預(yù)氧絲送入爐子內(nèi)，并在爐內(nèi)進(jìn)行加熱，前后分別有非接觸式迷宮密封保證溫度，另外防止廢氣逸散。這對(duì)非接觸式迷宮密封裝置是碳化爐的必備裝置，密封效果直接影響到碳纖維的質(zhì)量。對(duì)于ht級(jí)以上的碳纖維生產(chǎn)線，運(yùn)行纖維在h束以上，要求碳化爐膛內(nèi)寬度及其迷宮密封的開(kāi)口寬度在1000mm以上。3碳纖維生產(chǎn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈碳纖維相關(guān)生產(chǎn)裝備主要是兩方面，一方面是碳纖維原絲的生產(chǎn)裝備，另一方面是將碳纖維原絲壓制成復(fù)合材料以及最終部件的成型裝備。我國(guó)碳纖維制備過(guò)程中的一些通用裝備與工藝的匹配性、相應(yīng)專用裝備的設(shè)計(jì)和技術(shù)改造缺乏一些必要的基礎(chǔ)研究支撐，專用裝備的制造水平相對(duì)較低，引進(jìn)與仿制成為主流，使得碳纖維綜合指標(biāo)協(xié)調(diào)與

27、可控性不高。目前，噴絲板、蒸汽牽伸機(jī)、卷繞退繞設(shè)備、高溫碳化爐和石墨化爐等部分裝備依然依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)千噸級(jí)裝備設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行系統(tǒng)集成能力缺乏，使國(guó)產(chǎn)碳纖維成本問(wèn)題未得到有效解決，影響碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。高端碳纖維絕大部分是小絲束的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。根據(jù)國(guó)際航空的報(bào)道，目前全球最主要的6家小絲束碳纖維供應(yīng)商的市場(chǎng)占比情況是：日本東麗公司占35%-40%、東邦公司占23%、三菱麗陽(yáng)公司占14%；美國(guó)赫氏公司占12%、氰特工業(yè)公司占8%；臺(tái)灣塑料工業(yè)和英國(guó)SGL公司占3%-5%。日本3家企業(yè)的碳纖維約占全球70%-80%的市場(chǎng)份額，其中東麗公司產(chǎn)能最大，產(chǎn)品性能最好，是全球最大的碳纖維供應(yīng)

28、商，代表了日本最高的技術(shù)水平和研發(fā)實(shí)力。美國(guó)的兩家企業(yè)市場(chǎng)占有率約為20%，其中赫氏公司擁有40多年為美國(guó)軍機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用碳纖維的經(jīng)驗(yàn)，能夠自主生產(chǎn)供應(yīng)碳纖維，是美國(guó)廠家中高模量碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者；氰特工業(yè)公司以碳纖維的后續(xù)產(chǎn)品預(yù)浸料為主，碳纖維產(chǎn)品性能和研發(fā)能力低于赫氏。臺(tái)灣塑料工業(yè)公司及SGL的產(chǎn)品性能略低于日本和美國(guó)的水平。2014年全球碳纖維產(chǎn)量已達(dá)6萬(wàn)多噸，產(chǎn)業(yè)被日本控制（約占70），市場(chǎng)被日本、美國(guó)和歐盟控制（達(dá)80）。倚仗其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和牢固的市場(chǎng)壟斷地位，從2005年開(kāi)始，日本、美國(guó)、法國(guó)等開(kāi)始嚴(yán)格控制向中國(guó)出口碳纖維，給中國(guó)軍用復(fù)合材料的科研和生產(chǎn)造成了嚴(yán)重困難。隨著中國(guó)的崛起，日本

29、、美國(guó)、歐洲對(duì)碳纖維技術(shù)的封鎖和控制有增無(wú)減，并企圖通過(guò)低價(jià)傾銷和高價(jià)收購(gòu)等惡性競(jìng)爭(zhēng)手段，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的擠壓和控制。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)T300級(jí)和T700級(jí)碳纖維產(chǎn)品初步實(shí)現(xiàn)了國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)若干領(lǐng)域的應(yīng)用；T800級(jí)碳纖維已進(jìn)入工程規(guī)模的應(yīng)用示范階段，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。但是，在T800及以上更高性能碳纖維的市場(chǎng)內(nèi)，我國(guó)產(chǎn)能仍無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需求。以2014年為例，2014年我國(guó)碳纖維總需求約15000噸，占全球消費(fèi)量的20%左右，但是，國(guó)內(nèi)產(chǎn)量約3200噸，進(jìn)口約11700噸。未來(lái)，隨著下游產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，我國(guó)碳纖維生產(chǎn)缺口仍將繼續(xù)擴(kuò)大，按照11700噸（2014年）的缺口，以及每條生產(chǎn)線

30、1000噸的年生產(chǎn)量進(jìn)行估算，未來(lái)至少還需要10條生產(chǎn)線補(bǔ)充產(chǎn)能。按照目前所了解到的2.6-4億的一條生產(chǎn)線價(jià)格，未來(lái)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力空缺還有26-40億的市場(chǎng)容量。而下游對(duì)應(yīng)的壓制成型設(shè)備和材料生產(chǎn)成套設(shè)備的市場(chǎng)空間在需求釋放后將更為龐大。四、國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)裝備企業(yè)概況1海源機(jī)械海源機(jī)械是機(jī)、電、液一體化裝備領(lǐng)域唯一擁有成熟“相關(guān)多元化”核心競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的企業(yè)，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的液壓成型裝備專業(yè)制造商，是“綠色”建材解決方案的提供者。公司是中國(guó)大型機(jī)電裝備骨干企業(yè)之一，擁有32項(xiàng)專利、2項(xiàng)國(guó)家級(jí)鑒定、6項(xiàng)國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品、1項(xiàng)國(guó)家建材科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。自1994年研制成功中國(guó)第一臺(tái)千噸級(jí)自動(dòng)液壓壓機(jī)以來(lái)，一直

31、致力于機(jī)電液一體化成型技術(shù)的自主創(chuàng)新及市場(chǎng)應(yīng)用，公司擁有HF系列(600-1380t)墻體材料全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)、HP系列(1100-6590t)陶瓷磚全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)、HC系列(1250-3600t)耐火材料全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)、HB系列(1100t)透水廣場(chǎng)磚全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)等四大系列壓機(jī)產(chǎn)品及相關(guān)配套生產(chǎn)線。2016年上半年，公司重點(diǎn)發(fā)展的復(fù)合材料輕量化制品業(yè)務(wù)繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了3274.9萬(wàn)元的銷售收入，同比增長(zhǎng)30.8%。隨著模板產(chǎn)品換型在三季度完成，以及汽車輕量化制品訂單開(kāi)始執(zhí)行等，預(yù)計(jì)今年下半年復(fù)合材料制品將進(jìn)入增長(zhǎng)“快車道”。公司的復(fù)合材料輕量化制品業(yè)務(wù)的市場(chǎng)拓展和研發(fā)也取得了

32、較大進(jìn)展。經(jīng)數(shù)年積累，公司的汽車輕量化業(yè)務(wù)已經(jīng)取得下游多家車企的認(rèn)可，2016年上半年公司的全資子公司福建海源新材料科技有限公司已經(jīng)通過(guò)了宇通汽車、時(shí)代新能源、長(zhǎng)安汽車、中聯(lián)重工等多家企業(yè)的認(rèn)證和招標(biāo)，并簽訂訂單，預(yù)計(jì)在下半年開(kāi)始大批量供貨。碳纖維輕量化業(yè)務(wù)研發(fā)繼續(xù)推進(jìn)，新能源汽車碳纖維車身部件生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，相關(guān)基建等工作已經(jīng)在有序進(jìn)行，相關(guān)核心裝備已進(jìn)入投料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，預(yù)計(jì)2017年3月份進(jìn)行安裝調(diào)試試生產(chǎn)，同時(shí)公司已與多家車企接洽探討碳纖維輕量化部件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。2楚江新材2015年11月11日，公司收到中國(guó)證券監(jiān)督管理委員會(huì)出具的關(guān)于核準(zhǔn)安徽楚江科技新材料股份有限公司向湖南頂立匯智投資有限公司等發(fā)行股份購(gòu)買資產(chǎn)并募集配套資金的批復(fù)，核準(zhǔn)公司向特定對(duì)象發(fā)行股份購(gòu)買資產(chǎn)并募集配套資金方案，核準(zhǔn)公司向特定對(duì)象發(fā)行股份購(gòu)買資產(chǎn)并募集配套資金方案。2015年12月2日，相關(guān)工商變更登記手續(xù)辦理完畢，頂立科技100%股權(quán)過(guò)戶至本公司名