余木火:汽车产业底层创新——汽车新材料技术发展机遇与挑战

  11月10日-12日,由中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办的“2023中国汽车供应链大会暨第二届中国新能源智能网联汽车生态大会”在武汉经开区举办。本届供应链大会以“踔厉奋发,攻坚克难——打造安全、韧性、绿色汽车供应链”为主题,设置了“1场战略峰会、1场大会论坛、9场主题论坛”共11场会议,围绕供应链安全与布局、新型汽车供应链打造、传统供应链升级、全球化发展等热点话题进行深入交流与探讨,寻找构建世界一流汽车供应链的对策、方法和路径。其中,在11月12日上午举办的“主题论坛七:新材料——新材料、新进展、新未来”上,东华大学教授、纤维材料改性国家重点实验室副主任余木火发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录:

  汽车产业的底层创新新材料是很重要的方面,刚才李总讲到软件材料是两个底层创新。中国汽车产业现在已经很厉害了,特别是新能源汽车。到底哪些材料能领跑,哪些材料是跟跑,哪些材料是并跑?我们需要思考梳理。可能有些被“卡脖子”,但是大多数是在跟跑或者并跑的阶段。所以怎么能引领呢?
  从另外一个角度,汽车的重量方面,一辆车载5个人,但是车净重一点几吨。一方面来自于电池重量,另一方面来自于安全碰撞要求。碰撞要求高了,结构重量上去了。同时带了惯性增大,碰撞要求又提高了,不断恶性循环往复。所以这是我们汽车产业几十年下来,这是很严重的问题。能否从材料上解决碰撞问题,解决这样的恶性循环呢?
  第二,汽车几万个零件装起来需要这样吗?刚才我们李总也提到了大模块化,是不是十个模块甚至八个模块就能装出一辆车呢?这也是值得思考的事情,可能对汽车产业产生颠覆性影响。第三,生产过程以及轮胎制造的污染还没有好的办法解决。汽车生产过程中涂层污染会涉及到水、陆地。以及这些塑料出去以后造成的污染。现在新的电池回收过程,电池材料生产过程也是污染极大。这些问题中国汽车要站在全球的角度来考虑这些挑战。如果能够解决类似的问题,我相信材料科学家有足够的能力来解决这些问题,我们中国的汽车能够真正引领产生颠覆性的技术。
  中国汽车全球老大,另一方面我们的纺织纤维在全球的研究也算是排在前列的。比如说碳纤维,我们中国规模很大,全球用13.5万吨,我们用了7.4万吨,我们在建的有30多万吨,很快在规模上将成为世界第一。这些基础实际上是有条件来做汽车新材料底层创新的,但是存在一个问题,做材料研究跟汽车开发的两者之间碰不到一块。如果到汽车主机厂来看,现有哪些材料成熟了我来用,这是从国外的汽车产业链产业经验里面学过来的。做材料的人不懂汽车,搞不懂具体技术需求。很重要的是我们缺少桥梁。电池为什么中国电池能够实现全球引领或者并跑呢?很重要的原因就验证平台,实验室里面搭个电池装置很容易实现验证,其他的架构材料要做整车出来才能去验证,这是一个实验室难以实现的。
  所以我想接下来要越过新材料和汽车之间的鸿沟,除了像今天的会议以及汽车新材料分会这样的技术交流,更重要的是要做验证平台。我设想有没有可能我们用老的车型来验证各种新材料呢?不一定结合到新车型里。新车型会遇到各种问题,成熟不成熟,不成熟他就不敢用在新车型上开发。那你要到成熟了,能到新车型开发,前提是要做很多工作,而这些工作没有地方验证。所以建议建一个用一辆旧车型来做各种新材料零部件的验证平台。是不是可以缩短新材料应用的周期,以及促进很多大学里面研究材料的人来进入到汽车新材料的开发?咱们汽车工业协会是不是可以组织这件事情。
  电池为什么能进展这么快呢?全世界有很多大学的教授都在研究,因为验证容易。里面的关键技术全是材料的事情,很多大学都是在引领这方面,虽然很多都离产业化有距离,但是它的基本原理为我们这个行业的飞速发展提供了动力和源泉,所以其他汽车材料如果都能向电池材料这样有个验证平台,我想能够在中国的汽车底层创新上发挥非常重要的作用。
  下面,举两个例子,一个例子是我们团队做的工作,第一个是氢能重卡上面,可能从目前来看可能从疫情以后大规模的产业化更快了。有几个数据,第一个数据是中国的汽车保有量大概只有30%卡车,但是碳排放占了接近45%,有些数据说接近60%。所以解决排放问题从卡车开始。未来有600万辆的卡车置换,这是很大的市场。内燃机很多单位在研究氢直接燃烧可能会碰到一些问题,但是我相信这些问题很快会解决,它最重要的是成本低,内燃机增加5万块钱就可以实现,对氢气的要求没有那么大,载荷更大,寿命更长,维修成本更低。氢燃料电池车国家规划是到2025年保有量5万台,现在是多少呢?全国只有2800辆,意味着要增加4.7万辆氢能的车。燃料电池的成本下降很快,现在已经到了每千瓦2500到3000,预计到2025年会到1000,所以成倍在降低,寿命也在提高。制氢成本也在降低,这些都是发展的技术。如果氢能产业从海水风电制氢,海洋管道输送到岸上。加氢站、氢气瓶、氢燃料电池这个产业里面核心的问题是产业链里如何降低成本,我们在这块做的一些工作,包括低成本的输送管、氢气瓶。氢气瓶的目标成本是现有的1/4。
  我们在风电上做的十几年了,碳纤维在风电上做主梁拉挤碳板。我们的合作单位现在全球性占有20%的市场,是国内碳纤维主梁拉挤碳板最大的企业。再往上是碳纤维大梁的风电叶片,我们这家合作企业也是全球最大的,全球占有40%的供应份额。我们开发的这碳纤维专门用在上风电,能量更高,效率更高,已经建设了5万吨产能,部分生产线已经运行了。我们通过专用碳纤维能比国际上其他的碳纤维成本降23%。我们也正在进一步的优化风电叶片的碳纤维大梁,原来是实心的7公分120米长的碳纤维梁,如果像点阵结构一样效率可以提高很多,但是自动化生产没有办法实现,所以我们能不能找个折中减少碳梁,少用碳纤维,希望能进一步提高风电的效率。
  柔性管原来做海洋油气,现在做氢气的输送,高压装备氢气的柔性连接,因为钢的连接以后撞击后容易伤。这是我们现在正在做的芳纶+碳纤维的管,用于氢气的输送和连接。氢气里面还有一块是密封材料。高压设备里面所有的密封大多数现在是用PEEK的材料,大概有20年的历史了。一个阀门2万块钱,所有的金属加工可能几百块就解决了,一小片密封材料要能够密封,所以那个是我们被卡脖子的,国外的进口阀门2万块钱,我们国产的阀门不过关。
  我们在做低成本的氢气瓶,我们希望氢气瓶的成本是现在的1/4。这两年里面大卡车和客车这些氢气瓶,如果十年的话100万辆的重卡有望用40万吨的碳纤维,现在是全球用量是每年13万吨,所以它是未来极大的市场。核心技术包括内胆材料及成型、纤维/树脂的匹配、界面技术等。我们在内胆/金属、复合材料界面连接等方面做了些工作,界面性能比未处理界面性能提高8倍,意味着它的寿命安全性更高。大型的内胆用注塑没有办法实现,所以用低成本滚塑来制造内胆,怎么能够没有缺陷,我们解决了大型内胆注塑的关键材料和工艺,实现了内胆在35MPa、70 MPa气瓶上的验证,团队也突破了大容量高压储氢气瓶及管道开发关键技术集成。
  汽车轻量化零部件核心是如何自动化的制造,满足汽车成本的要求,我们现在有个很好的环境,中国的碳纤维规模上来了,而且成本在下降,我们一年多前大概200多块钱一公斤,现在已经降到70块钱。大概2001年到2009年美国立了很多大项目来验证汽车上面如何用碳纤维,他们最后的结论是碳纤维在10美金以下很多汽车零件就可以用了。所以我想汽车行业可以重新认识,重新分析碳纤维在汽车上面哪些零件能大规模的应用。我们做了些探索,汽车传动轴现在已经实现了规模量产,是国内唯一一条满足动力结构件、安全件要求的企业。与传动轴龙头企业纳铁福合作。在无人机上面已经大规模的应用了,很多无人机的机型都在用了。
  电机转子,我们第一个车型已经正式的量产了,这是国内第一一条量产生产线。特斯拉有个车型,但是他们的成本太高了,我们现在的成本比它低得多,这是很典型的用很少的碳纤维能使汽车的百公里加速度四点几秒提升到二点几秒,所以提高得非常显著。另外一个角度,不讲究车的加速度的话可以用更小的电机代替更大的电机,这个减重更明显,可以有几十公斤的减重。有的是一台电机,有的是三台电机,如果三台电机可以减轻百公斤。碳纤维轻量化材料不光用在结构件上面,在三电上面,甚至在电池里面。电池的碳材料导电,如果用纤维状的是不是更好?包括正极的材料如果是用纤维状的会不会比原颗粒状的更好?所以纤维材料在很多地方可以用,在很微观的电池材料上我相信也能起作用。
  电池盒都希望轻量化,现在的电池盒做了两种方案,一种方案是泡沫夹芯复合材料结构,这个减重效果非常明显,可以减31%,成本相当。我们自己建了一些测试设备,像挤压设备。另外一种方案是用铝型材为主。现在焊接点强度损失30%,材料的利用率不高,我们把焊接点改成用碳纤维复合材料连接,用很少的碳纤维能有效减重,成本比铝合金更低。这是电池盒上面以及盖上面做的工作。泡沫夹芯方案中应用的泡沫可以加热自膨胀,达到内压罐和压机的压力。这样很复杂的结构可以实现一体化成型,还可以隔音隔热。其中关键应用技术中我们开发了腹板增强结构,也叫Z向增强结构,可以增加刚性和强度,我们已经在电池盒、座椅靠背及高铁转向架上进行了应用验证。
  还有一个技术是碳纤维复合材料二次注塑。注塑塑料现在用的材料选择很多,这些品种有些能回收后性能下降很多,汽车零部件能不能鼓励大家,这个塑料回收的过程性能不下降,这个零件可一直回收,虽然第一次用的时候成本高一点,但是能够加20%的回收料回收下去,这个成本比原来的成本还会低,所以制造这件事情在汽车里面是不是可以来推广这件事情。零部件的材料回收一遍以后性能不要下降,可以加一点到新的里面去、板材用到注塑件里面核心的是冷热界面强度如何提高,我们做了很多的工作,现在二次注塑界面强度已经能做到70兆帕,跟本体的强度相当,这是核心技术突破。我们也在探索非充气轮胎,轮胎污染和续航里程以及爆胎这些事情,非充气轮胎怎么提高耐热性,以及汽车免喷涂的方案。
  谢谢大家!
  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)
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