當前，全球新材料產業競爭格局正在發生重大調整，創新步伐持續加快，而以碳纖維為代表的先進復合材料正是不可或缺的戰略性新材料

楊鮮鋒

上海中化科技有限公司

復合材料誕生于1930年代，最早被用于軍工產品。從1970年代后期，碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維及其復合材料開始廣泛開發和應用。

復合材料以其“無所不能”的姿態被認為是人類社會除金屬材料、有機材料、無機材料之外的第四種材料，它在前三類材料的基礎上，揚長避短，真正實現了材料的可設計性。據法國JEC數據顯示，2016年全球復合材料總產量1080萬噸，總產值為820億美元，預計2021年將達到1290萬噸，1030億美元。

性能優異成本高

中國自1960年代引入復合材料，至今已成為全球重要的復合材料原料、產品制造及消耗市場。根據前瞻產業研究院發布的《中國復合材料行業發展前景預測與投資戰略規劃分析報告》數據顯示，2018年中國復合材料產量達428萬噸左右，預計2023年將會達到556萬噸。“十三五”國家科技創新規劃提出，將碳纖維及其復合材料作為科技創新的重大工程。

以碳纖維增強復合材料為代表的先進復合材料具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數低和可設計性好等優異性能，是目前所有輕量化材料中減重效果最明顯的材料。以航空為例，波音787復合材料占全機重量達到50%，而目前國產C919復合材料的使用率僅在12%左右。可以預見，隨著后續機型及技術的發展成熟，未來國產飛機先進復合材料的用量將會穩步提高，這也將會直接拉動國內先進復合材料的發展。

然而，復合材料在汽車行業卻遭遇了前所未有的阻力。首先是高成本制約其大規模應用；其次是產品材料一體成型的特點及緩慢的固化周期，導致其面對汽車制造快節拍時顯得無能為力；再者是工藝的多樣性帶來質量不一致的難題。即使在復合材料技術高度發展的歐洲市場，大規模的應用也曾一度發展緩慢。

隨著1分鐘固化的環氧系統、低成本的大絲束碳纖維、高壓力成型的工藝設備等新技術日趨成熟，2013年BMW i3橫空出世，采用全車身超過50%的碳纖維復合材料用量，生產工藝完全按照4.0的標準打造，證明了先進復合材料可以滿足汽車工業量產，打消了長期以來關于復合材料能否量產的疑慮。然而BMW i3成本昂貴的這一尷尬現實，引導行業研發重點集中在如何實現更低成本的量產技術上。

恩格斯說：“社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”隨著國家節能減排政策的出臺及新能源汽車的興起，汽車輕量化的需求變得愈加迫切，這恰恰推動先進復合材料的快速發展。目前先進復合材料在汽車工業中的應用需要解決“成本、效率、質量”這三個相互影響的問題，解決問題的唯一辦法就是發展多種低成本的量產技術，不同的量產手段應用于不同的部件，不同的部件應用于不同的汽車部位，從而真正發揮先進復合材料的優勢。

力克汽車工業量產難題

上海中化科技有限公司（簡稱中化國際科技創新中心）立志成為化工事業部高通量創新的引擎，復合材料研究室承擔了研發主要用于汽車行業的先進復合材料量產技術及產品的前瞻性研究等工作。研究室立足于公司戰略規劃，發揮自身在化工新材料領域的優勢，集中精力發展先進復合材料化學品，以解決汽車工業應用時的量產難題。

那么，如何才能實現更低成本的量產技術？經過對碳纖維復合材料成本的拆分可以發現，目前的碳纖維汽車部件中，原材料碳纖維的成本僅僅占總成本的30%左右，其余70%的成本來源于制造成本；制造成本中，對于有噴涂需求的部件來說，表面噴涂及處理成本又占20—30%。究其原因，目前傳統的以環氧樹脂為代表的熱固性樹脂在制作復合材料過程中，都需要在模具表面涂敷脫模劑用于最終產品的脫模，而殘留在產品表面的脫模劑會導致油漆附著力下降，影響使用壽命。市場上，最有效的解決辦法是在油漆噴涂之前用機械打磨的方式除去脫模劑，這一工序對批量制造帶來極大困難，并且打磨后的表面往往存在批次不一致，影響外觀質量。現有解決手段如水性脫模劑、內脫模劑等，只是改變脫模劑的形式或加入方式而已，無法從根本上解決脫模劑使用的問題。

秉持“開放創新+自主研發”的研發策略，2019年，中化國際科技創新中心與上海化工院成立復合材料聯合實驗室，聯合研發出免噴涂碳纖維復合材料，在使用過程中完全不用任何脫模劑即可實現產品脫模，從而從根本上改變傳統復合材料的制造工序，實現部件總成本下降近20%。此前，經過打磨處理后的環氧等復合材料，油漆附著力大多只能集中在“1”級；而免噴涂碳纖維復合材料的油漆附著力，無需打磨處理即可直接達到最高級別“0”級。

目前，這一免噴涂材料已在電動車方程式賽車上進行驗證測試，未來有望在乘用車領域得到更廣泛的應用，這將極大推動碳纖維復合材料在汽車工業中的應用，催生一個百億級的市場，并將最大程度地實現車輛減重，對節能減排和環境保護具有積極意義。