Углеродное волокно для автомобильной промышленности в Китае

Когда говорят про углеродное волокно для автомобильной промышленности в Китае, многие сразу представляют готовые карбоновые капоты или суперкары. Но редко кто копает глубже, к самому началу цепочки — к прекурсорам, к сырью, от которого на 70% зависят и стоимость, и конечные свойства. Вот тут и начинается самое интересное, а часто — и самое проблемное.

Не только PAN: почему угольный пек — это не прошлый век

Все знают про полиакрилонитрил (PAN) как основной источник. Но в Китае, с его гигантскими запасами каменного угля, всегда была сильна линия на основе угольного пека. Не тот дешёвый пек для электродов, а высококачественный, с определённой молекулярной структурой. Многие западные коллеги это направление всерьёз не воспринимают, считают технологией второго сорта. И зря. Для ряда автомобильных компонентов, где не нужна сверхвысокая прочность на разрыв, но критична стабильность при высоких температурах и, что важно, стоимость — это вполне жизнеспособный путь.

Проблема в другом — в дикой неоднородности сырья. Одна партия пека может быть отличной, другая, с иной глубиной очистки и фракционным составом, — полным провалом. Мы как-то работали над тормозными дисками для грузовых электромобилей — нужна была термостойкость и хорошая теплопроводность. С PAN выходило слишком дорого. Перешли на пековое волокно. Первые испытания были обнадёживающими, а потом пришла новая партия сырья, и всё пошло наперекосяк — волокно стало более хрупким на этапе карбонизации. Пришлось срочно искать нового поставщика сырья, который гарантирует хоть какую-то стабильность.

Именно здесь на сцену выходят компании, которые глубоко погружены в химию углеродных материалов. Вот, например, ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии (их сайт — https://www.tianye-environmental-protection-technology.ru). Они, конечно, напрямую волокно не делают. Это специализированный производитель активированного угля, их основной продукт — дроблёный активированный уголь из каменного угля и крупнофракционный. Но их экспертиза в контроле параметров исходного угля, в процессах его активации — это бесценные знания для тех, кто работает с угольным пеком. Потому что чистота и предсказуемая структура углеродной основы — это фундамент. Их опыт — это как раз про глубокую переработку угля, про понимание его 'поведения'. Для инженера, который бьётся над стабильностью свойств пекового волокна, такие знания на вес золота.

Где в машине прячется 'китайский карбон'? Не там, где вы думаете

Опять же, клише: карбон — это спойлеры и интерьерные вставки. В реальности, основной рост потребления углеродного волокна в автомобильной промышленности Китая сейчас идёт за счёт силовых элементов кузова электромобилей и водородных баков. Особенно для баков. Тут нужен тип волокна с особым балансом прочности и устойчивости к циклическим нагрузкам. И китайские производители в этой нише активно развиваются, потому что государственная политика толкает водородную энергетику.

Но есть нюанс. Для водородных баков IV типа (полностью композитных) требуется волокно высочайшего качества, часто торсионной крутки. И здесь китайские производители ещё догоняют лидеров вроде Toray. Однако для баков III типа (металлическая лайнер + карбоновая обмотка) требования чуть мягче, и местное волокно на основе PAN уже вполне конкурентоспособно. Видел несколько успешных проектов у Jilin Chemical Fiber и Weihai Guangwei, где их материалы прошли сертификацию для коммерческих авто.

А вот провальный кейс из практики: пытались внедрить отечественное волокно в рессоры для легкового коммерческого транспорта. Расчёт был на снижение массы. Волокно было хорошим по прочности, но у него оказался слишком высокий коэффициент трения между нитями. В процессе плетения и пропитки возникали микроповреждения, которые при циклической нагрузке быстро развивались в трещины. Проект заморозили. Вывод: недостаточно тестировать волокно на разрыв в лаборатории. Нужно тестировать его в том самом технологическом процессе (плетение, намотка), в котором оно будет использоваться, и под конкретную нагрузку.

Цепочка поставок: слабое звено — это не то, что кажется

Казалось бы, самое сложное — это произвести стабильное волокно. Ан нет, часто сбой происходит на этапе промежуточной обработки. Пропиточные смолы. Китайские производители эпоксидных и других систем для препрегов сделали огромный скачок за последние пять лет. Но... адаптация конкретной смолы к конкретному типу волокна — это всегда танцы с бубном.

Был у нас проект с карбоновой крышей для одного седана. Волокно использовали местное, смолу — тоже. На испытаниях на удар прототип показал себя блестяще. А на этапе опытно-промышленной партии начался брак — в некоторых местах появлялись непропитанные 'сухие' зоны. Оказалось, что поставщик волокна, стремясь улучшить адгезию, немного изменил состав замасливателя (размерного покрытия на волокне). И это микроскопическое изменение нарушило реологию всей системы 'волокно-смола' при высокоскоростном формовании. Месяц ушёл на то, чтобы вместе со специалистами по химии смол подобрать новый режим.

Это к вопросу о том, почему просто купить волокно и смолу — недостаточно. Нужна глубокая интеграция с поставщиками, почти совместная R&D. Или иметь в команде человека, который понимает эти взаимосвязи на уровне химических процессов. Иногда полезнее не гнаться за самым продвинутым волокном, а найти ту самую стабильную, предсказуемую пару 'волокно-матрица', даже если её абсолютные показатели на 5-7% ниже.

Экология и экономика: скрытый драйвер изменений

Сейчас много говорят об экологичности электромобилей. Но экологичность самого производства композитов — тема понежнее. Процесс карбонизации и графитизации волокна — очень энергоёмкий. В Китае с этим давно борются, и тут снова всплывает тема сырья. Использование угольного пека, по сути, это утилизация отхода коксохимического производства. С одной стороны, хорошо. С другой — вопросы к выбросам в процессе его переработки.

Тут как раз вижу точку пересечения с деятельностью компаний вроде ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии. Их профиль — экологические технологии и производство активированного угля. Активированный уголь — ключевой материал для систем очистки газов. Можно провести параллель: их опыт в очистке и глубокой переработке углеродсодержащего сырья потенциально крайне важен для 'озеленения' самого производства углеродного волокна. Представьте замкнутый цикл: побочные газы от печей карбонизации не просто сжигаются, а проходят через системы очистки на основе специально разработанного активированного угля. Это уже не фантастика, а вопрос экономической целесообразности и регуляторного давления.

Для автопрома это становится фактором конкурентного преимущества. Европейские заказчики всё чаще требуют не только LCA (оценку жизненного цикла) конечного автомобиля, но и ключевых компонентов. И если производитель волокна сможет доказать снижение углеродного следа за счёт современных систем очистки и использования вторичного сырья (того же пека), это будет сильный аргумент. Так что будущее углеродного волокна в Китае зависит не только от инженеров-механиков, но и от химиков-технологов, работающих над экологичностью самого процесса.

Взгляд вперёд: интеграция вместо гонки характеристик

Итак, что в сухом остатке? Китайская индустрия углеродного волокна для автомобильной промышленности уже прошла этап простого копирования. Сейчас фаза зрелости — поиск своих ниш, где комбинация стоимости, достаточных характеристик и стабильности даёт преимущество. Это не гонка за рекордной прочностью T1100, а отладка производства надёжного T700 для массовых применений.

Ключевой тренд — вертикальная интеграция и создание кластеров. Не просто завод по производству волокна, а наличие рядом производителей препрегов, разработчиков смол, центров композитного формования и, что важно, специалистов по переработке исходного углеродного сырья. Успех будет за теми, кто сможет контролировать всю цепочку от молекул угля или нефтяного остатка до готовой карбоновой детали в автомобиле.

Поэтому, когда анализируешь этот рынок, уже мало смотреть на технические даташиты волокна. Надо смотреть на то, с кем этот производитель волокна сотрудничает по сырью, по химикатам, кто его партнёры по downstream-приложениям. Именно в таких связках, возможно, с участием экспертов в смежных областях вроде производства и применения активированного угля, и рождается то самое устойчивое конкурентное преимущество. Не 'самое прочное', а 'самое оптимальное и предсказуемое' для конкретной задачи в машине. Вот это, на мой взгляд, и есть главная дорога для китайского автомобильного карбона.