碳纖維材料讓汽車身輕如燕

2016-04-12 16:23:59 作者：周金雯

一、碳纖維從何而來？

歷史上，重量級人物總有“高大上”的故事作為出場，碳纖維也不例外，那就是人盡皆知的愛迪生發(fā)明電燈泡故事。1861年，愛迪生讓碳絲作為燈絲材料成功發(fā)光45小時，使人類進(jìn)入電燈時代，碳絲也第一次登上了歷史舞臺。

不過，隨著燈泡中碳絲被鎢絲替代，碳絲被歷史丟在角落近一個世紀(jì)。直至1950年代，碳絲再次粉墨登場，美國空軍由于要尋找耐燒熔材料，獲知碳熔點(diǎn)高達(dá)3,600度，并擁有耐高溫、高強(qiáng)度特性，將碳絲再次請進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，并發(fā)明了一個吊炸天的名字：碳纖維。隨后，經(jīng)過不斷研發(fā)和改進(jìn)，碳纖維“外柔內(nèi)剛”的獨(dú)特優(yōu)勢得到充分展示。

碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并具有耐腐蝕、高模量特性。因此，碳纖維最先被應(yīng)用于軍用飛機(jī)、航天器等領(lǐng)域，比如美軍F-35戰(zhàn)斗機(jī)；后來又在波音787等民用飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉扇、豪華游艇、醫(yī)療衛(wèi)生、休閑體育用品等諸多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、碳纖維在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科技的進(jìn)步，一些新技術(shù)、新材料逐漸應(yīng)用到了汽車領(lǐng)域，并對汽車工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其中碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用最為典型。

1、碳纖維給汽車制造帶來的突出優(yōu)勢

輕量化

碳纖維應(yīng)用于汽車后，給汽車制造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化，最直接影響的就是節(jié)能、加速、制動性能的提升。一般而言，車重減小10％，油耗降低6％～8％，排放降低5～6%, 0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短2～7m。

舉個例子，在全新BMW 7系的車體框架中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被用于加固車頂橫梁結(jié)構(gòu)以及B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW 7系最大減重達(dá)130kg，成為大型豪華汽車市場智能輕量化結(jié)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者。

再比如，BMW i3大量使用碳纖維材料制造車身，上市車型比原來的設(shè)計減輕了300kg，i3車型得到市場認(rèn)可，也驗(yàn)證低成本快速成型碳纖維車身量產(chǎn)制造技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

安全性

車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復(fù)合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進(jìn)一步保證了汽車的安全性。

舒適度

碳纖維復(fù)合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復(fù)合材料2秒就能停止，故碳纖維應(yīng)用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻(xiàn)同樣很大，會大幅增強(qiáng)汽車行駛的舒適性。

可靠性

碳纖維復(fù)合材料具有更高的疲勞強(qiáng)度，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維復(fù)合材料可達(dá)70-80%，因此汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。

提升車身開發(fā)水平

由于碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計性比金屬強(qiáng)，因此更易于車身開發(fā)的平臺化、模塊化、集成化。這樣碳纖維車身及金屬平臺的混合車身結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)汽車車身結(jié)構(gòu)而言，可以做到模塊化、集成化，大大減少零件種類，減少工裝投入，縮短開發(fā)周期。

尤其對于新入新能源汽車企業(yè)，應(yīng)用碳纖維車身不僅可以節(jié)約沖壓、焊裝生產(chǎn)線及模、夾具的投入，減輕固定資產(chǎn)占資配比，優(yōu)化企業(yè)資產(chǎn)配置結(jié)構(gòu)，而且在企業(yè)的市場宣傳上更具影響力。

綜觀奔馳、寶馬、奧迪等高端品牌車企在產(chǎn)品線中對碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用布局，我們可以預(yù)見，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用必然成為發(fā)展方向。

2、中國碳纖維行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)

雖然碳纖維材料優(yōu)點(diǎn)很多，但其核心技術(shù)卻被牢牢掌控在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。一方面，美日韓德等發(fā)達(dá)國家對該技術(shù)嚴(yán)格保密；另一方面，國外碳纖維行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)開始進(jìn)入中國市場，中國本土碳纖維企業(yè)壓力大增。

中國對碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維，多年來進(jìn)展緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，特別是隨著中國汽車工業(yè)的崛起，碳纖維材料的研發(fā)、應(yīng)用都得到了長足發(fā)展，并快速成長。

同時，碳纖維在汽車行業(yè)也面臨諸多挑戰(zhàn)。一是工藝復(fù)雜，主要采用熱壓罐,真空導(dǎo)入等傳統(tǒng)工藝，這種工藝生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品造價高，無法滿足汽車大批量規(guī)?；a(chǎn)要求；二是成本相對高昂，碳纖維材料的價格是金屬材料的數(shù)倍，這不僅制約了其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，更是無形中拒低端或自主汽車品牌于千里之外；三是設(shè)計人才缺乏，且由于該技術(shù)之前較少在國內(nèi)應(yīng)用，所以從事過碳纖維量產(chǎn)部件設(shè)計的人才非常稀缺。

特別需要指出的是，碳纖維從基礎(chǔ)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝選擇到生產(chǎn)出汽車零件是緊密相連的一個整體，每一個環(huán)節(jié)都是環(huán)環(huán)相扣。因此，這給碳纖維在汽車行業(yè)的發(fā)展建立了極高的技術(shù)壁壘，要求碳纖維制造企業(yè)必須具有極強(qiáng)的綜合實(shí)力。

3、碳纖維領(lǐng)域，中國企業(yè)擁有世界級競爭力

就目前來看，能夠?yàn)槠囆袠I(yè)提供碳纖維材料研發(fā)、設(shè)計、加工、制造一站式服務(wù)的中國企業(yè)并不多，康得復(fù)合材料有限責(zé)任公司（簡稱“康得復(fù)材”，康得投資集團(tuán)有限公司所屬企業(yè)）是首屈一指的企業(yè)之一。

康得集團(tuán)董事長鐘玉先生（左一）與中德兩國總理合影

多年來，康得集團(tuán)為了填補(bǔ)國內(nèi)碳纖維材料設(shè)計、制造、加工方面的空白，一直在不懈努力的提高著研發(fā)及生產(chǎn)水平。截至目前，康得集團(tuán)已經(jīng)完成了新能源汽車碳纖維部件產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的布局，產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈包括：中安信的碳纖維產(chǎn)業(yè)、康得復(fù)合材料的工業(yè)4.0版智能化碳纖維車體及部件制造工廠、位于慕尼黑的KDX歐洲復(fù)合材料研發(fā)中心和KDX雷丁汽車輕量化設(shè)計中心、以及德國GFG公司和SGL公司的大批量、自動化生產(chǎn)技術(shù)支持。這一完整的生態(tài)鏈將為全球的整車企業(yè)提供系統(tǒng)且具有全球競爭力的解決方案，提供從設(shè)計、研發(fā)、樣件試制、檢測、小批量生產(chǎn)到大規(guī)模供貨的全方位服務(wù)。2014年康得集團(tuán)董事長鐘玉在訪德期間，受邀參加了默克爾總理的私人午宴，2015年又陪同李克強(qiáng)總理接待了默克爾總理訪華。

如前文所提，康得集團(tuán)和德國政府以及德國企業(yè)保持著密切的戰(zhàn)略合作關(guān)系，與慕尼黑工業(yè)大學(xué)碳纖維復(fù)合材料研究所合作建立了歐洲復(fù)合材料研發(fā)中心，與全球除了寶馬之外唯一擁有大批量生產(chǎn)碳纖維部件設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的德國雷丁公司合資設(shè)立汽車輕量化設(shè)計中心。 4月6日，在張家港康得新光學(xué)膜二期項(xiàng)目奠基儀式上，寶馬（中國）服務(wù)有限公司總裁Philip Eller宣布，將在窗膜領(lǐng)域和康得新展開深入合作；并將在碳纖維解決汽車輕量化方面和康得復(fù)材展開戰(zhàn)略布局的探討。

三、碳纖維在中國汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊

眾所周知，目前中國正在大力推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，但是限于充電設(shè)施不完善、電池續(xù)航里程短、電動車售價偏高等問題，制約著新能源汽車的推廣及普及。

未來更好的推廣新能源汽車，除了要加快充電樁等配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)之外，有效降低新能源汽車整車成本、提高整車?yán)m(xù)航能力，已成為當(dāng)下新能源車生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。

而實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化，最佳的方式就是合理使用碳纖維材料。實(shí)驗(yàn)表明，采用碳纖維材料替代現(xiàn)有的鋼制車身，可以有效降低60%以上的重量，續(xù)駛里程相應(yīng)的提高20%以上。中國正在大力推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，所以碳纖維材料在新能源汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣闊。

其實(shí)碳纖維材料除了在新能源汽車領(lǐng)域前景廣闊之外，在傳統(tǒng)汽車方面更有著寬泛的應(yīng)用。

首先，碳纖維車身及金屬平臺的混合車身結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)汽車車身結(jié)構(gòu)而言，可以做到模塊化、集成化，大大減少零件種類，減少工裝投入，縮短開發(fā)周期。

輕量化的碳纖維車身結(jié)構(gòu)

其次，目前中國正在實(shí)施第三階段油耗標(biāo)準(zhǔn)已全面執(zhí)行（企業(yè)平均油耗6.9L/百公里）；2016年開始導(dǎo)入第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)，2020年企業(yè)平均油耗降至5L/百公里；政府將會嚴(yán)厲處罰不達(dá)標(biāo)企業(yè)，據(jù)權(quán)威測算，以長安福特2015年產(chǎn)銷量及油耗計，將會受到8億元的罰款。

當(dāng)前，中國汽車企業(yè)短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)升級，為使企業(yè)油耗達(dá)標(biāo)，汽車輕量化迫在眉節(jié)，相較于底盤件的復(fù)雜工況及性能要求，碳纖維車身的應(yīng)用是車身輕量化的最有效途徑。因?yàn)橐坏┐罅渴褂锰祭w維材料的汽車其質(zhì)量將減少40-50％，而汽車結(jié)構(gòu)每減重10%，燃油消耗可節(jié)省7%。若車體減重20%-30%，每車每年CO2排放可減少0.5T。碳纖維不存在腐蝕生銹的問題，比普通金屬耐用。

據(jù)美國AJR 顧問公司預(yù)測，由于碳纖維材料應(yīng)用廣泛，其全球市場銷售額將從2011 年的161.1 億美元增長到2020 年的487 億美元，且以汽車領(lǐng)域?yàn)橹鳌?/div>

所以，在未來，碳纖維材料將在汽車領(lǐng)域“大有可為”。

總而言之，無論從性能還是環(huán)保角度出發(fā)，汽車輕量化都已成為一種必然趨勢，而采用碳纖維材料是汽車輕量化的必由之路?？档脧?fù)材作為中國企業(yè)在碳纖維領(lǐng)域中具有世界級競爭力的旗手，前景不可限量。