碳纤维材料在汽车上的应用

近年来，随着节能减排、绿色环保的理念日益盛行和政府相关政策的大力扶持，我国新能源汽车呈现爆发式增长，2017年，中国新能源汽车产销均接近80万辆，分别达到79.4万辆和77.7万辆，同比分别增长53.8%和53.3%。中汽协数据显示，2018年1-6月新能源汽车产销分别完成41.3万辆和41.2万辆，同比增长94.9%和111.6%，上半年表现远远好于前几年。

在新能源汽车高歌猛进的同时，整个行业亦面临着新的挑战，“里程焦虑”可谓是必须破解的头等难关。应对之策有三：一是增加电池容量、提升能量密度；二是应用轻量化技术为汽车减重“瘦身”；三是加快充换电桩站布局、缓解充电难题。

有业内人士表示，目前在动力电池相关技术短期内难有重大突破和充换电桩站布局相对滞后等综合因素制约下，碳纤维轻量化新能源汽车将迎来春天，且“风景这边独好”。

 

 

 

2016年1月份，全国政协副主席、科技部部长万钢曾对外表示，轻量化也是发展新能源汽车的一个必然趋势。

有专家表示：未来能够颠覆汽车行业或者把汽车行业带到更高高度的有两件事情，一个是AI(人工智能)，第二个就是碳纤维轻量化，用碳纤维复合材料颠覆金属材料。

碳纤维增强复合材料有着绝佳的物理特性：比铝轻30%、比钢轻50%，强度却是钢的7至9倍，最早用于航空、航天、军工等科技高精尖领域。业界公认，CFRP(碳纤维增强复合材料)是目前解决新能源汽车减重的最好方法，碳纤维的应用可使汽车减重30%~60%，被誉为“轻量化之王”，是新能源汽车“瘦身革命”的领导者，在汽车轻量化方面发挥着关键作用。

那么，碳纤维轻量化新能源汽车的现状与应用前景如何？本文尝试分析，供业界评鉴。

 

一、材料革命

汽车材料产业的规律是，当一种材料垄断已经形成，后来者就很难完全颠覆，只有等待下一次产业革新浪潮。如今，随着新能源汽车时代的加速到来，一个全新的、充满想象空间的汽车用材料市场机会正在开启。碳纤维复合材料等汽车非金属材料正迎来一个前所未有的历史黄金期。

相关研究数据表明，碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。碳纤维的强度高于超高强度钢2倍以上，比铝轻30%、比钢轻50%，强度却是钢的7至9倍，因为重量极轻、吸震能力优秀、舒适性高，但表面硬度不佳，当施予的外力高于其破坏强度时，会造成断裂，也因为这个原因，碳纤维具备了在发生碰撞时强大的吸能表现。传统的钣金修复工作，对于碳纤维车身并不适用，发生碰撞后产生的形变部件，同样也是以更换为主。其工艺复杂程度也无法只用“织毛衣”将其比喻，把“碳”加工成一块适用的碳纤维板材要经过上百道复杂工艺，成本高昂。

如果以耗钢材400kg为标准进行分析，可以得出不同材料的减重数据：高强度钢材需要320kg，铝合金240kg，镁合金220kg，复合材料160kg，减重潜力分别为：10%—20%、40%、50%以及复合材料的60%。

二、各种材料车身质量对比

我国从20世纪70年代就开始研制碳纤维材料，几乎与美国、日本同时起步，然而，目前我国碳纤维行业与美国、日本差距较大。高端产品出现时间晚，尚未开展大批量生产；低端产品又受国际碳纤维巨头倾销冲击。

目前，日本和美国掌握着世界碳纤维的大多数产能，并控制了高端碳纤维的生产。日本东丽公司在PAN基碳纤维研制生产中最早起步，是日本碳纤维生产企业的代表。美国Hexcel公司也紧随日本东丽的步伐，20世纪80年代美国研制的三叉戟II潜射导弹和侏儒小型机动洲际导弹都是用了Hexcel公司的IM7型碳纤维(大致相当于T800级别)。目前世界上小丝束碳纤维的主要生产商包括日本东丽、日本东邦人造丝、日本三菱人造丝三家公司，美国的Hexcel公司和Cytec公司虽然产量相差较大，但技术上仍可与日本三巨头媲美。

东丽公司研制出碳纤维前后，我国就开始独立研制碳纤维。不过遗憾的是，从20世纪70年代中期开始经过近40年发展，我国的碳纤维产业总体研制和生产水平还还很落后，无法与美日公司在市场上正面竞争。

最直观的例子是，日本东丽和美国Hexcel公司在20世纪80年代就研制成功T800/IM7级别的高强度碳纤维，而我国2018年才完成T1000级别碳纤维生产技术的突破，最终批量生产的质量和成本如何还有待观察，可以说落后美日近30年。

近年来，随着政策的持续引导和资本的不断注入，国内碳纤维行业迎来快速发展，中国企业的努力不仅使这种差距缩小，而且大大降低了进口碳纤维的价格。工信部《石化和化学工业发展规划(2016-2020年)》提出加快发展高性能碳纤维及复合材料，重点突破高强碳纤维低成本、连续稳定、规模化生产技术，加快高强中模、高强高模级碳纤维产业化突破。同时专项扶持基金逐渐完备。康得新、金发科技、和邦生物、海源机械、精功科技等上市公司或其股东集团资本不断注入，布局碳纤维产业链。依托上市公司和股东集团大平台，有利于整合资源技术优势，提供资金保障，加快国内碳纤维行业发展。

目前，国内逐渐掌握更为先进的干喷湿纺原丝制备方法，T700 级碳纤维实现稳定量产，T800级碳纤维突破技术封锁。高性能碳纤维的自主化生产为我国碳纤维应用由低端体育休闲向高端工业市场转变提供了基础。国内企业重心由原先专注碳纤维生产逐渐向高附加值下游复合材料开发应用倾斜。

随着碳纤维复合材料快速成型工艺的技术突破，使得碳纤维复合材料已经能够满足汽车大规模工业化生产的需要。此外，随着碳纤维原料本身生产工艺的成熟，碳纤维的成本在这几年也有了比较大的下降。

尤其值得关注的是，在成型技术和汽车轻量化方面，康得复合材料有限责任公司(以下简称“康得复材”)走在了前面。从2011年起，康得集团、康得新集团整合优质资源，打造了全球唯一的碳纤维轻量化生态平台，成为一个为汽车碳纤维轻量化提供系统解决方案的服务提供商。在法国巴黎举办的JEC国际复合材料展会上，康得复材首发展出了一款全碳纤维复合材料车身，在成功解决了碳纤维复合材料白车身结构设计、精确制造及白车身装配等难题后，实现了车身结构的模块化设计。

2018年4月25日-5月4日，两年一度的北京国际车展盛大举行，国内碳纤维复合材料的领军者，康得复合材料有限责任公司(下称“康得复材”)携全碳纤维车身、玻纤板簧、Surface-RTM零部件等最新研发产品盛装亮相，展示中国汽车碳纤维复合材料轻量化的最高水平。康得复材首次带来了产业生态链企业完全自主设计、开发和制造的全碳纤维车身。康得复材副总裁、首席技术官(CTO)兼康得新欧洲复合材料研发中心总经理及KDXRoding欧洲汽车设计中心联合总经理何鹏博士称，康得复材集中展示了过去两年发展的成果，标志着中国已经具备了汽车复合材料轻量化设计、研发、制造及量产的能力。在康得复材的带动下，中国汽车碳纤维复合材料轻量化实现了从0到1的重大突破。目前，康得复材在廊坊的产业基地一期产能已经全部建设完成，正在着手进行二期150万件产能的建设，同时已经开始常州碳纤维复合材料基地600万件产能的建设。

目前，康得复材与奔驰、宝马、丰田、北汽、长安、蔚来等全球59家汽车企业建立了业务合作关系，产品涵盖汽车结构件、覆盖件、汽车装饰件、碳纤维白车身，多个项目已进入或将进入量产阶段。

2017年11月7日，厦门大学能源经济研究中心主任林伯强向媒体表示，目前我国碳纤维发展情况还是不错的，除了电动汽车外，碳纤维还能运用在其他的领域，此外，我国碳纤维的发展与国外的差距正在逐渐缩小。

有专家指出，2016年碳纤维在全球范围的应用中汽车业占比12%，其中中国是3%，预计2020 年全球碳纤维需求量将达13 万吨，2020 年国内需求量将达到2.9 万吨，进口替代需求迫切。

随着汽车和民用航空碳纤维轻量化市场的启动，中国将成为全球最大的碳纤维市场。碳纤维的进一步国产化、规模化，将成为支持我国高端工业发展的关键因素之一。

 

三、应用现状

相关调研发现，跨国车企在碳纤维车用领域的研发和应用布局已经远远走在前列。

 

1. 国外企业

1）GM Corvette

碳纤维应用于汽车材料的历史最早可以追溯到1953年，世界第 1 台纤维增强复合材料汽车——GM Corvette制造成功。

 

2）美国通用汽车公司

美国通用汽车公司1992年展出了由碳纤维复合材料制造车身的超轻概念车，车身质量为191.0 kg，整车质量降低68%，节油40%。

图 2009芝加哥车展：通用GM带来Corvette Stingray概念车  

 

3）兰博基尼

兰博基尼汽车2011年推出了Murciélago替代车型，该车采用了全碳纤维复合材料单壳体车身，质量仅有145.5 kg。

4）宝马集团

宝马集团凭借十多年的深入研究以及工艺、材料、设备和工具的优化，以及在量产车中使用碳纤维增强复合材料(CFRP)积累的经验，成为目前唯一掌握在大规模生产中使用碳纤维增强复合材料(CFRP)科技的汽车制造商，车用碳纤维的年产能将达到9000吨，在这一领域具有绝对优势。2011年，BMW正式发布出行新纪元的BMWi子品牌，车身使用轻重量、高强度的碳纤维增强复合材料制造，预示着豪华汽车将进入“碳纤维”时代。装备碳纤维复材车身的宝马i3成功商业化，开启了碳纤维汽车轻量化应用大门。其全碳纤维承载式车身总重只有112.2公斤。号称“宝马有史以来技术最先进的车型”的宝马i系将再引领业界汽车发展的潮流。其车型的4门两盖也都是复材(外板-工程塑料，内加强板-玻纤碳纤增强)材料制成。目前，碳纤维复合材料制成的车身结构件已在德国宝马公司开发的Z-9和Z-22系列中大量采用。预测今后宝马在CFRP(碳纤维增强复合材料)的应用方面会继续领先。

宝马以外的欧洲各大汽车厂商也将陆续在每年2万~5万辆生产规模的量产车上采用CFRP。德国大众汽车公司的“2L车”CC1研究项目，碳纤维复合材料用于车身的比例高达45%。通用汽车公司采用碳纤维复合材料制成的Chevrolet。Corvette Z06纪念版轿车的发动机罩盖，质量仅9.3kg。福特和保时捷的发动机罩也全部采用了碳纤维复合材料，在安全性不降低的前提下获得了极高的轻量化效果。

毫无疑问，碳纤维快速成型工艺的突破、原料成本的下降、新能源汽车车身经量化的迫切需求，三个因素共同推动全球新能源汽车碳纤维车身轻量化应用进入快速增长的阶段。

各大汽车企业纷纷与碳纤维巨头合作，布局碳纤维轻量化业务。2015年全球碳纤维汽车市场需求量约8700 吨，预计未来几年，年均增速21%，到2020 年需求量将超过2 万吨，将成为增长最快和需求最大的领域之一。

 

2. 国内企业

与国外巨头相比，国内车企在碳纤维领域的应用尚处在初期研发、小规模应用的阶段，原因在于：目前，碳纤维复合材料成本高昂、批量化制造工艺和装备缺乏等因素严重制约了其在汽车领域的大规模应用。

但仍有为数渐多的国内新能源汽车企业和碳纤维复合材料企业正加速在车用碳纤维材料领域的布局。

 

1）奇瑞汽车

2014年，奇瑞汽车率先在北京市场推出了新能源汽车，这是一款由奇瑞和中国科学院联合打造的新能源汽车产品，由碳纤维复合材料构成的车型非常的流畅与人性化。

 

2) 北汽与康得集团

北汽与康得集团一直有深度战略合作：北汽的纯电动汽车ARCFOX-1，其车体的上车体为康得复材设计开发的国内首创的整体成型碳纤维复合材料上车体；BJ80SUV则采用了碳纤维前机盖，开创了国内汽车碳纤维轻量化部件大批量应用的先河。2017年4月，康得复材与北汽集团签订中国首个碳纤维部件量产订单。

 

3) 观致汽车

2017年4月19日，观致汽车举办盛大的新车发布会，隆重推出全碳纤维车身的MODELK-EV超级电动车，其碳纤维结构车身将于2018年由康得复材批量生产。同一天，蔚来汽车展出了一辆全碳纤维车身结构的智能纯电动超级跑车---EP9。这款超级电动跑车0-200km/h加速时间7.1s，极速313km/h，之所以具有极佳的性能，全碳纤维的轻量化车身为其提供了关键的基础。

4) 艾康尼克(ICONIQ)

艾康尼克(ICONIQ)是2014年在中国天津成立的一家新能源汽车制造公司。2017年4月16日，艾康尼克旗下第一款车型ICONIQ SEVEN正式亮相，新车定位于高端电动MPV车型，共推出共推三款车型，分别为VIP、尊贵版、入门版，预计将于2019年实现首批交付。ICONIQ Seven的车身由碳纤维打造，比同级别车型轻20%以上，搭配其采用的高效节能电汽系统，可以让ICONIQ Seven更为轻便的同时速度也更快，还能大幅度提升其续航里程。它采用了最大功率为165kW的电动机，最大续航里程为400km，在其量产后续航能力可能会有一定的提升。

 

5）蔚来汽车与康得集团

2017年6月，蔚来汽车与康得集团签署了价值10多亿元的智能电动汽车碳纤维部件量产定点采购协议。

 

6）前途汽车

2018年6月30日，前途汽车首款量产车——前途K50在前途汽车苏州生产基地正式量产下线。前途K50最值得关注的，是它的车身材质：车壳材质全部采用碳纤维材料，29个碳纤维复合材料零部件总重量仅为46.7kg，比使用传统钢板材料减重40%以上，比使用铝合金材料减重20%以上，并且采用免喷漆的覆膜技术，将整车重量尽可能降至最低；同时底盘部分采用全铝材质，全铝合金框架式车身仅重243kg，比使用传统钣金钢制车身减重约38%，进一步降低车重。自创立之初，前途汽车便致力于自主打造完整的新能源造车体系，目前其也已掌握三大核心技术：整车控制管理系统(VCU)、可再充电能量储存系统(RESS)、新材料和轻量化技术，使用户可充分体验到电动汽车所带来的驾驶乐趣。截止6月20日，共提交专利申请1190项，其中415项已获得授权。前途汽车研究院副院长、总经理熊飞表示，对于新造车势力而言，碳纤维是一个比较好的替代方案，前途汽车没有涂装，宝马i3也没有涂装，只有焊装和总装。

而作为碳纤维汽车轻量化解决方案领域最重要的供应商之一，康得复材、康得新已为北汽集团、蔚来、上汽集团、长安汽车、吉利汽车、长城汽车、威马汽车等多家车企提供服务。

 

四、未来已来

近年来，新能源车成为全球汽车工业发展大趋势。工信部部长苗圩曾在“2017中国电动汽车百人会论坛”上表示，工信部牵头编制了《汽车产业中长期发展规划》，明确了到2020年我国新能源汽车年产量将达到200万辆，2025年会达到600万辆以及到2025年我国新能源汽车销量占总销量的比例达到20%以上的发展目标。

纵览当前新能源汽车产业的发展情况，可以发现，碳纤维复合材料(CFRP)在新能源汽车中的广泛运用是一种必然结果，也是新能源汽车企业进行汽车生产与制造的必然选择。据测算，在同样续航里程条件下，电动汽车的重量比传统汽车要超过200~300kg甚至更多。因此为保证电动汽车有较好续航里程和可承受的成本，电动汽车的车身重量须减重50%以上。在所有轻量化材料中，CFRP是唯一能将钢质零部件减重50~60%，却能够提供同等强度的先进材料。

目前，中国新能源电动车实现全球引领的时代已经到来，中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》规定，2026年至2030年的第三阶段，实现整车比2015年减重35%，重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术，实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用，碳纤维使用量占车重达到5%。可以断定，伴随着2020年汽车减重10%，2025年减重20%，2030年减重达到30%目标的临近，碳纤维复合材料(CFRP)在新能源汽车行业中的运用范围与运用比例将会有很大程度上的提升，这一切将使中国成为全球最大的碳纤维轻量化新能源汽车市场，引领全球碳纤维产业的未来。

而新能源汽车碳纤维轻量化的全新时代也将由此到来。

 

本文来源：新能源汽车网