鉅大LARGE | 點擊量：856次 | 2019年03月19日
碳纖維輕量化新能源汽車應(yīng)用前景好嗎
近年來，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念日益盛行和政府相關(guān)政策的大力扶持，我國新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，2017年，中國新能源汽車產(chǎn)銷均接近80萬輛，分別達到79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.8%和53.3%。中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2018年1-6月新能源汽車產(chǎn)銷分別完成41.3萬輛和41.2萬輛，同比增長94.9%和111.6%，上半年表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于前幾年。
在新能源汽車高歌猛進的同時，整個行業(yè)亦面臨著新的挑戰(zhàn)，“里程焦慮”可謂是必須破解的頭等難關(guān)。應(yīng)對之策有三：一是增加電池容量、提升能量密度；二是應(yīng)用輕量化技術(shù)為汽車減重“瘦身”；三是加快充換電樁站布局、緩解充電難題。
有業(yè)內(nèi)人士表示，目前在動力電池相關(guān)技術(shù)短期內(nèi)難有重大突破和充換電樁站布局相對滯后等綜合因素制約下，碳纖維輕量化新能源汽車將迎來春天，且“風(fēng)景這邊獨好”。
2016年1月份，全國政協(xié)副主席、科技部部長萬鋼曾對外表示，輕量化也是發(fā)展新能源汽車的一個必然趨勢。有專家表示：未來能夠顛覆汽車行業(yè)或者把汽車行業(yè)帶到更高高度的有兩件事情，一個是AI(人工智能)，第二個就是碳纖維輕量化，用碳纖維復(fù)合材料顛覆金屬材料。
碳纖維增強復(fù)合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7至9倍，最早用于特種、航天、特種等科技高精尖領(lǐng)域。業(yè)界公認(rèn)，CFRP(碳纖維增強復(fù)合材料)是目前解決新能源汽車減重的最好方法，碳纖維的應(yīng)用可使汽車減重30%~60%，被譽為“輕量化之王”，是新能源汽車“瘦身革命”的領(lǐng)導(dǎo)者，在汽車輕量化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
那么，碳纖維輕量化新能源汽車的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景如何？本文嘗試分析，供業(yè)界評鑒。
一、材料革命
汽車材料產(chǎn)業(yè)的規(guī)律是，當(dāng)一種材料壟斷已經(jīng)形成，后來者就很難完全顛覆，只有等待下一次產(chǎn)業(yè)革新浪潮。如今，隨著新能源汽車時代的加速到來，一個全新的、充滿想象空間的汽車用材料市場機會正在開啟。碳纖維復(fù)合材料等汽車非金屬材料正迎來一個前所未有的歷史黃金期。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。碳纖維的強度高于超高強度鋼2倍以上，比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7至9倍，因為重量極輕、吸震能力優(yōu)秀、舒適性高，但表面硬度不佳，當(dāng)施予的外力高于其破壞強度時，會造成斷裂，也因為這個原因，碳纖維具備了在發(fā)生碰撞時強大的吸能表現(xiàn)。傳統(tǒng)的鈑金修復(fù)工作，對于碳纖維車身并不適用，發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的形變部件，同樣也是以更換為主。其工藝復(fù)雜程度也無法只用“織毛衣”將其比喻，把“碳”加工成一塊適用的碳纖維板材要經(jīng)過上百道復(fù)雜工藝，成本高昂。
如果以耗鋼材400kg為標(biāo)準(zhǔn)進行分析，可以得出不同材料的減重數(shù)據(jù)：高強度鋼材需要320kg，鋁合金240kg，鎂合金220kg，復(fù)合材料160kg，減重潛力分別為：10%—20%、40%、50%以及復(fù)合材料的60%。
二、各種材料車身質(zhì)量對比
我國從20世紀(jì)70年代就開始研制碳纖維材料，幾乎與美國、日本同時起步，然而，目前我國碳纖維行業(yè)與美國、日本差距較大。高端產(chǎn)品出現(xiàn)時間晚，尚未開展大批量生產(chǎn)；低端產(chǎn)品又受國際碳纖維巨頭傾銷沖擊。
目前，日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數(shù)產(chǎn)能，并控制了高端碳纖維的生產(chǎn)。日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生產(chǎn)中最早起步，是日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的代表。美國Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐，20世紀(jì)80年代美國研制的三叉戟II潛射特種和侏儒小型機動洲際特種都是用了Hexcel公司的IM7型碳纖維(大致相當(dāng)于T800級別)。目前世界上小絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司，美國的Hexcel公司和Cytec公司雖然產(chǎn)量相差較大，但技術(shù)上仍可與日本三巨頭媲美。
東麗公司研制出碳纖維前后，我國就開始獨立研制碳纖維。不過遺憾的是，從20世紀(jì)70年代中期開始經(jīng)過近40年發(fā)展，我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)總體研制和生產(chǎn)水平還還很落后，無法與美日公司在市場上正面競爭。
最直觀的例子是，日本東麗和美國Hexcel公司在20世紀(jì)80年代就研制成功T800/IM7級別的高強度碳纖維，而我國2018年才完成T1000級別碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的突破，最終批量生產(chǎn)的質(zhì)量和成本如何還有待觀察，可以說落后美日近30年。
近年來，隨著政策的持續(xù)引導(dǎo)和資本的不斷注入，國內(nèi)碳纖維行業(yè)迎來快速發(fā)展，中國企業(yè)的努力不僅使這種差距縮小，而且大大降低了進口碳纖維的價格。工信部《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出加快發(fā)展高性能碳纖維及復(fù)合材料，重點突破高強碳纖維低成本、連續(xù)穩(wěn)定、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，加快高強中模、高強高模級碳纖維產(chǎn)業(yè)化突破。同時專項扶持基金逐漸完備?？档眯?、金發(fā)科技、和邦生物、海源機械、精功科技等上市公司或其股東集團資本不斷注入，布局碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈。依托上市公司和股東集團大平臺，有利于整合資源技術(shù)優(yōu)勢，提供資金保障，加快國內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展。
目前，國內(nèi)逐漸掌握更為先進的干噴濕紡原絲制備方法，T700級碳纖維實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，T800級碳纖維突破技術(shù)封鎖。高性能碳纖維的自主化生產(chǎn)為我國碳纖維應(yīng)用由低端體育休閑向高端工業(yè)市場轉(zhuǎn)變提供了基礎(chǔ)。國內(nèi)企業(yè)重心由原先專注碳纖維生產(chǎn)逐漸向高附加值下游復(fù)合材料開發(fā)應(yīng)用傾斜。
隨著碳纖維復(fù)合材料快速成型工藝的技術(shù)突破，使得碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)能夠滿足汽車大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要。此外，隨著碳纖維原料本身生產(chǎn)工藝的成熟，碳纖維的成本在這幾年也有了比較大的下降。
尤其值得關(guān)注的是，在成型技術(shù)和汽車輕量化方面，康得復(fù)合材料有限責(zé)任公司(以下簡稱“康得復(fù)材”)走在了前面。從2011年起，康得集團、康得新集團整合優(yōu)質(zhì)資源，打造了全球唯一的碳纖維輕量化生態(tài)平臺，成為一個為汽車碳纖維輕量化提供系統(tǒng)解決方案的服務(wù)提供商。在法國巴黎舉辦的JEC國際復(fù)合材料展會上，康得復(fù)材首發(fā)展出了一款全碳纖維復(fù)合材料車身，在成功解決了碳纖維復(fù)合材料白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、精確制造及白車身裝配等難題后，實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計。
2018年4月25日-5月4日，兩年一度的北京國際車展盛大舉行，國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的領(lǐng)軍者，康得復(fù)合材料有限責(zé)任公司(下稱“康得復(fù)材”)攜全碳纖維車身、玻纖板簧、Surface-RTM零部件等最新研發(fā)產(chǎn)品盛裝亮相，展示中國汽車碳纖維復(fù)合材料輕量化的最高水平?？档脧?fù)材首次帶來了產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈企業(yè)完全自主設(shè)計、開發(fā)和制造的全碳纖維車身?？档脧?fù)材副總裁、首席技術(shù)官(CTO)兼康得新歐洲復(fù)合材料研發(fā)中心總經(jīng)理及KDXRoding歐洲汽車設(shè)計中心聯(lián)合總經(jīng)理何鵬博士稱，康得復(fù)材集中展示了過去兩年發(fā)展的成果，標(biāo)志著中國已經(jīng)具備了汽車復(fù)合材料輕量化設(shè)計、研發(fā)、制造及量產(chǎn)的能力。在康得復(fù)材的帶動下，中國汽車碳纖維復(fù)合材料輕量化實現(xiàn)了從0到1的重大突破。目前，康得復(fù)材在廊坊的產(chǎn)業(yè)基地一期產(chǎn)能已經(jīng)全部建設(shè)完成，正在著手進行二期150萬件產(chǎn)能的建設(shè)，同時已經(jīng)開始常州碳纖維復(fù)合材料基地600萬件產(chǎn)能的建設(shè)。
目前，康得復(fù)材與奔馳、寶馬、豐田、北汽、長安、蔚來等全球59家汽車企業(yè)建立了業(yè)務(wù)合作關(guān)系，產(chǎn)品涵蓋汽車結(jié)構(gòu)件、覆蓋件、汽車裝飾件、碳纖維白車身，多個項目已進入或?qū)⑦M入量產(chǎn)階段。
2017年11月7日，廈門大學(xué)能源經(jīng)濟研究中心主任林伯強向媒體表示，目前我國碳纖維發(fā)展情況還是不錯的，除了電動汽車外，碳纖維還能運用在其他的領(lǐng)域，此外，我國碳纖維的發(fā)展與國外的差距正在逐漸縮小。
有專家指出，2016年碳纖維在全球范圍的應(yīng)用中汽車業(yè)占比12%，其中中國是3%，預(yù)計2020年全球碳纖維需求量將達13萬噸，2020年國內(nèi)需求量將達到2.9萬噸，進口替代需求迫切。
隨著汽車和民用特種碳纖維輕量化市場的啟動，中國將成為全球最大的碳纖維市場。碳纖維的進一步國產(chǎn)化、規(guī)模化，將成為支持我國高端工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。
三、應(yīng)用現(xiàn)狀
相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，跨國車企在碳纖維車用領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用布局已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前列。
1.國外企業(yè)
1）GMCorvette
碳纖維應(yīng)用于汽車材料的歷史最早可以追溯到1953年，世界第1臺纖維增強復(fù)合材料汽車——GMCorvette制造成功。
2）美國通用汽車公司
美國通用汽車公司1992年展出了由碳纖維復(fù)合材料制造車身的超輕概念車，車身質(zhì)量為191.0kg，整車質(zhì)量降低68%，節(jié)油40%。
通用GMCorvetteStingray概念車
3）蘭博基尼
蘭博基尼汽車2011年推出了Murciélago替代車型，該車采用了全碳纖維復(fù)合材料單殼體車身，質(zhì)量僅有145.5kg。
4）寶馬集團
寶馬集團憑借十多年的深入研究以及工藝、材料、設(shè)備和工具的優(yōu)化，以及在量產(chǎn)車中使用碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)積累的經(jīng)驗，成為目前唯一掌握在大規(guī)模生產(chǎn)中使用碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)科技的汽車制造商，車用碳纖維的年產(chǎn)能將達到9000噸，在這一領(lǐng)域具有絕對優(yōu)勢。2011年，BMW正式發(fā)布出行新紀(jì)元的BMWi子品牌，車身使用輕重量、高強度的碳纖維增強復(fù)合材料制造，預(yù)示著豪華汽車將進入“碳纖維”時代。裝備碳纖維復(fù)材車身的寶馬i3成功商業(yè)化，開啟了碳纖維汽車輕量化應(yīng)用大門。其全碳纖維承載式車身總重只有112.2公斤。號稱“寶馬有史以來技術(shù)最先進的車型”的寶馬i系將再引領(lǐng)業(yè)界汽車發(fā)展的潮流。其車型的4門兩蓋也都是復(fù)材(外板-工程塑料，內(nèi)加強板-玻纖碳纖增強)材料制成。目前，碳纖維復(fù)合材料制成的車身結(jié)構(gòu)件已在德國寶馬公司開發(fā)的Z-9和Z-22系列中大量采用。預(yù)測今后寶馬在CFRP(碳纖維增強復(fù)合材料)的應(yīng)用方面會繼續(xù)領(lǐng)先。
寶馬以外的歐洲各大汽車廠商也將陸續(xù)在每年2萬~5萬輛生產(chǎn)規(guī)模的量產(chǎn)車上采用CFRP。德國大眾汽車公司的“2L車”CC1研究項目，碳纖維復(fù)合材料用于車身的比例高達45%。通用汽車公司采用碳纖維復(fù)合材料制成的Chevrolet。CorvetteZ06紀(jì)念版轎車的發(fā)動機罩蓋，質(zhì)量僅9.3kg。福特和保時捷的發(fā)動機罩也全部采用了碳纖維復(fù)合材料，在安全性不降低的前提下獲得了極高的輕量化效果。
毫無疑問，碳纖維快速成型工藝的突破、原料成本的下降、新能源汽車車身經(jīng)量化的迫切需求，三個因素共同推動全球新能源汽車碳纖維車身輕量化應(yīng)用進入快速增長的階段。
各大汽車企業(yè)紛紛與碳纖維巨頭合作，布局碳纖維輕量化業(yè)務(wù)。2015年全球碳纖維汽車市場需求量約8700噸，預(yù)計未來幾年，年均增速21%，到2020年需求量將超過2萬噸，將成為增長最快和需求最大的領(lǐng)域之一。
2.國內(nèi)企業(yè)
與國外巨頭相比，國內(nèi)車企在碳纖維領(lǐng)域的應(yīng)用尚處在初期研發(fā)、小規(guī)模應(yīng)用的階段，原因在于：目前，碳纖維復(fù)合材料成本高昂、批量化制造工藝和裝備缺乏等因素嚴(yán)重制約了其在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。但仍有為數(shù)漸多的國內(nèi)新能源汽車企業(yè)和碳纖維復(fù)合材料企業(yè)正加速在車用碳纖維材料領(lǐng)域的布局。
1）奇瑞汽車
2014年，奇瑞汽車率先在北京市場推出了新能源汽車，這是一款由奇瑞和中國科學(xué)院聯(lián)合打造的新能源汽車產(chǎn)品，由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的車型非常的流暢與人性化。
2)北汽與康得集團
北汽與康得集團一直有深度戰(zhàn)略合作：北汽的純電動汽車ARCFOX-1，其車體的上車體為康得復(fù)材設(shè)計開發(fā)的國內(nèi)首創(chuàng)的整體成型碳纖維復(fù)合材料上車體；BJ80SUV則采用了碳纖維前機蓋，開創(chuàng)了國內(nèi)汽車碳纖維輕量化部件大批量應(yīng)用的先河。2017年4月，康得復(fù)材與北汽集團簽訂中國首個碳纖維部件量產(chǎn)訂單。
3)觀致汽車
2017年4月19日，觀致汽車舉辦盛大的新車發(fā)布會，隆重推出全碳纖維車身的MODELK-EV超級電動車，其碳纖維結(jié)構(gòu)車身將于2018年由康得復(fù)材批量生產(chǎn)。同一天，蔚來汽車展出了一輛全碳纖維車身結(jié)構(gòu)的智能純電動超級跑車---EP9。這款超級電動跑車0-200km/h加速時間7.1s，極速313km/h，之所以具有極佳的性能，全碳纖維的輕量化車身為其提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。
4)艾康尼克(ICONIQ)
艾康尼克(ICONIQ)是2014年在中國天津成立的一家新能源汽車制造公司。2017年4月16日，艾康尼克旗下第一款車型ICONIQSEVEN正式亮相，新車定位于高端電動MPV車型，共推出共推三款車型，分別為VIP、尊貴版、入門版，預(yù)計將于2019年實現(xiàn)首批交付。ICONIQSeven的車身由碳纖維打造，比同級別車型輕20%以上，搭配其采用的高效節(jié)能電汽系統(tǒng)，可以讓ICONIQSeven更為輕便的同時速度也更快，還能大幅度提升其續(xù)航里程。它采用了最大功率為165kW的電動機，最大續(xù)航里程為400km，在其量產(chǎn)后續(xù)航能力可能會有一定的提升。
5）蔚來汽車與康得集團
2017年6月，蔚來汽車與康得集團簽署了價值10多億元的智能電動汽車碳纖維部件量產(chǎn)定點采購協(xié)議。
6）前途汽車
2018年6月30日，前途汽車首款量產(chǎn)車——前途K50在前途汽車蘇州生產(chǎn)基地正式量產(chǎn)下線。前途K50最值得關(guān)注的，是它的車身材質(zhì)：車殼材質(zhì)全部采用碳纖維材料，29個碳纖維復(fù)合材料零部件總重量僅為46.7kg，比使用傳統(tǒng)鋼板材料減重40%以上，比使用鋁合金材料減重20%以上，并且采用免噴漆的覆膜技術(shù)，將整車重量盡可能降至最低；同時底盤部分采用全鋁材質(zhì)，全鋁合金框架式車身僅重243kg，比使用傳統(tǒng)鈑金鋼制車身減重約38%，進一步降低車重。自創(chuàng)立之初，前途汽車便致力于自主打造完整的新能源造車體系，目前其也已掌握三大核心技術(shù)：整車控制管理系統(tǒng)(VCU)、可再充電能量儲存系統(tǒng)(RESS)、新材料和輕量化技術(shù)，使用戶可充分體驗到電動汽車所帶來的駕駛樂趣。截止6月20日，共提交專利申請1190項，其中415項已獲得授權(quán)。前途汽車研究院副院長、總經(jīng)理熊飛表示，對于新造車勢力而言，碳纖維是一個比較好的替代方案，前途汽車沒有涂裝，寶馬i3也沒有涂裝，只有焊裝和總裝。
而作為碳纖維汽車輕量化解決方案領(lǐng)域最重要的供應(yīng)商之一，康得復(fù)材、康得新已為北汽集團、蔚來、上汽集團、長安汽車、吉利汽車、長城汽車、威馬汽車等多家車企提供服務(wù)。
四、未來已來
近年來，新能源車成為全球汽車工業(yè)發(fā)展大趨勢。工信部部長苗圩曾在“2017中國電動汽車百人會論壇”上表示，工信部牽頭編制了《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確了到2020年我國新能源汽車年產(chǎn)量將達到200萬輛，2025年會達到600萬輛以及到2025年我國新能源汽車銷量占總銷量的比例達到20%以上的發(fā)展目標(biāo)。
縱覽當(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，可以發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在新能源汽車中的廣泛運用是一種必然結(jié)果，也是新能源汽車企業(yè)進行汽車生產(chǎn)與制造的必然選擇。據(jù)測算，在同樣續(xù)航里程條件下，電動汽車的重量比傳統(tǒng)汽車要超過200~300kg甚至更多。因此為保證電動汽車有較好續(xù)航里程和可承受的成本，電動汽車的車身重量須減重50%以上。在所有輕量化材料中，CFRP是唯一能將鋼質(zhì)零部件減重50~60%，卻能夠提供同等強度的先進材料。
目前，中國新能源電動車實現(xiàn)全球引領(lǐng)的時代已經(jīng)到來，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》規(guī)定，2026年至2030年的第三階段，實現(xiàn)整車比2015年減重35%，重點發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，碳纖維使用量占車重達到5%。可以斷定，伴隨著2020年汽車減重10%，2025年減重20%，2030年減重達到30%目標(biāo)的臨近，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在新能源汽車行業(yè)中的運用范圍與運用比例將會有很大程度上的提升，這一切將使中國成為全球最大的碳纖維輕量化新能源汽車市場，引領(lǐng)全球碳纖維產(chǎn)業(yè)的未來。
而新能源汽車碳纖維輕量化的全新時代也將由此到來。
