碳纖維在汽車輕量化應(yīng)用中有巨大潛力

在性能圈有這樣一句話：“多10匹馬力不如少10公斤”，強(qiáng)勁動力并不代表一切，車身輕量化也是性能車的極致追求。而碳纖維復(fù)合材料(CFRP)以其極高的強(qiáng)度、穩(wěn)定的化學(xué)性能而備受推崇，高性能車型沒點碳纖維點綴都感覺拿不出手。

碳纖維是好，但成本太高，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用，目前僅在賽車、高端跑車和高端車型部分應(yīng)用。在日益嚴(yán)厲的燃油效率和二氧化碳排放法規(guī)下，車身輕量化已成為降低油耗、降低排放的重要手段。據(jù)研究顯示，車重降低10%，燃油效率可提高6-8%，即車重每降低100公斤，百公里降低0.3-0.6L。

碳纖維在汽車輕量化應(yīng)用中的巨大潛力，使其成為車企應(yīng)對耗油排放挑戰(zhàn)的機(jī)具前景的材料選項。那么，隨著需求的不斷變化和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)厲，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用會引起下一次汽車材料市場的革新浪潮?

碳纖維機(jī)會窗口

目前汽車輕量化主要有兩種途徑，一是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對車身的結(jié)構(gòu)及骨架進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到減重目的，二是通過輕質(zhì)高強(qiáng)材料替換傳統(tǒng)材料。自1953年世界上第一臺采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車——GM Corvette誕生后，復(fù)合材料也正式在汽車行業(yè)領(lǐng)域登上歷史舞臺。

1979年，福特首先發(fā)表了用CFRP制作的輕量型試驗車，該車主要將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車體面板、傳動軸和板彈簧等功能性零件，同時還嘗試在發(fā)動機(jī)機(jī)體、連桿和活塞等零部應(yīng)用。試驗車共使用300Kg左右碳纖維復(fù)合材料，燃油排放有效降低35%。同時，其彈性模量是玻璃鋼的4-9倍，是金屬材料的3-4倍。

1992年誕生的邁凱倫F1是當(dāng)時地表最快的量產(chǎn)車，首次使用CFRP制作車身正是稱王的秘密武器。碳纖維符合材料生產(chǎn)技術(shù)難度大，價格高，更多應(yīng)用在超級跑車、F1賽車上，但優(yōu)良的性能特點使其成為公認(rèn)的符合未來發(fā)展趨勢的汽車材料。

寶馬對碳纖維的關(guān)注和投入非常高，早在2009年寶馬便和德國西格里集團(tuán)共同成立新公司，專門生產(chǎn)汽車工業(yè)的碳纖維和碳纖維織物。從新一代寶馬7系開始，寶馬的主要產(chǎn)品構(gòu)架中將采用碳纖維材料，鋼鐵不再是車輛韌性的衡量指標(biāo)。而伴隨著寶馬i8和i3兩款車的投產(chǎn)，標(biāo)志這寶馬已成為目前唯一掌握車用碳纖維復(fù)合材料大批量生產(chǎn)和制造技術(shù)的車企。

這是有史以來第一次量產(chǎn)車型大規(guī)模應(yīng)用CFRP打造車身，也證明碳纖維擁有成本大幅度下降的可能。以往的碳纖維形成，需要漫長的環(huán)氧樹脂預(yù)浸泡過程，占用大量時間和人力。而寶馬通過優(yōu)化一項高壓噴注環(huán)氧樹脂的技術(shù)，往模具內(nèi)的碳纖維噴射高壓環(huán)氧樹脂，使其在壓力下快速滲透到纖維絲里面。這項技術(shù)將會令碳纖維的生產(chǎn)成本降低至目前的10%或更低。

寶馬正式將CFRP帶入汽車主流材料之中，其他汽車廠商也在往CFRP發(fā)力。豐田與東麗合作研發(fā)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，制造了燃料電池反應(yīng)堆框架，并應(yīng)用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是第一次將碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料用于汽車結(jié)構(gòu)件而大批量生產(chǎn)的汽車。

2015年東京車展上，雅馬哈推出車重僅750kg的全新概念跑車Sports Ride Concept，超輕的車身得益于iStream CFRP底盤。iStream是戈登穆雷開發(fā)的一套生產(chǎn)體系，大量利用碳纖維材料，并極大降低生產(chǎn)成本，不僅包含輕型但高強(qiáng)度的底盤，而且通過不同符合面板組合到基本框架上，改底盤可誕生多種車身風(fēng)格，成為入門跑車愛好者的福音。今年的東京車展，雅馬哈將推出Sports Ride Concept的延續(xù)車型。

此外，大眾、奔馳、PSA等多家車企也在開發(fā)車用碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結(jié)構(gòu)件、傳動軸等部件。

碳纖維的瓶頸

碳纖維復(fù)合材料以其獨特的性能被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中，也被視為今后汽車新材料的發(fā)展趨勢，但在應(yīng)用和推廣階段依舊面臨許多挑戰(zhàn)，而這些挑戰(zhàn)都與“每個部件的成本”相關(guān)聯(lián)。

降低碳纖維生產(chǎn)成本。與鋼和鋁部件相比，高昂的碳纖維價格是限制其在許多應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢的主要原因。目前市面上碳纖維每公斤價格在120元以上，是玻璃纖維10倍以上。此外，與碳纖維配套的環(huán)氧類樹脂價格也高居不下。

提高生產(chǎn)效率。目前大多數(shù)用于碳纖維復(fù)合材料部件的生產(chǎn)工藝都較慢，通常需要花費(fèi)較長時間。通過提高自動化、模擬仿真和快速的生產(chǎn)節(jié)奏，以此來降低制造成本。譬如寶馬采用高壓RTM工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料車身，生產(chǎn)周期能達(dá)到10分鐘左右。

優(yōu)化回收。碳纖維在生產(chǎn)過程中有超過30%的浪費(fèi)，遠(yuǎn)高于其他行業(yè)的廢料比;而且隨著CFRP逐漸在主流汽車中得到應(yīng)用，回收問題就顯得迫在眉睫。過去回收技術(shù)通常使用高溫回收技術(shù)或者化學(xué)品進(jìn)行研磨或者分解，但難以實現(xiàn)安全處理，而且碳纖維在該過程可能被損壞。所以一套成本效益高的碳纖維回收方案，可以降低成本，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展動力。

開發(fā)專門維修技術(shù)。汽車在使用過程中難免會遇到修復(fù)問題，對于傳統(tǒng)金屬材料而言，維修人員已經(jīng)輕門熟路，但碳纖維復(fù)合材料的修復(fù)工藝與傳統(tǒng)材料還是存在較大差異。只有開發(fā)出修復(fù)專用材料，和一套使用方便、容易操作的修復(fù)技術(shù)，CFRP才能被大批量的汽車平臺廣泛接受。

CAFE的出臺促使各大車企在汽車輕量化技術(shù)領(lǐng)域加大研發(fā)投入，使碳纖維復(fù)合材料發(fā)展迎來新的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料能否成為未來汽車材料領(lǐng)域巨頭，這個還需要時間來驗證，但目前來看，碳纖維技術(shù)在不斷發(fā)展，成本逐步降低的同時，生產(chǎn)效率也在不斷提高，如此看來，這將是個大概率事件。