全面了解碳纤维汽车轻量化关键技术

2019-05-01 17:22:10·  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部
   
碳纤维之所以能够在汽车领域获得应用,主要取决于以下几大优势。轻量化:碳纤维材料能够在满足所需强度的同时,有效减轻汽车自身重量,进而减少能源消耗;耐久性:碳纤维材料具有优异的耐腐蚀性和抗老化性,使用寿命长;安全性:碳纤维材
碳纤维之所以能够在汽车领域获得应用,主要取决于以下几大优势。

轻量化:碳纤维材料能够在满足所需强度的同时,有效减轻汽车自身重量,进而减少能源消耗;

耐久性:碳纤维材料具有优异的耐腐蚀性和抗老化性,使用寿命长;

安全性:碳纤维材料强度在3000MPa以上,是普通钢材数倍,其加工配件在碰撞过程中变形极小,且可以吸收大量撞击能力,提高安全性。

若要使碳纤维材料能够在汽车工业获得广泛应用,最重要的就是碳纤维汽车轻量化技术的提升和碳纤维材料成本降低。本文盘点了碳纤维汽车轻量化核心技术、国内碳纤维产业发展趋势、碳纤维在汽车领域最新应用实例、以及碳纤维汽车轻量化存在问题,带大家全面了解碳纤维汽车轻量化。

1、碳纤维汽车轻量化应用核心技术
中国是汽车制造大国,碳纤维与金属混杂,结合中国新能源汽车产业,有望形成中国特色汽车产业及其车用碳纤维新兴产业。

核心技术一:汽车CFRP模块化结构设计、验证与评价

模块化CFRP结构技术体系正在形成:减少零部件数量,减少模具费用,减少连接,减低制造成本;有利于低成本自动化量产。

模块化CFRP结构技术体系正在形成:减少零部件数量,减少模具费用,减少连接,减低制造成本;有利于低成本自动化量产。

核心技术二:CFRP低成本自动化量产技术与装备

低成本自动化量产新技术与设备是成败的关键:可降低生产成本、提高质量稳定性、提高生产节拍,是CFRP在制造业大规模应用的核心技术;全球有一大批自动化设备公司与工艺结合,开发各种新成型技术与新装备。

核心技术三:热塑性复合材料CFRTP快速成型技术

热塑性复合材料是汽车轻量化的重要发展方向,技术不断进步:回收循环、维修方便、成型快、成本低、韧性好、耐湿热性能好。

热塑性复合材料是汽车轻量化的重要发展方向,技术不断进步:CFRTP板材--预热--冷模具冲压,有望几秒完成成型,速度快,成本低。


2、碳纤维产业现状及轻量化应用趋势

2.1、国内现状

我国碳纤维产业呈现出“三多三少”的尴尬状况: 企业多龙头少,产能多产量少,用量多国产少。

2.2、国际环境

我国碳纤维产业发展“前有堵截、后有追兵”,不仅面临日美的高端禁运和低端挤压,也面临韩/土耳其/印度等后发国家的快速追赶,生存环境严峻。

2.3、碳纤维在制造业应用,将形成中国特色碳纤维产业

中国汽车、高铁、建筑、造船等众多产业产量世界第一,如果你形成碳纤维与金属混杂使用,将形成巨大的碳纤维产业。

2.4、碳纤维在制造业应用,将巨大提升中国制造业国际竞争力

中国制造2025优先发展10大领域,有8大领域迫切需要CFRP;交通运输工具轻量化,节能减排,提升续航里程;运动部件惯性减少,提高精度,提高速度;装备抗腐蚀,提高安全性,提高寿命。

2.5、全产业链低成本化技术体系与批量供应链体系是碳纤维在制造业大规模应用的关键

•降低CFRP成型过程和树脂成本是重点:航空航天级碳纤维价格1000元/Kg,CFRP制品价格1-2万/Kg,增加10-20倍;汽车用碳纤维100-130元/Kg, CFRP零部件500-2000元/Kg,增加3-20倍;

2.6、碳纤维制造成本不断降低:制造新技术不断涌现+规模不断扩大
全球碳纤维制造成本不断降低(T700碳纤维2015年350元/Kg,2018年100-130元/Kg):规模不断扩大(全球2017年产能8.4万吨,预计2020年11万吨;中国规划2030年15万吨);碳纤维制造新技术不断涌现(高效氧化碳化、微波、等离子体、沥青基、PE基等)。

3、碳纤维汽车轻量化应用技术进展

碳纤维与金属混杂,将改变汽车产业组织模式


宝马是碳纤维在汽车应用的先驱,率先建立应用技术体系、供应链体系、量产车型应用示范。

4、碳纤维在汽车领域最新应用实例
4.1、碳纤维货箱
碳纤维一般都和豪车连续在一块,现在一款皮卡车的货箱也将推出碳纤维版了。这就是GMC 的Sierra 碳纤维版。它的价格尚未公布,但将在6月份开始生产,并面向美国市场销售。


CarbonPro版的主要好处是重量更轻。GMC表示,这种复合货箱比同样装备的Sierra钢制货箱减掉了60磅。此外,该汽车制造商还表示,由于碳纤维货箱已经提供了通常由这些额外功能提供的保护和抓地力,因此不需要在货箱上安装衬垫,可以节省更多重量。GMC表示,CarbonPro货箱提供了一流的货运量,更不用说一流的凹痕,划痕和腐蚀保护。


4.2、碳纤维保险杠、侧裙
日前,在2019年上海车展上全新玛莎拉蒂Levante 实车照片曝光,该款车型延续了普通版车型外观规划,细节上有所不同。

外观方面,该款车型的保险杠和侧裙选用了碳纤维装饰板,使其运动感更强,还选用了22英寸轮毂,并供给了2种轮毂颜色能够挑选,行进气格栅选用家族式规划风格,调配两边造型犀利的头灯极为运动。
4.3、碳纤维全车身
前途K50是中国第一辆量产的超跑,电动超跑,这款车仅有不到70万的价格,比起兰博基尼、法拉利要少了很多。但问题是这台车的用料、做工包括动力到底能不能赶超兰博基尼、法拉利?或者和兰博基尼、法拉利保持一个并肩的地位呢?这是大家比较关心的问题。

前途K50的整个前脸是非常低趴的造型,轴距是2650毫米,整车的体积和一辆迈凯伦570差不多。而宽度达到了保时捷918的水平,非常不错。值得一提的是全车除了前后保险杠和左右侧裙之外,全部采用了碳纤维的材质,使整辆车更轻了,价值百万的超跑上都没能做到,而这辆车做到了。这辆车为了量产还专门去探索碳纤维批量生产的工艺,而且并没有在这台车上看到非常夸张的空气动力学套件。


4.4、碳纤维挡板

宝马M5一直都是很多人的追求,这是一款超级跑车,现有的宝马M53秒多一点就能破百了,2019年上海车展上市的宝马M5旗舰将更加的出乎你的想象,不仅用上了昂贵的碳纤维材料还有比上代更强劲的动力表现,是不是很狂躁,这次的首发M旗舰全名叫M5 Competition,以后的名字估计会是M5雷霆版,可以理解为M5的进阶版本,也是目前宝马M家族里最顶端的车了。

这次的M5 Competition外观有了比较明显的变化,整个进气格栅变黑了,并且使一个连体式的进气格栅,和M2的设计有点相似,但是这次非常亮眼的是它选装了非常昂贵的碳纤维组件,底下的挡板也采用了碳纤维,侧面是比较典型的短轴M5车型,轮毂是20寸大轮毂,轮胎采用了米其林的高级运动轮胎。尾部也是由碳纤维组成了,并且在上方有一个黑色的小尾翼,比较个性,车标采用了熏黑的M5设计,非常洋气。

4.5、碳纤维前、后唇
蔚来首款量产车叫ES8,是一台定位在中大型的纯电动SUV。极具未来感的前脸拥有很高的辨识度,复杂的前大灯采用的是分体式设计,加上强有力的性能等等,这都是该车给我们的第一印象。不过呢,面对这样一台纯电动车型,虽然改装空间远不及汽油车,但仍然可以在外观上进行改装。

比原车更大的轮眉同样是属于套件之中。并且与新样式的后唇进行了搭配,除了带有扰流功能之外,前唇、轮眉、后唇均采用碳纤维材质。更饱满的轮毂采用的是22寸多幅式,并且在车头和侧窗处还增加了鲜明的蓝色用于装饰。而内饰中同样在增加了许多碳纤维饰条下,也增加了蓝色作为点缀。

4.6、碳纤维轮眉
在上述蔚来ES8汽车中,碳纤维轮眉已经获得一定应用,而在2018款奔驰G500 4×4汽车上则采用全车碳纤维轮眉。

奔驰G500 4×4前保险杠采用与G级AMG车型采用了相同的设计,保险杠下部增加了镀铬下护板,车顶增加了可拆卸的碳纤维扰流板,并在扰流板两侧融入了LED灯光系统。此外,由于新车轮距进行了加宽,因此与普通版G 500相比,奔驰G5004x4概念车的四轮轮眉宽度有了明显的增加,黑色的碳纤维轮眉也赋予了整车更为强悍的野性。

5、碳纤维汽车轻量化应用问题
目前汽车中有多种零部件使用了碳纤维复合材料(CFRP),分别有:车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。但目前碳纤维在汽车中的应用遇到了一些问题。
5.1、价高、工艺受限,难以量产
碳纤维复合材料价格高,使其在汽车上应用具有一定的难度,特别在降本压力很大的当前。当然,碳纤维复合材料的价格高,除了碳纤维本身价格较高外,其中最大一个原因就是目前的加工方式,导致加工效率低,加工成本高。目前碳纤维复合材料的加工方式从玻纤复材的工艺而来,效率较低,成本较高,导致加工成本甚至比碳纤维原材料成本还要高,甚至高许多倍。同时加工工艺的局限,不仅成本增加,而且效率较低,难以满足汽车行业动辄数万甚至几十万车型的需要。
5.2、缺乏复材设计经验及人员
汽车是一个系统工程,碳纤维不是简单的一个部件就可以解决的。碳纤维材料在汽车上的应用,不是人们简单想象,以为更换一个部件,改成碳纤维材料就OK了,可以减重。汽车是一个系统工程,简单更换一个部件,可能带来其他问题,包括共振、声躁、安全等。宝马车型的成功,就是根据碳纤维复合材料的特性,对整车重新进行了设计,才取得了成功。而这个设计能力,国内厂家还比较欠缺。
5.3、大汽车厂家处于观望态度
国内汽车厂家虽然感到碳纤维材料在汽车上应用的前景,也有厂家有所动作,但步骤较慢,一方面汽车厂家不太懂碳纤维和复合材料,不熟悉加工工艺,或者说相关工艺的技术还没有公开,无法通过购买等经济手段获得,投资碳纤维汽车有一定风险。另外,汽车生产线都投资巨大,上碳纤维汽车生产线,也有可能使以前的投资缩减甚至无用,因此国内大汽车厂家步骤谨慎,处于观望态度。
此外碳纤维复合材料在汽车上应用涉及到维修、回收,以及保险,政策等,都是需要进一步研究的问题。
6、结束语
汽车轻量化已经成为不可避免的发展趋势,而碳纤维作为汽车轻量化关键原料,其在汽车应用领域也不断扩大。碳纤维的特性决定其具有很好的前景,但目前的价格也决定碳纤维要用在“刀刃”,也即要体现碳纤维在汽车上应用的不可替代性,同时逐步提升技术,降低成本。而要实现这种不可替代性,就要实现创新性设计。一种方式是体现功能、结构上的特殊性,另外就是工艺上的先进性。这样就可能实现碳纤维在汽车上功能性的不可替代性,或者综合成本上的不可替代性。