碳纖維在汽車(chē)輕量化應用中有巨大潛力

在性能圈有這樣一句話(huà)：“多10匹馬力不如少10公斤”，強勁動(dòng)力并不代表一切，車(chē)身輕量化也是性能車(chē)的極致追求。而碳纖維復合材料(CFRP)以其極高的強度、穩定的化學(xué)性能而備受推崇，高性能車(chē)型沒(méi)點(diǎn)碳纖維點(diǎn)綴都感覺(jué)拿不出手。

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

碳纖維在汽車(chē)輕量化應用中的巨大潛力，使其成為車(chē)企應對耗油排放挑戰的機具前景的材料選項。那么，隨著(zhù)需求的不斷變化和環(huán)保法規的日益嚴厲，碳纖維復合材料的應用會(huì )引起下一次汽車(chē)材料市場(chǎng)的革新浪潮?

碳纖維機會(huì )窗口

目前汽車(chē)輕量化主要有兩種途徑，一是優(yōu)化結構設計，對車(chē)身的結構及骨架進(jìn)行優(yōu)化以達到減重目的，二是通過(guò)輕質(zhì)高強材料替換傳統材料。自1953年世界上第一臺采用纖維增強復合材料汽車(chē)——GM Corvette誕生后，復合材料也正式在汽車(chē)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(chē)，該車(chē)主要將碳纖維復合材料應用于車(chē)體面板、傳動(dòng)軸和板彈簧等功能性零件，同時(shí)還嘗試在發(fā)動(dòng)機機體、連桿和活塞等零部應用。試驗車(chē)共使用300Kg左右碳纖維復合材料，燃油排放有效降低35%。同時(shí)，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是當時(shí)地表最快的量產(chǎn)車(chē)，首次使用CFRP制作車(chē)身正是稱(chēng)王的秘密武器。碳纖維符合材料生產(chǎn)技術(shù)難度大，價(jià)格高，更多應用在超級跑車(chē)、F1賽車(chē)上，但優(yōu)良的性能特點(diǎn)使其成為公認的符合未來(lái)發(fā)展趨勢的汽車(chē)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共同成立新公司，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)汽車(chē)工業(yè)的碳纖維和碳纖維織物。從新一代寶馬7系開(kāi)始，寶馬的主要產(chǎn)品構架中將采用碳纖維材料，鋼鐵不再是車(chē)輛韌性的衡量指標。而伴隨著(zhù)寶馬i8和i3兩款車(chē)的投產(chǎn)，標志這寶馬已成為目前唯一掌握車(chē)用碳纖維復合材料大批量生產(chǎn)和制造技術(shù)的車(chē)企。

這是有史以來(lái)第一次量產(chǎn)車(chē)型大規模應用CFRP打造車(chē)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(cháng)的環(huán)氧樹(shù)脂預浸泡過(guò)程，占用大量時(shí)間和人力。而寶馬通過(guò)優(yōu)化一項高壓噴注環(huán)氧樹(shù)脂的技術(shù)，往模具內的碳纖維噴射高壓環(huán)氧樹(shù)脂，使其在壓力下快速滲透到纖維絲里面。這項技術(shù)將會(huì )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(chē)主流材料之中，其他汽車(chē)廠(chǎng)商也在往CFRP發(fā)力。豐田與東麗合作研發(fā)的碳纖維增強熱塑性復合材料，制造了燃料電池反應堆框架，并應用于豐田燃料電池汽車(chē)Mirai中，這是第一次將碳纖維增強熱塑性復合材料用于汽車(chē)結構件而大批量生產(chǎn)的汽車(chē)。

2015年?yáng)|京車(chē)展上，雅馬哈推出車(chē)重僅750kg的全新概念跑車(chē)Sports Ride Concept，超輕的車(chē)身得益于iStream CFRP底盤(pán)。iStream是戈登穆雷開(kāi)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度的底盤(pán)，而且通過(guò)不同符合面板組合到基本框架上，改底盤(pán)可誕生多種車(chē)身風(fēng)格，成為入門(mén)跑車(chē)愛(ài)好者的福音。今年的東京車(chē)展，雅馬哈將推出Sports Ride Concept的延續車(chē)型。

此外，大眾、奔馳、PSA等多家車(chē)企也在開(kāi)發(fā)車(chē)用碳纖維復合材料，應用于車(chē)身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤(pán)結構件、傳動(dòng)軸等部件。

碳纖維的瓶頸

碳纖維復合材料以其獨特的性能被廣泛應用于汽車(chē)工業(yè)中，也被視為今后汽車(chē)新材料的發(fā)展趨勢，但在應用和推廣階段依舊面臨許多挑戰，而這些挑戰都與“每個(gè)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(jià)格是限制其在許多應用中發(fā)揮優(yōu)勢的主要原因。目前市面上碳纖維每公斤價(jià)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(lèi)樹(shù)脂價(jià)格也高居不下。

提高生產(chǎn)效率。目前大多數用于碳纖維復合材料部件的生產(chǎn)工藝都較慢，通常需要花費較長(cháng)時(shí)間。通過(guò)提高自動(dòng)化、模擬仿真和快速的生產(chǎn)節奏，以此來(lái)降低制造成本。譬如寶馬采用高壓RTM工藝生產(chǎn)碳纖維復合材料車(chē)身，生產(chǎn)周期能達到10分鐘左右。

優(yōu)化回收。碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中有超過(guò)30%的浪費，遠高于其他行業(yè)的廢料比;而且隨著(zhù)CFRP逐漸在主流汽車(chē)中得到應用，回收問(wèn)題就顯得迫在眉睫。過(guò)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(shí)現安全處理，而且碳纖維在該過(guò)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，增強可持續發(fā)展動(dòng)力。

開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)維修技術(shù)。汽車(chē)在使用過(guò)程中難免會(huì )遇到修復問(wèn)題，對于傳統金屬材料而言，維修人員已經(jīng)輕門(mén)熟路，但碳纖維復合材料的修復工藝與傳統材料還是存在較大差異。只有開(kāi)發(fā)出修復專(zhuān)用材料，和一套使用方便、容易操作的修復技術(shù)，CFRP才能被大批量的汽車(chē)平臺廣泛接受。

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