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碳纤维材料让汽车身轻如燕

2016-04-13    来源: 财经中国网  跟贴 0

    文/车市博览、郎永强

    一、碳纤维从何而来?

    历史上,重量级人物总有“高大上”的故事作为出场,碳纤维也不例外,那就是人尽皆知的爱迪生发明电灯泡故事。1861年,爱迪生让碳丝作为灯丝材料成功发光45小时,使人类进入电灯时代,碳丝也第一次登上了历史舞台。

    不过,随着灯泡中碳丝被钨丝替代,碳丝被历史丢在角落近一个世纪。直至1950年代,碳丝再次粉墨登场,美国空军由于要寻找耐烧熔材料,获知碳熔点高达3,600度,并拥有耐高温、高强度特性,将碳丝再次请进实验室,并发明了一个吊炸天的名字:碳纤维。随后,经过不断研发和改进,碳纤维“外柔内刚”的独特优势得到充分展示。

    碳纤维质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并具有耐腐蚀、高模量特性。因此,碳纤维最先被应用于军用飞机、航天器等领域,比如美军F-35战斗机;后来又在波音787等民用飞机、风力发电机叶扇、豪华游艇、医疗卫生、休闲体育用品等诸多领域得到越来越广泛的应用。

    二、碳纤维在汽车领域中的应用现状

    随着科技的进步,一些新技术、新材料逐渐应用到了汽车领域,并对汽车工业的发展产生了深远影响,其中碳纤维材料在汽车上的应用最为典型。

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    1、碳纤维给汽车制造带来的突出优势

    轻量化

    碳纤维应用于汽车后,给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化,最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言,车重减小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%, 0-100km/h加速性提升8-10%,制动距离缩短2~7m。

    举个例子,在全新BMW 7系的车体框架中,碳纤维增强复合材料被用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。相比上一代车型,全新BMW 7系最大减重达130kg,成为大型豪华汽车市场智能轻量化结构的领导者。

    再比如,BMW i3大量使用碳纤维材料制造车身,上市车型比原来的设计减轻了300kg,i3车型得到市场认可,也验证低成本快速成型碳纤维车身量产制造技术的可行性和经济性。

    安全性

    车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。

    舒适度

    碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼,轻合金需要9秒才能停止震动,碳纤维复合材料2秒就能停止,故碳纤维应用在汽车上,对于整车NVH(噪声、振动与声振粗糙度)的提升贡献同样很大,会大幅增强汽车行驶的舒适性。

    可靠性

    碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。

    提升车身开发水平

    由于碳纤维复合材料可设计性比金属强,因此更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。

    尤其对于新入新能源汽车企业,应用碳纤维车身不仅可以节约冲压、焊装生产线及模、夹具的投入,减轻固定资产占资配比,优化企业资产配置结构,而且在企业的市场宣传上更具影响力。

    综观奔驰、宝马、奥迪等高端品牌车企在产品线中对碳纤维复合材料的应用布局,我们可以预见,碳纤维复合材料在汽车上的应用必然成为发展方向。

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    2、中国碳纤维行业面临的重大挑战

    虽然碳纤维材料优点很多,但其核心技术却被牢牢掌控在少数发达国家手中。一方面,美日韩德等发达国家对该技术严格保密;另一方面,国外碳纤维行业领先企业开始进入中国市场,中国本土碳纤维企业压力大增。

    中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维,多年来进展缓慢。进入21世纪以来发展较快,特别是随着中国汽车工业的崛起,碳纤维材料的研发、应用都得到了长足发展,并快速成长。

    同时,碳纤维在汽车行业也面临诸多挑战。一是工艺复杂,主要采用热压罐,真空导入等传统工艺,这种工艺生产效率低、生产周期长、产品造价高,无法满足汽车大批量规模化生产要求;二是成本相对高昂,碳纤维材料的价格是金属材料的数倍,这不仅制约了其在汽车领域的应用与发展,更是无形中拒低端或自主汽车品牌于千里之外;三是设计人才缺乏,且由于该技术之前较少在国内应用,所以从事过碳纤维量产部件设计的人才非常稀缺。

    特别需要指出的是,碳纤维从基础研发、产品设计、生产工艺选择到生产出汽车零件是紧密相连的一个整体,每一个环节都是环环相扣。因此,这给碳纤维在汽车行业的发展建立了极高的技术壁垒,要求碳纤维制造企业必须具有极强的综合实力。

    3、碳纤维领域,中国企业拥有世界级竞争力

    就目前来看,能够为汽车行业提供碳纤维材料研发、设计、加工、制造一站式服务的中国企业并不多,康得复合材料有限责任公司(简称“康得复材”,康得投资集团有限公司所属企业)是首屈一指的企业之一。

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    康得集团董事长钟玉先生(左一)与中德两国总理合影

    多年来,康得集团为了填补国内碳纤维材料设计、制造、加工方面的空白,一直在不懈努力的提高着研发及生产水平。截至目前,康得集团已经完成了新能源汽车碳纤维部件产业生态链的布局,产业生态链包括:中安信的碳纤维产业、康得复合材料的工业4.0版智能化碳纤维车体及部件制造工厂、位于慕尼黑的KDX欧洲复合材料研发中心和KDX雷丁汽车轻量化设计中心、以及德国GFG公司和SGL公司的大批量、自动化生产技术支持。这一完整的生态链将为全球的整车企业提供系统且具有全球竞争力的解决方案,提供从设计、研发、样件试制、检测、小批量生产到大规模供货的全方位服务。2014年康得集团董事长钟玉在访德期间,受邀参加了默克尔总理的私人午宴,2015年又陪同李克强总理接待了默克尔总理访华。

    如前文所提,康得集团和德国政府以及德国企业保持着密切的战略合作关系, 与慕尼黑工业大学碳纤维复合材料研究所合作建立了欧洲复合材料研发中心,与全球除了宝马之外唯一拥有大批量生产碳纤维部件设计经验的德国雷丁公司合资设立汽车轻量化设计中心。 4月6日,在张家港康得新光学膜二期项目奠基仪式上,宝马(中国)服务有限公司总裁Philip Eller宣布,将在窗膜领域和康得新展开深入合作;并将在碳纤维解决汽车轻量化方面和康得复材展开战略布局的探讨。

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    三、碳纤维在中国汽车领域的应用前景极为广阔

    众所周知,目前中国正在大力推进新能源汽车的发展,但是限于充电设施不完善、电池续航里程短、电动车售价偏高等问题,制约着新能源汽车的推广及普及。

    未来更好的推广新能源汽车,除了要加快充电桩等配套基础设施的建设之外,有效降低新能源汽车整车成本、提高整车续航能力,已成为当下新能源车生产企业急需解决的问题。

    而实现新能源汽车的轻量化,最佳的方式就是合理使用碳纤维材料。实验表明,采用碳纤维材料替代现有的钢制车身,可以有效降低60%以上的重量,续驶里程相应的提高20%以上。中国正在大力推进新能源汽车的发展,所以碳纤维材料在新能源汽车领域中的应用前景非常广阔。

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    其实碳纤维材料除了在新能源汽车领域前景广阔之外,在传统汽车方面更有着宽泛的应用。

    首先,碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。

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    轻量化的碳纤维车身结构

    其次,目前中国正在实施第三阶段油耗标准已全面执行(企业平均油耗6.9L/百公里);2016年开始导入第四阶段油耗标准,2020年企业平均油耗降至5L/百公里;政府将会严厉处罚不达标企业,据权威测算,以长安福特2015年产销量及油耗计,将会受到8亿元的罚款。

    当前,中国汽车企业短期内很难实现发动机升级,为使企业油耗达标,汽车轻量化迫在眉节,相较于底盘件的复杂工况及性能要求,碳纤维车身的应用是车身轻量化的最有效途径。因为一旦大量使用碳纤维材料的汽车其质量将减少40-50%,而汽车结构每减重10%,燃油消耗可节省7%。若车体减重20%-30%,每车每年CO2排放可减少0.5T。碳纤维不存在腐蚀生锈的问题,比普通金属耐用。

    据美国AJR 顾问公司预测,由于碳纤维材料应用广泛,其全球市场销售额将从2011 年的161.1 亿美元增长到2020 年的487 亿美元,且以汽车领域为主。
所以,在未来,碳纤维材料将在汽车领域“大有可为”。

    总而言之,无论从性能还是环保角度出发,汽车轻量化都已成为一种必然趋势,而采用碳纤维材料是汽车轻量化的必由之路。康得复材作为中国企业在碳纤维领域中具有世界级竞争力的旗手,前景不可限量。
 


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