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碳纤维揭秘:助力汽车轻量化 高成本成最大阻碍

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发表于 2019-1-21 12:32:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
具有“黑色黄金”之称的碳纤维增强复合材料因具有质轻、设计自由度高、集成性强等特点,正在成为轻量化材料的新宠。
碳纤维揭秘:助力汽车轻量化高成本成最大阻碍
12月15日,蔚来汽车在上海东方体育中心迎来了其今年的重要盛会,会上发布的第二款量产车型ES6引发广泛关注。值得一提的是,ES6在铝制车身的基础上又增加了一块2平米左右的碳纤维板,使其成为同级中唯一使用铝合金碳纤维增强复合材料车身结构的车型。
车辆后端多数的关键负载由碳纤维后地板承受,蔚来ES6的碳纤维后地板总成、碳纤维座椅板总成、碳纤维后地板横梁总成三大部件由康得新欧洲汽车轻量化设计中心和蔚来联合设计,由康得复合材料有限责任公司(以下简称“康得复材”)批量供货。
东方证券一位分析师称,汽车减重10%,其燃油效率可提高6%-8%,汽车减重100千克,百公里油耗可下降0.3升-0.6升。作为汽车节能减排的主要途径之一,轻量化被纳入节能汽车标准体系。
减重30%以上
康得复材是康得集团、康得新集团携手打造的“碳纤维轻量化产业平台”的核心企业,为客户提供从碳纤维复合材料部件从设计、研发、样件试制、检测、小批量生产到大规模供货和服务的碳纤维轻量化整体解决方案。
“事实上,在蔚来打算推出ES8的时候康得复材就有合作的想法。但后来经过一系列的评估、论证,我们发觉当时时机还不是很成熟,于是这个合作就体现在了ES6上。2016年7、8月份的时候,我们便开始着手一起进行ES6的设计研发工作。”何鹏说。
蔚来官方资料显示,ES6理论上年产量为10万-15万辆。对此,何鹏解释称:“汽车要批量化生产,部件生产效率是非常重要的核定标准,目前由康得复材提供的碳纤维部件的生产效率为1分20几秒一个部件,这与生产金属汽车结构件的效率类似。”
据介绍,ES6车型中碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转刚度更高,被动安全性能提高,整体耐久性也得到很大提升。此外,碳纤维后地板嵌入到全铝车身中,比铝合金减重30%以上,与相同体积的高强度钢相比,重量仅是它的1/5。
公开资料显示,碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。其强度高于超高强度钢2倍以上,比铝轻30%、比钢轻50%,强度是钢的7-9倍,被称为“轻量化材料之王”。
“减重是未来汽车的重要发展方向。”原中国复合材料集团有限公司董事长、专家张定金在接受经济观察报记者采访时表示,碳纤维在模量和密度方面的优势明显,代替钢材可减重40%以上。
在减重的同时,汽车需要考虑部件的受力情况和抗冲击性以保证安全性。
“在碰撞过程中,碳纤维复合材料吸收能量的能力是钢的4-5倍,可以做到在减重的同时汽车的碰撞安全性能得到提升。”长期从事碳纤维研究的中国复合材料学会荣誉理事沈真在回答经济观察报记者提问时说。
应用提速
碳纤维增强复合材料在汽车领域的应用率先从赛车开始,近年来在民用汽车中也迅速得到了广泛的应用。作为一类重要的汽车轻质材料,其应用范围正在由内饰向外装件、车身及结构扩展。
德国宝马公司是碳纤维增强复合材料在大规模汽车生产领域应用的先驱。2011年,宝马在法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车。2014年,i3成功商业化,碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用向前迈了一步。
张定金介绍说,目前,全球主要碳纤维生产商和主要汽车生产商已纷纷结成联盟,谋求共同发展。“比如奥迪汽车于德国福伊特公司,奔驰、丰田与日本东丽公司,通用汽车与日本帝人东邦等。”
多位接受经济观察报记者采访的业内人士表示,与国外巨头相比,国内车企在碳纤维领域的应用尚处在初期发展、小规模应用的阶段。
“目前已有为数不少的国内汽企和碳纤维复合材料企业正加速在车用碳纤维材料领域的布局。”沈真介绍说。
2018年6月30日,前途汽车首款车型——前途K50在前途汽车苏州生产基地正式量产下线。值得关注的是,该车车身材质全部采用碳纤维材料,整车应用29个碳纤维复合材料外覆件,总重量比传统钢板材料重量降低40%以上。
来自康得复材的信息显示,康得集团与康得新集团联合打造的碳纤维轻量化产业平台已经与近60家主机厂展开交流与合作。已完成了多个车型的车身覆盖件、车身结构件的汽车碳纤维复合材料轻量化项目。合作车企包括:北汽集团、蔚来、上汽集团、长安汽车、吉利汽车、长城汽车、威马汽车等。
待解难题
沈真表示,汽车碳纤维轻量化是未来汽车轻量化发展的大趋势,但目前车用低成本碳纤维及其中间体材料产业链的缺乏,碳纤维汽车维修的问题等都是待解难题。“高成本问题是最大的阻碍。”
“企业评估成本是从综合方面评估,尽管碳纤维材料成本高于钢材、铝合金等材料,但使用能量消耗和维护成本下降,因此全寿命成本降低。”据何鹏透露,单从材料成本来看,ES6的材料成本控制在300元/公斤以内,而同等情况下使用铝合金材料的成本大概为60元-100元。
“虽然目前我国几乎所有的汽车企业都制定了碳纤维增强复合材料发展计划,并与碳纤维企业建立联盟,但仍存在一些发展瓶颈,如:缺乏复合材料整车及零部件设计准则、评价标准与数据库,缺乏复合材料零部件自动化量产技术与装备等等。”东华大学教授、国家973项目首席科学家余木火此前在接受经济观察报记者采访时说。
采访中,经济观察网记者了解到,不止一位业内专家持相同的观点。
长期研究碳纤维复合材料的聊城大学材料学院教师赵伟说:“在工业领域没有形成统一的体系,没有成熟的制造工艺及设备,就直接导致成本降不下来,理论上的量产实际上只是一个概念。”
在张定金看来,国内汽车采用碳纤维复合材料的挑战,首先要解决的是理念问题。“复合材料不应作为金属材料的简单替代材料,重点要建立碳纤维复合材料在汽车上应用的系统解决方案,形成降低全寿命成本的应用理念。”
“其次,碳纤维制造商、碳纤维复合材料供应商与汽车制造商之间应建立三位一体的战略合作关系,共同开发碳纤维汽车部件,建立和完善碳纤维增强复合材料汽车零件的设计数据、试验方法,发展低成本碳纤维材料等。”
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