全面了解碳纖維汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)

碳纖維之所以能夠在汽車領(lǐng)域獲得應(yīng)用，主要取決于以下幾大優(yōu)勢(shì)。

輕量化：碳纖維材料能夠在滿足所需強(qiáng)度的同時(shí)，有效減輕汽車自身重量，進(jìn)而減少能源消耗；

耐久性：碳纖維材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性和抗老化性，使用壽命長(zhǎng)；

安全性：碳纖維材料強(qiáng)度在3000MPa以上，是普通鋼材數(shù)倍，其加工配件在碰撞過(guò)程中變形極小，且可以吸收大量撞擊能力，提高安全性。

若要使碳纖維材料能夠在汽車工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，最重要的就是碳纖維汽車輕量化技術(shù)的提升和碳纖維材料成本降低。本文盤點(diǎn)了碳纖維汽車輕量化核心技術(shù)、國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、碳纖維在汽車領(lǐng)域最新應(yīng)用實(shí)例、以及碳纖維汽車輕量化存在問(wèn)題，帶大家全面了解碳纖維汽車輕量化。

1、碳纖維汽車輕量化應(yīng)用核心技術(shù)
中國(guó)是汽車制造大國(guó)，碳纖維與金屬混雜，結(jié)合中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)，有望形成中國(guó)特色汽車產(chǎn)業(yè)及其車用碳纖維新興產(chǎn)業(yè)。

核心技術(shù)一：汽車CFRP模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

模塊化CFRP結(jié)構(gòu)技術(shù)體系正在形成：減少零部件數(shù)量，減少模具費(fèi)用，減少連接，減低制造成本；有利于低成本自動(dòng)化量產(chǎn)。

模塊化CFRP結(jié)構(gòu)技術(shù)體系正在形成：減少零部件數(shù)量，減少模具費(fèi)用，減少連接，減低制造成本；有利于低成本自動(dòng)化量產(chǎn)。

核心技術(shù)二：CFRP低成本自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)與裝備

低成本自動(dòng)化量產(chǎn)新技術(shù)與設(shè)備是成敗的關(guān)鍵：可降低生產(chǎn)成本、提高質(zhì)量穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)節(jié)拍，是CFRP在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的核心技術(shù)；全球有一大批自動(dòng)化設(shè)備公司與工藝結(jié)合，開(kāi)發(fā)各種新成型技術(shù)與新裝備。

核心技術(shù)三：熱塑性復(fù)合材料CFRTP快速成型技術(shù)

熱塑性復(fù)合材料是汽車輕量化的重要發(fā)展方向，技術(shù)不斷進(jìn)步：回收循環(huán)、維修方便、成型快、成本低、韌性好、耐濕熱性能好。

熱塑性復(fù)合材料是汽車輕量化的重要發(fā)展方向，技術(shù)不斷進(jìn)步：CFRTP板材--預(yù)熱--冷模具沖壓，有望幾秒完成成型，速度快，成本低。


2、碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及輕量化應(yīng)用趨勢(shì)

2.1、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出“三多三少”的尷尬狀況: 企業(yè)多龍頭少，產(chǎn)能多產(chǎn)量少，用量多國(guó)產(chǎn)少。

2.2、國(guó)際環(huán)境

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展“前有堵截、后有追兵”，不僅面臨日美的高端禁運(yùn)和低端擠壓，也面臨韓/土耳其/印度等后發(fā)國(guó)家的快速追趕，生存環(huán)境嚴(yán)峻。

2.3、碳纖維在制造業(yè)應(yīng)用，將形成中國(guó)特色碳纖維產(chǎn)業(yè)

中國(guó)汽車、高鐵、建筑、造船等眾多產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量世界第一，如果你形成碳纖維與金屬混雜使用，將形成巨大的碳纖維產(chǎn)業(yè)。

2.4、碳纖維在制造業(yè)應(yīng)用，將巨大提升中國(guó)制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力

中國(guó)制造2025優(yōu)先發(fā)展10大領(lǐng)域，有8大領(lǐng)域迫切需要CFRP；交通運(yùn)輸工具輕量化，節(jié)能減排，提升續(xù)航里程；運(yùn)動(dòng)部件慣性減少，提高精度，提高速度；裝備抗腐蝕，提高安全性，提高壽命。

2.5、全產(chǎn)業(yè)鏈低成本化技術(shù)體系與批量供應(yīng)鏈體系是碳纖維在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵

•降低CFRP成型過(guò)程和樹(shù)脂成本是重點(diǎn)：航空航天級(jí)碳纖維價(jià)格1000元/Kg，CFRP制品價(jià)格1-2萬(wàn)/Kg，增加10-20倍；汽車用碳纖維100-130元/Kg, CFRP零部件500-2000元/Kg,增加3-20倍；

2.6、碳纖維制造成本不斷降低：制造新技術(shù)不斷涌現(xiàn)+規(guī)模不斷擴(kuò)大
全球碳纖維制造成本不斷降低（T700碳纖維2015年350元/Kg,2018年100-130元/Kg）：規(guī)模不斷擴(kuò)大（全球2017年產(chǎn)能8.4萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2020年11萬(wàn)噸；中國(guó)規(guī)劃2030年15萬(wàn)噸）；碳纖維制造新技術(shù)不斷涌現(xiàn)（高效氧化碳化、微波、等離子體、瀝青基、PE基等）。

3、碳纖維汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

碳纖維與金屬混雜，將改變汽車產(chǎn)業(yè)組織模式


寶馬是碳纖維在汽車應(yīng)用的先驅(qū)，率先建立應(yīng)用技術(shù)體系、供應(yīng)鏈體系、量產(chǎn)車型應(yīng)用示范。

4、碳纖維在汽車領(lǐng)域最新應(yīng)用實(shí)例
4.1、碳纖維貨箱
碳纖維一般都和豪車連續(xù)在一塊，現(xiàn)在一款皮卡車的貨箱也將推出碳纖維版了。這就是GMC 的Sierra 碳纖維版。它的價(jià)格尚未公布，但將在6月份開(kāi)始生產(chǎn)，并面向美國(guó)市場(chǎng)銷售。


CarbonPro版的主要好處是重量更輕。GMC表示，這種復(fù)合貨箱比同樣裝備的Sierra鋼制貨箱減掉了60磅。此外，該汽車制造商還表示，由于碳纖維貨箱已經(jīng)提供了通常由這些額外功能提供的保護(hù)和抓地力，因此不需要在貨箱上安裝襯墊，可以節(jié)省更多重量。GMC表示，CarbonPro貨箱提供了一流的貨運(yùn)量，更不用說(shuō)一流的凹痕，劃痕和腐蝕保護(hù)。


4.2、碳纖維保險(xiǎn)杠、側(cè)裙
日前，在2019年上海車展上全新瑪莎拉蒂Levante 實(shí)車照片曝光，該款車型延續(xù)了普通版車型外觀規(guī)劃，細(xì)節(jié)上有所不同。

外觀方面，該款車型的保險(xiǎn)杠和側(cè)裙選用了碳纖維裝飾板，使其運(yùn)動(dòng)感更強(qiáng)，還選用了22英寸輪轂，并供給了2種輪轂顏色能夠挑選，行進(jìn)氣格柵選用家族式規(guī)劃風(fēng)格，調(diào)配兩邊造型犀利的頭燈極為運(yùn)動(dòng)。
4.3、碳纖維全車身
前途K50是中國(guó)第一輛量產(chǎn)的超跑，電動(dòng)超跑，這款車僅有不到70萬(wàn)的價(jià)格，比起蘭博基尼、法拉利要少了很多。但問(wèn)題是這臺(tái)車的用料、做工包括動(dòng)力到底能不能趕超蘭博基尼、法拉利？或者和蘭博基尼、法拉利保持一個(gè)并肩的地位呢？這是大家比較關(guān)心的問(wèn)題。

前途K50的整個(gè)前臉是非常低趴的造型，軸距是2650毫米，整車的體積和一輛邁凱倫570差不多。而寬度達(dá)到了保時(shí)捷918的水平，非常不錯(cuò)。值得一提的是全車除了前后保險(xiǎn)杠和左右側(cè)裙之外，全部采用了碳纖維的材質(zhì)，使整輛車更輕了，價(jià)值百萬(wàn)的超跑上都沒(méi)能做到，而這輛車做到了。這輛車為了量產(chǎn)還專門去探索碳纖維批量生產(chǎn)的工藝，而且并沒(méi)有在這臺(tái)車上看到非?？鋸埖目諝鈩?dòng)力學(xué)套件。


4.4、碳纖維擋板

寶馬M5一直都是很多人的追求，這是一款超級(jí)跑車，現(xiàn)有的寶馬M53秒多一點(diǎn)就能破百了，2019年上海車展上市的寶馬M5旗艦將更加的出乎你的想象，不僅用上了昂貴的碳纖維材料還有比上代更強(qiáng)勁的動(dòng)力表現(xiàn)，是不是很狂躁，這次的首發(fā)M旗艦全名叫M5 Competition,以后的名字估計(jì)會(huì)是M5雷霆版，可以理解為M5的進(jìn)階版本，也是目前寶馬M家族里最頂端的車了。

這次的M5 Competition外觀有了比較明顯的變化，整個(gè)進(jìn)氣格柵變黑了，并且使一個(gè)連體式的進(jìn)氣格柵，和M2的設(shè)計(jì)有點(diǎn)相似，但是這次非常亮眼的是它選裝了非常昂貴的碳纖維組件，底下的擋板也采用了碳纖維，側(cè)面是比較典型的短軸M5車型，輪轂是20寸大輪轂，輪胎采用了米其林的高級(jí)運(yùn)動(dòng)輪胎。尾部也是由碳纖維組成了，并且在上方有一個(gè)黑色的小尾翼，比較個(gè)性，車標(biāo)采用了熏黑的M5設(shè)計(jì)，非常洋氣。

4.5、碳纖維前、后唇
蔚來(lái)首款量產(chǎn)車叫ES8，是一臺(tái)定位在中大型的純電動(dòng)SUV。極具未來(lái)感的前臉擁有很高的辨識(shí)度，復(fù)雜的前大燈采用的是分體式設(shè)計(jì)，加上強(qiáng)有力的性能等等，這都是該車給我們的第一印象。不過(guò)呢，面對(duì)這樣一臺(tái)純電動(dòng)車型，雖然改裝空間遠(yuǎn)不及汽油車，但仍然可以在外觀上進(jìn)行改裝。

比原車更大的輪眉同樣是屬于套件之中。并且與新樣式的后唇進(jìn)行了搭配，除了帶有擾流功能之外，前唇、輪眉、后唇均采用碳纖維材質(zhì)。更飽滿的輪轂采用的是22寸多幅式，并且在車頭和側(cè)窗處還增加了鮮明的藍(lán)色用于裝飾。而內(nèi)飾中同樣在增加了許多碳纖維飾條下，也增加了藍(lán)色作為點(diǎn)綴。

4.6、碳纖維輪眉
在上述蔚來(lái)ES8汽車中，碳纖維輪眉已經(jīng)獲得一定應(yīng)用，而在2018款奔馳G500 4×4汽車上則采用全車碳纖維輪眉。

奔馳G500 4×4前保險(xiǎn)杠采用與G級(jí)AMG車型采用了相同的設(shè)計(jì)，保險(xiǎn)杠下部增加了鍍鉻下護(hù)板，車頂增加了可拆卸的碳纖維擾流板，并在擾流板兩側(cè)融入了LED燈光系統(tǒng)。此外，由于新車輪距進(jìn)行了加寬，因此與普通版G 500相比，奔馳G5004x4概念車的四輪輪眉寬度有了明顯的增加，黑色的碳纖維輪眉也賦予了整車更為強(qiáng)悍的野性。

5、碳纖維汽車輕量化應(yīng)用問(wèn)題
目前汽車中有多種零部件使用了碳纖維復(fù)合材料（CFRP），分別有：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺(tái)、裝飾條、儀表盤、傳動(dòng)軸、特殊動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、座椅、座椅套墊、前擴(kuò)散器、尾擾流板、后擴(kuò)散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側(cè)裙、側(cè)格柵、車用箱包、導(dǎo)流罩、A柱、遮陽(yáng)罩、散熱器面罩、側(cè)護(hù)板、低位踏板、副保險(xiǎn)杠等外部和車身、內(nèi)飾和外飾配件等系統(tǒng)。但目前碳纖維在汽車中的應(yīng)用遇到了一些問(wèn)題。
5.1、價(jià)高、工藝受限，難以量產(chǎn)
碳纖維復(fù)合材料價(jià)格高，使其在汽車上應(yīng)用具有一定的難度，特別在降本壓力很大的當(dāng)前。當(dāng)然，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格高，除了碳纖維本身價(jià)格較高外，其中最大一個(gè)原因就是目前的加工方式，導(dǎo)致加工效率低，加工成本高。目前碳纖維復(fù)合材料的加工方式從玻纖復(fù)材的工藝而來(lái)，效率較低，成本較高，導(dǎo)致加工成本甚至比碳纖維原材料成本還要高，甚至高許多倍。同時(shí)加工工藝的局限，不僅成本增加，而且效率較低，難以滿足汽車行業(yè)動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)車型的需要。
5.2、缺乏復(fù)材設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及人員
汽車是一個(gè)系統(tǒng)工程，碳纖維不是簡(jiǎn)單的一個(gè)部件就可以解決的。碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用，不是人們簡(jiǎn)單想象，以為更換一個(gè)部件，改成碳纖維材料就OK了，可以減重。汽車是一個(gè)系統(tǒng)工程，簡(jiǎn)單更換一個(gè)部件，可能帶來(lái)其他問(wèn)題，包括共振、聲躁、安全等。寶馬車型的成功，就是根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的特性，對(duì)整車重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，才取得了成功。而這個(gè)設(shè)計(jì)能力，國(guó)內(nèi)廠家還比較欠缺。
5.3、大汽車廠家處于觀望態(tài)度
國(guó)內(nèi)汽車廠家雖然感到碳纖維材料在汽車上應(yīng)用的前景，也有廠家有所動(dòng)作，但步驟較慢，一方面汽車廠家不太懂碳纖維和復(fù)合材料，不熟悉加工工藝，或者說(shuō)相關(guān)工藝的技術(shù)還沒(méi)有公開(kāi)，無(wú)法通過(guò)購(gòu)買等經(jīng)濟(jì)手段獲得，投資碳纖維汽車有一定風(fēng)險(xiǎn)。另外，汽車生產(chǎn)線都投資巨大，上碳纖維汽車生產(chǎn)線，也有可能使以前的投資縮減甚至無(wú)用，因此國(guó)內(nèi)大汽車廠家步驟謹(jǐn)慎，處于觀望態(tài)度。
此外碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用涉及到維修、回收，以及保險(xiǎn)，政策等，都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
6、結(jié)束語(yǔ)
汽車輕量化已經(jīng)成為不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，而碳纖維作為汽車輕量化關(guān)鍵原料，其在汽車應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。碳纖維的特性決定其具有很好的前景，但目前的價(jià)格也決定碳纖維要用在“刀刃”，也即要體現(xiàn)碳纖維在汽車上應(yīng)用的不可替代性，同時(shí)逐步提升技術(shù)，降低成本。而要實(shí)現(xiàn)這種不可替代性，就要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。一種方式是體現(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)上的特殊性，另外就是工藝上的先進(jìn)性。這樣就可能實(shí)現(xiàn)碳纖維在汽車上功能性的不可替代性，或者綜合成本上的不可替代性。