碳纤维材料助力汽车轻量化发展

随着碳纤维的优势特性被越来越多的人所关注和了解，航空、军备、机器人制造、轻轨交通等多个领域的应用式开发蜂拥而上，使得国内碳纤维生产线建 设异常热闹。特别是在汽车制造领域，“碳纤维热”已呈燎原之势。但是，碳纤维作为新兴战略性产业中的一种重要材料，其在汽车制造领域受热捧的背后还有很多 深层含义值得我们去解读。

解读一：汽车轻量化的趋势造成了碳纤维材料的“炙手可热” 几年前，宝马在日本大量销售的采用尖端材料的EV(纯电动汽车)“i3”，其宣传口号就是“碳纤维电动”。该车使用碳纤维取代了车体材料中过去最常用的钢铁。碳纤维以仅有钢铁四分之一的重量，实现了足够的强度和耐久性。对于充电一次驾驶距离嫌短的EV等环保车，轻量化是最重要的课题。

宝马是“先天下之动而动”，随着对低碳环保新产品的社会需求越来越多，汽车行业的变革导致了纯电动环保车型的爆发式增长，不少地方除了对纯电动增加补贴之外，还在牌号限制方面对其大放绿灯，鼓励发展。国内相关政策也做出了具体要求：到2017年新能源汽车通过应用新材料实 现车身减重25%、到2020年实现车身减重30%的目标。事实上，在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动 力性，减少燃料消耗，降低排气污染的轻量化不仅是新能源车的发展方向，而是包括传统车型在内的一众汽车企业共同追求的目标。 碳 纤维复合制材在汽车轻量化中的作用非常明显，实验证明，车重每减小10%，油耗可降低6-8%，排放量可降低5-6%，0-100km/h加速性可提升 8-10%，制动距离缩短2-7m；车身轻量化后整车重心可实现下移，有效提升了汽车操纵的稳定性；碳纤维还具有极佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是钢的 6-7倍、铝的3-4倍，使车辆在运行更加安全、平稳；此外，碳纤维还具有更高的震动阻尼，可提高整车疲劳强度。基于现有的碳纤维成型工艺，可使车身开发 实现集成化，大大减少了零件的种类，减少装配难度和工作强度。不仅带来节省能源、增加续航里程，提升性能的好处，还可以全面提高车辆的舒适性、稳定性、安 全性和可靠性，从而会给汽车产业带来革命性的变化！ 解读二：起步过晚的技术已成为碳纤维应用的最大障碍 中 国的碳纤维产业技术起步晚的原因既有政治因素又有经济因素，几十年前就开始碳纤维研发的西方国家将碳纤维视为战略物资，曾对中国禁售、禁运，根本不可能转 让技术。上世纪80年代中国就曾从英国RK公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉，结果两套设备均未能正常运转。就在近几年，碳纤维的开发才算正式开始，因此， 碳纤维产业的技术基础还很薄弱，产能也难以转化为产量。目前中国碳纤维生产企业已超过40家，规划产能在7-8万吨/年。除了民营企业，中国石油、中国石 化、中国化工、中国钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入。但是在设备技术和生产规模方面的巨大差距使国内同等质量的产品价格远高于国外。例如，日 本东丽T700级碳纤维的成本与国内T300级的成本相当，成本差异如此之大，导致中国碳纤维产品缺乏市场竞争力。随着高性能纤维及复合材料市场的中心进一步向亚洲转移，中国高性能碳纤维复合材料产业前景令人期盼。

但投资火热的同时也有盲目跟风因素的存在，国内碳纤维领域著名专家——北京化工大学材料科学与工程学院副院长徐樑华教授用“成绩喜人但隐患 犹存”来概括国内该产业的发展现状。他指出，目前行业内存在技术底蕴不足、盲目跟风上项目等问题，多数产品还不具备市场竞争力，在具体的应用领域缺少专业 和系统的研发。从国家整体水平看，虽然已经掌握了许多关键技术，但由于分散在各个环节，资源得不到有效分配与整合，导致整体产业水平上不去。而高水平专业 人才的培养问题同样应该引起重视，目前高等院校里几乎没有相应的专业设置。在这种情况下，业内需要思考碳纤维产业的发展之路，并通过探讨高性能化和低成本 化解决技术难题，扩大市场应用，真正创造效益。 解读三：碳纤维加工企业必须积极应对市场需求 碳纤维复合材料主要凭借两个优势进攻汽车制造领域，一是模块化生产，碳纤维复合材料具有良好的可塑性，可加工成各种零部件，也可以制成一体 式的整体结构。对多个部件的一次性加工成型，不仅缩短了加工时间、降低了成本，并且能保证更高的精度。二是生产工艺-树脂转移模塑成型(RTM)技术的发 展应用，能大幅提高零件成型速度，将传统成型的几天时间缩短为几分钟，具有效率高、成本低、绿色环保等优点。宝马、奥迪、帝人等公司都已试验或运用了此项 技术。一些技术发展较快的碳纤维加工企业还能采用更新的成型技术使碳纤维产品达到A级表面的要求，拓展碳纤维复合材料的使用范围。 但是目前国内的碳纤维加工企业良莠不齐，大多还处于摸索阶段，在生产标准和技术研发水平上很难达到客户的理想水平，这在很大程度上局限了碳纤维产品在汽车制造领域的广泛应用。在行业内起步较早的无锡威盛新材料有 限公司的技术总监坦言：“从未来发展趋势上看，汽车制造行业对碳纤维零部件有很大需求，但是碳纤维产品的制造方必须要结合这些行业的实际需求，提升自身的 生产能力，将碳纤维技术真正融入到该领域中去，这就需要双方在产品研发上做更深层次的交流合作”。日前，该企业为国内某家汽车主机厂研发的碳纤维低速吸能 盒已进入试样阶段，此外该企业研发的阻燃增韧碳纤维材料，填补了国内此项目的技术空白，在轨道车辆的车身及车厢设施方面应用非常广泛，有效发挥了碳纤维制 品在结构减重方面的突出优势。

近日，欧洲汽车轻量化技术联盟理事、意大利APS公司合伙人、碳略新材科技 CEO宋廷瑞博士在2016第二届碳纤维及其复合材料技术与应用研讨会发表了题为《汽车碳时代，复合材料支撑汽车产业革命》的演说，再一次论证了碳纤维及 其复合材料对汽车产业的历史意义。但是在这股“碳纤维热”的背后，我们必须清醒地认识到，如果没有系统化的开发，没有足够丰富的生产经验，没有积极应对市 场需求的研发队伍是很难在短时间内将这种“热”传导到汽车制造领域，为汽车行业带来有影响性的革新力量，这也需要碳纤维生产方和客户方需要深入考虑的问 题。