鉅大LARGE | 點擊量：851次 | 2019年03月19日
碳纖維輕量化新能源汽車應用前景好嗎
近年來，隨著節能減排、綠色環保的理念日益盛行和政府相關政策的大力扶持，我國新能源汽車呈現爆發式增長，2017年，中國新能源汽車產銷均接近80萬輛，分別達到79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.8%和53.3%。中汽協數據顯示，2018年1-6月新能源汽車產銷分別完成41.3萬輛和41.2萬輛，同比增長94.9%和111.6%，上半年表現遠遠好于前幾年。
在新能源汽車高歌猛進的同時，整個行業亦面臨著新的挑戰，“里程焦慮”可謂是必須破解的頭等難關。應對之策有三：一是增加電池容量、提升能量密度；二是應用輕量化技術為汽車減重“瘦身”；三是加快充換電樁站布局、緩解充電難題。
有業內人士表示，目前在動力電池相關技術短期內難有重大突破和充換電樁站布局相對滯后等綜合因素制約下，碳纖維輕量化新能源汽車將迎來春天，且“風景這邊獨好”。
2016年1月份，全國政協副主席、科技部部長萬鋼曾對外表示，輕量化也是發展新能源汽車的一個必然趨勢。有專家表示：未來能夠顛覆汽車行業或者把汽車行業帶到更高高度的有兩件事情，一個是AI(人工智能)，第二個就是碳纖維輕量化，用碳纖維復合材料顛覆金屬材料。
碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7至9倍，最早用于特種、航天、特種等科技高精尖領域。業界公認，CFRP(碳纖維增強復合材料)是目前解決新能源汽車減重的最好方法，碳纖維的應用可使汽車減重30%~60%，被譽為“輕量化之王”，是新能源汽車“瘦身革命”的領導者，在汽車輕量化方面發揮著關鍵作用。
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那么，碳纖維輕量化新能源汽車的現狀與應用前景如何？本文嘗試分析，供業界評鑒。
一、材料革命
汽車材料產業的規律是，當一種材料壟斷已經形成，后來者就很難完全顛覆，只有等待下一次產業革新浪潮。如今，隨著新能源汽車時代的加速到來，一個全新的、充滿想象空間的汽車用材料市場機會正在開啟。碳纖維復合材料等汽車非金屬材料正迎來一個前所未有的歷史黃金期。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。碳纖維的強度高于超高強度鋼2倍以上，比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7至9倍，因為重量極輕、吸震能力優秀、舒適性高，但表面硬度不佳，當施予的外力高于其破壞強度時，會造成斷裂，也因為這個原因，碳纖維具備了在發生碰撞時強大的吸能表現。傳統的鈑金修復工作，對于碳纖維車身并不適用，發生碰撞后產生的形變部件，同樣也是以更換為主。其工藝復雜程度也無法只用“織毛衣”將其比喻，把“碳”加工成一塊適用的碳纖維板材要經過上百道復雜工藝，成本高昂。
如果以耗鋼材400kg為標準進行分析，可以得出不同材料的減重數據：高強度鋼材需要320kg，鋁合金240kg，鎂合金220kg，復合材料160kg，減重潛力分別為：10%—20%、40%、50%以及復合材料的60%。
二、各種材料車身質量對比
我國從20世紀70年代就開始研制碳纖維材料，幾乎與美國、日本同時起步，然而，目前我國碳纖維行業與美國、日本差距較大。高端產品出現時間晚，尚未開展大批量生產；低端產品又受國際碳纖維巨頭傾銷沖擊。
目前，日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數產能，并控制了高端碳纖維的生產。日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生產中最早起步，是日本碳纖維生產企業的代表。美國Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐，20世紀80年代美國研制的三叉戟II潛射特種和侏儒小型機動洲際特種都是用了Hexcel公司的IM7型碳纖維(大致相當于T800級別)。目前世界上小絲束碳纖維的主要生產商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司，美國的Hexcel公司和Cytec公司雖然產量相差較大，但技術上仍可與日本三巨頭媲美。
東麗公司研制出碳纖維前后，我國就開始獨立研制碳纖維。不過遺憾的是，從20世紀70年代中期開始經過近40年發展，我國的碳纖維產業總體研制和生產水平還還很落后，無法與美日公司在市場上正面競爭。
最直觀的例子是，日本東麗和美國Hexcel公司在20世紀80年代就研制成功T800/IM7級別的高強度碳纖維，而我國2018年才完成T1000級別碳纖維生產技術的突破，最終批量生產的質量和成本如何還有待觀察，可以說落后美日近30年。
近年來，隨著政策的持續引導和資本的不斷注入，國內碳纖維行業迎來快速發展，中國企業的努力不僅使這種差距縮小，而且大大降低了進口碳纖維的價格。工信部《石化和化學工業發展規劃(2016-2020年)》提出加快發展高性能碳纖維及復合材料，重點突破高強碳纖維低成本、連續穩定、規模化生產技術，加快高強中模、高強高模級碳纖維產業化突破。同時專項扶持基金逐漸完備?？档眯?、金發科技、和邦生物、海源機械、精功科技等上市公司或其股東集團資本不斷注入，布局碳纖維產業鏈。依托上市公司和股東集團大平臺，有利于整合資源技術優勢，提供資金保障，加快國內碳纖維行業發展。
目前，國內逐漸掌握更為先進的干噴濕紡原絲制備方法，T700級碳纖維實現穩定量產，T800級碳纖維突破技術封鎖。高性能碳纖維的自主化生產為我國碳纖維應用由低端體育休閑向高端工業市場轉變提供了基礎。國內企業重心由原先專注碳纖維生產逐漸向高附加值下游復合材料開發應用傾斜。
隨著碳纖維復合材料快速成型工藝的技術突破，使得碳纖維復合材料已經能夠滿足汽車大規模工業化生產的需要。此外，隨著碳纖維原料本身生產工藝的成熟，碳纖維的成本在這幾年也有了比較大的下降。
尤其值得關注的是，在成型技術和汽車輕量化方面，康得復合材料有限責任公司(以下簡稱“康得復材”)走在了前面。從2011年起，康得集團、康得新集團整合優質資源，打造了全球唯一的碳纖維輕量化生態平臺，成為一個為汽車碳纖維輕量化提供系統解決方案的服務提供商。在法國巴黎舉辦的JEC國際復合材料展會上，康得復材首發展出了一款全碳纖維復合材料車身，在成功解決了碳纖維復合材料白車身結構設計、精確制造及白車身裝配等難題后，實現了車身結構的模塊化設計。
2018年4月25日-5月4日，兩年一度的北京國際車展盛大舉行，國內碳纖維復合材料的領軍者，康得復合材料有限責任公司(下稱“康得復材”)攜全碳纖維車身、玻纖板簧、Surface-RTM零部件等最新研發產品盛裝亮相，展示中國汽車碳纖維復合材料輕量化的最高水平。康得復材首次帶來了產業生態鏈企業完全自主設計、開發和制造的全碳纖維車身。康得復材副總裁、首席技術官(CTO)兼康得新歐洲復合材料研發中心總經理及KDXRoding歐洲汽車設計中心聯合總經理何鵬博士稱，康得復材集中展示了過去兩年發展的成果，標志著中國已經具備了汽車復合材料輕量化設計、研發、制造及量產的能力。在康得復材的帶動下，中國汽車碳纖維復合材料輕量化實現了從0到1的重大突破。目前，康得復材在廊坊的產業基地一期產能已經全部建設完成，正在著手進行二期150萬件產能的建設，同時已經開始常州碳纖維復合材料基地600萬件產能的建設。
目前，康得復材與奔馳、寶馬、豐田、北汽、長安、蔚來等全球59家汽車企業建立了業務合作關系，產品涵蓋汽車結構件、覆蓋件、汽車裝飾件、碳纖維白車身，多個項目已進入或將進入量產階段。
2017年11月7日，廈門大學能源經濟研究中心主任林伯強向媒體表示，目前我國碳纖維發展情況還是不錯的，除了電動汽車外，碳纖維還能運用在其他的領域，此外，我國碳纖維的發展與國外的差距正在逐漸縮小。
有專家指出，2016年碳纖維在全球范圍的應用中汽車業占比12%，其中中國是3%，預計2020年全球碳纖維需求量將達13萬噸，2020年國內需求量將達到2.9萬噸，進口替代需求迫切。
隨著汽車和民用特種碳纖維輕量化市場的啟動，中國將成為全球最大的碳纖維市場。碳纖維的進一步國產化、規?；?，將成為支持我國高端工業發展的關鍵因素之一。
三、應用現狀
相關調研發現，跨國車企在碳纖維車用領域的研發和應用布局已經遠遠走在前列。
1.國外企業
1）GMCorvette
碳纖維應用于汽車材料的歷史最早可以追溯到1953年，世界第1臺纖維增強復合材料汽車——GMCorvette制造成功。
2）美國通用汽車公司
美國通用汽車公司1992年展出了由碳纖維復合材料制造車身的超輕概念車，車身質量為191.0kg，整車質量降低68%，節油40%。
通用GMCorvetteStingray概念車
3）蘭博基尼
蘭博基尼汽車2011年推出了Murciélago替代車型，該車采用了全碳纖維復合材料單殼體車身，質量僅有145.5kg。
4）寶馬集團
寶馬集團憑借十多年的深入研究以及工藝、材料、設備和工具的優化，以及在量產車中使用碳纖維增強復合材料(CFRP)積累的經驗，成為目前唯一掌握在大規模生產中使用碳纖維增強復合材料(CFRP)科技的汽車制造商，車用碳纖維的年產能將達到9000噸，在這一領域具有絕對優勢。2011年，BMW正式發布出行新紀元的BMWi子品牌，車身使用輕重量、高強度的碳纖維增強復合材料制造，預示著豪華汽車將進入“碳纖維”時代。裝備碳纖維復材車身的寶馬i3成功商業化，開啟了碳纖維汽車輕量化應用大門。其全碳纖維承載式車身總重只有112.2公斤。號稱“寶馬有史以來技術最先進的車型”的寶馬i系將再引領業界汽車發展的潮流。其車型的4門兩蓋也都是復材(外板-工程塑料，內加強板-玻纖碳纖增強)材料制成。目前，碳纖維復合材料制成的車身結構件已在德國寶馬公司開發的Z-9和Z-22系列中大量采用。預測今后寶馬在CFRP(碳纖維增強復合材料)的應用方面會繼續領先。
寶馬以外的歐洲各大汽車廠商也將陸續在每年2萬~5萬輛生產規模的量產車上采用CFRP。德國大眾汽車公司的“2L車”CC1研究項目，碳纖維復合材料用于車身的比例高達45%。通用汽車公司采用碳纖維復合材料制成的Chevrolet。CorvetteZ06紀念版轎車的發動機罩蓋，質量僅9.3kg。福特和保時捷的發動機罩也全部采用了碳纖維復合材料，在安全性不降低的前提下獲得了極高的輕量化效果。
毫無疑問，碳纖維快速成型工藝的突破、原料成本的下降、新能源汽車車身經量化的迫切需求，三個因素共同推動全球新能源汽車碳纖維車身輕量化應用進入快速增長的階段。
各大汽車企業紛紛與碳纖維巨頭合作，布局碳纖維輕量化業務。2015年全球碳纖維汽車市場需求量約8700噸，預計未來幾年，年均增速21%，到2020年需求量將超過2萬噸，將成為增長最快和需求最大的領域之一。
2.國內企業
與國外巨頭相比，國內車企在碳纖維領域的應用尚處在初期研發、小規模應用的階段，原因在于：目前，碳纖維復合材料成本高昂、批量化制造工藝和裝備缺乏等因素嚴重制約了其在汽車領域的大規模應用。但仍有為數漸多的國內新能源汽車企業和碳纖維復合材料企業正加速在車用碳纖維材料領域的布局。
1）奇瑞汽車
2014年，奇瑞汽車率先在北京市場推出了新能源汽車，這是一款由奇瑞和中國科學院聯合打造的新能源汽車產品，由碳纖維復合材料構成的車型非常的流暢與人性化。
2)北汽與康得集團
北汽與康得集團一直有深度戰略合作：北汽的純電動汽車ARCFOX-1，其車體的上車體為康得復材設計開發的國內首創的整體成型碳纖維復合材料上車體；BJ80SUV則采用了碳纖維前機蓋，開創了國內汽車碳纖維輕量化部件大批量應用的先河。2017年4月，康得復材與北汽集團簽訂中國首個碳纖維部件量產訂單。
3)觀致汽車
2017年4月19日，觀致汽車舉辦盛大的新車發布會，隆重推出全碳纖維車身的MODELK-EV超級電動車，其碳纖維結構車身將于2018年由康得復材批量生產。同一天，蔚來汽車展出了一輛全碳纖維車身結構的智能純電動超級跑車---EP9。這款超級電動跑車0-200km/h加速時間7.1s，極速313km/h，之所以具有極佳的性能，全碳纖維的輕量化車身為其提供了關鍵的基礎。
4)艾康尼克(ICONIQ)
艾康尼克(ICONIQ)是2014年在中國天津成立的一家新能源汽車制造公司。2017年4月16日，艾康尼克旗下第一款車型ICONIQSEVEN正式亮相，新車定位于高端電動MPV車型，共推出共推三款車型，分別為VIP、尊貴版、入門版，預計將于2019年實現首批交付。ICONIQSeven的車身由碳纖維打造，比同級別車型輕20%以上，搭配其采用的高效節能電汽系統，可以讓ICONIQSeven更為輕便的同時速度也更快，還能大幅度提升其續航里程。它采用了最大功率為165kW的電動機，最大續航里程為400km，在其量產后續航能力可能會有一定的提升。
5）蔚來汽車與康得集團
2017年6月，蔚來汽車與康得集團簽署了價值10多億元的智能電動汽車碳纖維部件量產定點采購協議。
6）前途汽車
2018年6月30日，前途汽車首款量產車——前途K50在前途汽車蘇州生產基地正式量產下線。前途K50最值得關注的，是它的車身材質：車殼材質全部采用碳纖維材料，29個碳纖維復合材料零部件總重量僅為46.7kg，比使用傳統鋼板材料減重40%以上，比使用鋁合金材料減重20%以上，并且采用免噴漆的覆膜技術，將整車重量盡可能降至最低；同時底盤部分采用全鋁材質，全鋁合金框架式車身僅重243kg，比使用傳統鈑金鋼制車身減重約38%，進一步降低車重。自創立之初，前途汽車便致力于自主打造完整的新能源造車體系，目前其也已掌握三大核心技術：整車控制管理系統(VCU)、可再充電能量儲存系統(RESS)、新材料和輕量化技術，使用戶可充分體驗到電動汽車所帶來的駕駛樂趣。截止6月20日，共提交專利申請1190項，其中415項已獲得授權。前途汽車研究院副院長、總經理熊飛表示，對于新造車勢力而言，碳纖維是一個比較好的替代方案，前途汽車沒有涂裝，寶馬i3也沒有涂裝，只有焊裝和總裝。
而作為碳纖維汽車輕量化解決方案領域最重要的供應商之一，康得復材、康得新已為北汽集團、蔚來、上汽集團、長安汽車、吉利汽車、長城汽車、威馬汽車等多家車企提供服務。
四、未來已來
近年來，新能源車成為全球汽車工業發展大趨勢。工信部部長苗圩曾在“2017中國電動汽車百人會論壇”上表示，工信部牽頭編制了《汽車產業中長期發展規劃》，明確了到2020年我國新能源汽車年產量將達到200萬輛，2025年會達到600萬輛以及到2025年我國新能源汽車銷量占總銷量的比例達到20%以上的發展目標。
縱覽當前新能源汽車產業的發展情況，可以發現，碳纖維復合材料(CFRP)在新能源汽車中的廣泛運用是一種必然結果，也是新能源汽車企業進行汽車生產與制造的必然選擇。據測算，在同樣續航里程條件下，電動汽車的重量比傳統汽車要超過200~300kg甚至更多。因此為保證電動汽車有較好續航里程和可承受的成本，電動汽車的車身重量須減重50%以上。在所有輕量化材料中，CFRP是唯一能將鋼質零部件減重50~60%，卻能夠提供同等強度的先進材料。
目前，中國新能源電動車實現全球引領的時代已經到來，中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》規定，2026年至2030年的第三階段，實現整車比2015年減重35%，重點發展鎂合金和碳纖維復合材料技術，實現碳纖維復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用，碳纖維使用量占車重達到5%。可以斷定，伴隨著2020年汽車減重10%，2025年減重20%，2030年減重達到30%目標的臨近，碳纖維復合材料(CFRP)在新能源汽車行業中的運用范圍與運用比例將會有很大程度上的提升，這一切將使中國成為全球最大的碳纖維輕量化新能源汽車市場，引領全球碳纖維產業的未來。
而新能源汽車碳纖維輕量化的全新時代也將由此到來。
