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装逼的利器,碳纤维离我们还有多远?

79576人已浏览 时间 : 2017-10-30 17:00:21

导语:在性能圈有这样一句话:“多10匹马力不如少10公斤”,强劲动力并不代表一切,车身轻量化也是性能车的极致追求。而碳纤维复合材料(CFRP)以其极高的强度、稳定的化学性能而备受推崇,高性能车型没点碳纤维点缀都感觉拿不出手。碳纤维是好,但成本太高,阻碍了其大规模应用,目前仅在赛车、高端跑车和高端车型部分应用。在日益严厉的…

在性能圈有这样一句话:“多10匹马力不如少10公斤”,强劲动力并不代表一切,车身轻量化也是性能车的极致追求。而碳纤维复合材料(CFRP)以其极高的强度、稳定的化学性能而备受推崇,高性能车型没点碳纤维点缀都感觉拿不出手。



碳纤维是好,但成本太高,阻碍了其大规模应用,目前仅在赛车、高端跑车和高端车型部分应用。在日益严厉的燃油效率和二氧化碳排放法规下,车身轻量化已成为降低油耗、降低排放的重要手段。据研究显示,车重降低10%,燃油效率可提高6-8%,即车重每降低100公斤,百公里降低0.3-0.6L。

碳纤维在汽车轻量化应用中的巨大潜力,使其成为车企应对耗油排放挑战的机具前景的材料选项。那么,随着需求的不断变化和环保法规的日益严厉,碳纤维复合材料的应用会引起下一次汽车材料市场的革新浪潮?

目前汽车轻量化主要有两种途径,一是优化结构设计,对车身的结构及骨架进行优化以达到减重目的,二是通过轻质高强材料替换传统材料。自1953年世界上第一台采用纤维增强复合材料汽车——GM Corvette诞生后,复合材料也正式在汽车行业领域登上历史舞台。

1979年,福特首先发表了用CFRP制作的轻量型试验车,该车主要将碳纤维复合材料应用于车体面板、传动轴和板弹簧等功能性零件,同时还尝试在发动机机体、连杆和活塞等零部应用。试验车共使用300Kg左右碳纤维复合材料,燃油排放有效降低35%。同时,其弹性模量是玻璃钢的4-9倍,是金属材料的3-4倍。


1992年诞生的迈凯伦F1是当时地表最快的量产车,首次使用CFRP制作车身正是称王的秘密武器。碳纤维符合材料生产技术难度大,价格高,更多应用在超级跑车、F1赛车上,但优良的性能特点使其成为公认的符合未来发展趋势的汽车材料。

宝马对碳纤维的关注和投入非常高,早在2009年宝马便和德国西格里集团共同成立新公司,专门生产汽车工业的碳纤维和碳纤维织物。从新一代宝马7系开始,宝马的主要产品构架中将采用碳纤维材料,钢铁不再是车辆韧性的衡量指标。而伴随着宝马i8和i3两款车的投产,标志这宝马已成为目前唯一掌握车用碳纤维复合材料大批量生产和制造技术的车企。

这是有史以来第一次量产车型大规模应用CFRP打造车身,也证明碳纤维拥有成本大幅度下降的可能。以往的碳纤维形成,需要漫长的环氧树脂预浸泡过程,占用大量时间和人力。而宝马通过优化一项高压喷注环氧树脂的技术,往模具内的碳纤维喷射高压环氧树脂,使其在压力下快速渗透到纤维丝里面。这项技术将会令碳纤维的生产成本降低至目前的10%或更低。

宝马正式将CFRP带入汽车主流材料之中,其他汽车厂商也在往CFRP发力。丰田与东丽合作研发的碳纤维增强热塑性复合材料,制造了燃料电池反应堆框架,并应用于丰田燃料电池汽车Mirai中,这是第一次将碳纤维增强热塑性复合材料用于汽车结构件而大批量生产的汽车。


2015年东京车展上,雅马哈推出车重仅750kg的全新概念跑车Sports Ride Concept,超轻的车身得益于iStream CFRP底盘。iStream是戈登穆雷开发的一套生产体系,大量利用碳纤维材料,并极大降低生产成本,不仅包含轻型但高强度的底盘,而且通过不同符合面板组合到基本框架上,改底盘可诞生多种车身风格,成为入门跑车爱好者的福音。今年的东京车展,雅马哈将推出Sports Ride Concept的延续车型。]



此外,大众、奔驰、PSA等多家车企也在开发车用碳纤维复合材料,应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。

碳纤维复合材料以其独特的性能被广泛应用于汽车工业中,也被视为今后汽车新材料的发展趋势,但在应用和推广阶段依旧面临许多挑战,而这些挑战都与“每个部件的成本”相关联。

降低碳纤维生产成本。与钢和铝部件相比,高昂的碳纤维价格是限制其在许多应用中发挥优势的主要原因。目前市面上碳纤维每公斤价格在120元以上,是玻璃纤维10倍以上。此外,与碳纤维配套的环氧类树脂价格也高居不下。

提高生产效率。目前大多数用于碳纤维复合材料部件的生产工艺都较慢,通常需要花费较长时间。通过提高自动化、模拟仿真和快速的生产节奏,以此来降低制造成本。譬如宝马采用高压RTM工艺生产碳纤维复合材料车身,生产周期能达到10分钟左右。


优化回收。碳纤维在生产过程中有超过30%的浪费,远高于其他行业的废料比;而且随着CFRP逐渐在主流汽车中得到应用,回收问题就显得迫在眉睫。过去回收技术通常使用高温回收技术或者化学品进行研磨或者分解,但难以实现安全处理,而且碳纤维在该过程可能被损坏。所以一套成本效益高的碳纤维回收方案,可以降低成本,增强可持续发展动力。

开发专门维修技术。汽车在使用过程中难免会遇到修复问题,对于传统金属材料而言,维修人员已经轻门熟路,但碳纤维复合材料的修复工艺与传统材料还是存在较大差异。只有开发出修复专用材料,和一套使用方便、容易操作的修复技术,CFRP才能被大批量的汽车平台广泛接受。



CAFE的出台促使各大车企在汽车轻量化技术领域加大研发投入,使碳纤维复合材料发展迎来新的发展。碳纤维复合材料能否成为未来汽车材料领域巨头,这个还需要时间来验证,但目前来看,碳纤维技术在不断发展,成本逐步降低的同时,生产效率也在不断提高,如此看来,这将是个大概率事件。


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