&

兩種最有前景的汽車輕量化材料！

2018-08-06 12:23:14 作者：汽車工藝師來(lái)源：戰(zhàn)略前沿技術(shù) 分享至：

01 碳纖復(fù)合材料有望成為汽車結(jié)構(gòu)件輕量化材料主線

（1）碳纖維復(fù)合材料汽車輕量化

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用將成未來(lái)車身結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑。碳纖維復(fù)合材料之前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的50%。伴隨航空技術(shù)向乘用車領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，碳纖維復(fù)合材料在很多特性上超越傳統(tǒng)材料，將成為汽車車身機(jī)構(gòu)輕量化中材料的主要方向。

在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、抗沖擊和耐腐蝕等優(yōu)異特點(diǎn)。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的車身重量是鋁合金等材料減重的2倍；同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料比重不到鋼的1/ 5但比強(qiáng)度卻是鋼的8倍，但擁有比金屬材料高5倍的能量吸收能力使其具有優(yōu)越的安全性能。用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)取代目前的鋼體車身，可大幅減重高達(dá)60%，進(jìn)而提高30%以上的燃油效率，新能源汽車上能平衡多裝電池所帶來(lái)的重量。

汽車材料屬性對(duì)比

德國(guó)引領(lǐng)世界汽車碳纖維材料發(fā)展。由于歐洲在能耗和排放的政策上越發(fā)嚴(yán)格，使得汽車減重減排成為必然趨勢(shì)；并且，德國(guó)是目前豪華品牌車型最多的國(guó)家，新材料、新技術(shù)對(duì)于高端車型也會(huì)有著科技豪華感的加持作用，所以德國(guó)以為代表的車企對(duì)于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是寶馬在碳纖維車身方面都處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

2015年德國(guó)新生產(chǎn)汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達(dá)25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國(guó)家，到2020年新材料的使用趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)上漲，將達(dá)到35%左右；同時(shí)，進(jìn)一步降低低碳鋼在汽車車身中的使用比例至原來(lái)的一半20%，提升高強(qiáng)鋼的占比至45%。

德系：汽車車身不同材料組成占比

寶馬新能源汽車引領(lǐng)全碳纖維車身發(fā)展大潮。寶馬新能源電動(dòng)車i3與i8整備質(zhì)量1224kg與1540kg，明顯領(lǐng)先雪佛蘭Volt、比亞迪e6、Tesla Mode S與Model X。寶馬i3與i8的超輕體重的核心技術(shù)就是大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）。

寶馬i3上，寶馬采用創(chuàng)新的LifeDrive模塊構(gòu)架，將車體分成Life和Drive兩個(gè)部分。車身不再負(fù)責(zé)傳遞承載的重任，這樣代表Life部分的乘坐模塊就有了更大的發(fā)揮空間，正好給寶馬i3的減重提供了機(jī)會(huì)：Life模塊采用的正是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFPR構(gòu)成。通過(guò)大量使用CFRP，寶馬i3減輕了300kg，在很大程度上彌補(bǔ)了電池帶來(lái)的重量，這也是寶馬i3比別的電動(dòng)汽車輕很多的原因。

新能源車型質(zhì)量對(duì)比（kg）

碳纖維復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)給汽車帶來(lái)的好處不僅僅是減重。

安全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復(fù)合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進(jìn)一步保證了汽車的安全性。

舒適度。碳纖維復(fù)合材料具有更高的震動(dòng)阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動(dòng)，碳纖維復(fù)合材料2秒就能停止，故碳纖維應(yīng)用在汽車上，對(duì)于整車NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）的提升貢獻(xiàn)同樣很大，會(huì)大幅增強(qiáng)汽車行駛的舒適性。

可靠性。碳纖維復(fù)合材料具有更高的疲勞強(qiáng)度，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維復(fù)合材料可達(dá)70-80%，因此汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料對(duì)于材料疲勞可靠性有較大提升。

（2）碳纖維復(fù)合材料總裝環(huán)節(jié)少，規(guī)模化應(yīng)用具備產(chǎn)業(yè)可行性

碳纖維復(fù)合材料價(jià)格高和加工效率低是阻礙碳纖維復(fù)合材料大規(guī)模使用的主要因素。使用碳纖維復(fù)合材料的成本達(dá)到20美元/kg，鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車全屬零件采用沖壓制成，一般需要1分鐘內(nèi)即可完成，而碳纖維復(fù)合材料制品生產(chǎn)的編織、注膠和冷卻工序需要數(shù)小時(shí)，這也制約碳纖維材料的大規(guī)模量產(chǎn)。

汽車輕量化材料成本（美金/kg）

碳纖維復(fù)合材料未來(lái)空間巨大。2020年之后，碳纖維復(fù)合材料的成本在將降至70元/kg，生產(chǎn)效率也大幅提升至2分鐘出一件，良品率也將大幅提升至95%； 2013年以來(lái)我國(guó)汽車產(chǎn)量保持在2300萬(wàn)輛以上每年。市場(chǎng)空間測(cè)算假設(shè)：

假設(shè)2020年汽車產(chǎn)量將在2300萬(wàn)輛每年，同時(shí)假設(shè)每輛車平均車重約為1500KG，預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)滲透率達(dá)2%；同時(shí)，假設(shè)碳纖維復(fù)合材每千克成本為70元。測(cè)算2020年之后，汽車碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)空間達(dá)483億元。

碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)空間測(cè)算

目前國(guó)內(nèi)碳纖維汽車輕量化處于起步階段，主要碳纖維汽車零件廠商為海源機(jī)械和康得新；海源機(jī)械的復(fù)合材料液壓成型技術(shù)主要為自己開發(fā)，而康德新的復(fù)合材料成型技術(shù)主要依靠德國(guó)技術(shù)導(dǎo)入，海源機(jī)械擁有顯著技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)，有望率先啟動(dòng)規(guī)模效應(yīng)。

02 玻纖維復(fù)合材料將成汽車非結(jié)構(gòu)件輕量化主線

玻纖復(fù)合材料是改性增強(qiáng)塑料，是指在塑料中增加材料來(lái)玻璃纖維來(lái)提升力學(xué)性能，適合在汽車領(lǐng)域中對(duì)于部分金屬部件進(jìn)行替代。玻纖維復(fù)合材料具有密度小、易成型、設(shè)計(jì)靈活美觀、耐腐蝕、耐沖擊、抗振、隔熱、隔電、易于涂裝、強(qiáng)度高、成本低的特點(diǎn)，成為廣泛用于汽車內(nèi)外裝飾件和功能結(jié)構(gòu)件的主要材料。

（1）玻纖維材料在汽車零件中的使用

在整車制造中改性增強(qiáng)塑料占整車重量的9%；玻纖維增強(qiáng)塑料制造的前翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、尾板等在汽車車身上已普遍應(yīng)用；在座椅骨架、保險(xiǎn)杠、電池托架、儀表板、地板、護(hù)板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、腳踏板、后背門等部件上得到運(yùn)用。

汽車整車中各種材料占比

資料來(lái)源：公開資料整理

玻纖維復(fù)合材料較碳纖維價(jià)格便宜很多，但玻纖維較脆受到?jīng)_擊易斷裂，并且強(qiáng)度達(dá)不到碳纖維那么高，受熱較碳纖維變形程度較大，所以玻纖維更適合制成汽車非結(jié)構(gòu)件、裝飾件，而碳纖維運(yùn)用在車身結(jié)構(gòu)件中較多。

（2）長(zhǎng)玻纖復(fù)合材料將替代短波纖維，國(guó)外整機(jī)廠已廣泛使用

長(zhǎng)玻纖復(fù)合材料強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)明顯。在汽車玻纖復(fù)合材料玻纖增強(qiáng)材料根據(jù)塑料粒子的長(zhǎng)度和玻纖維的長(zhǎng)度可分為短玻纖增強(qiáng)塑料SFT和長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料LFT，短玻纖離子長(zhǎng)度為0.2-0.4mm，長(zhǎng)玻纖長(zhǎng)度更長(zhǎng)為2-4mm、排列更規(guī)律，所以具有更強(qiáng)的強(qiáng)度、剛度。

長(zhǎng)玻纖與短玻纖復(fù)合材料對(duì)比

長(zhǎng)玻纖材料汽車部件已被廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料已被福特、大眾等知名國(guó)外汽車生產(chǎn)商廣泛用于生產(chǎn)汽車前端模塊、車門模塊、電池托架、儀表盤、保險(xiǎn)杠梁、噪音屏蔽等汽車零部件；國(guó)內(nèi)自主品牌例如長(zhǎng)城、上汽、吉利、奇瑞、長(zhǎng)安等乘用車近年也逐步開始涉及玻纖復(fù)合材料輕量化領(lǐng)域，部分企業(yè)以開始量產(chǎn)并應(yīng)用。

我國(guó)玻纖維復(fù)合材料未來(lái)有提升空間。我國(guó)改性塑料市場(chǎng)， 2016年改性塑料使用量最高的是德系車，其改性塑料的使用率達(dá)到22%為300-360kg，歐美國(guó)家的平均水平達(dá)16%為210-260kg，我國(guó)乘用車單車的改性塑料使用率只有8%為100-130kg，未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有較大提升空間。市場(chǎng)空間測(cè)算與假設(shè)：

假設(shè)我國(guó)改性塑料單車使用量將達(dá)到16%，按照整車質(zhì)量1500kg計(jì)算達(dá)到240kg。2013年以來(lái)我國(guó)汽車產(chǎn)量保持在2300萬(wàn)輛以上每年，預(yù)計(jì)2020年汽車產(chǎn)量將在2300萬(wàn)輛每年；同時(shí)，改性塑料市場(chǎng)均價(jià)約為1.8萬(wàn)元/噸；假設(shè)玻纖維材料在改性塑料中占比50%。測(cè)算2020年，玻纖維復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域市場(chǎng)空間達(dá)496.8億元。

2020年玻纖維復(fù)合材料汽車輕量化市場(chǎng)空間測(cè)算