碳纖維材料由于成本因素導(dǎo)致其很難進(jìn)入主流汽車市場(chǎng)。近日，某知名咨詢調(diào)研機(jī)構(gòu)發(fā)布最新報(bào)告稱，隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，到2025年，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）將有望成為全球汽車市場(chǎng)的主流配置。
據(jù)悉，2023年CFRP的市場(chǎng)估值預(yù)計(jì)將達(dá)到80億美元。一旦價(jià)格成本大幅下降，這種新型復(fù)合材料勢(shì)必會(huì)在主流汽車市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟，未來(lái)發(fā)展?jié)摿缀醪豢晒懒俊?/div>
按照目前趨勢(shì)來(lái)看，今后5年CFRP會(huì)大量出現(xiàn)在一些主流汽車品牌的長(zhǎng)青車型上，而處于整個(gè)價(jià)值鏈上的公司都應(yīng)該找準(zhǔn)自己的位置，以便在接下來(lái)的車身材料“變革”中獲利。不過(guò)，從城市化、車聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展大趨勢(shì)來(lái)看，碳纖維要主宰整個(gè)汽車市場(chǎng)，還需假以時(shí)日。
此外，CFRP的研究人員需要加快創(chuàng)新的步伐以降低碳纖維材料高昂的使用成本，這也是為什么這種材料目前僅限在航空業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兌紝儆趦r(jià)格不敏感領(lǐng)域，但在競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)，顯然一切都得“錙銖必較”。
換句話說(shuō)，對(duì)生產(chǎn)碳纖維材料的供應(yīng)商來(lái)講，必須在商機(jī)來(lái)臨時(shí)做好準(zhǔn)備。一旦主流汽車市場(chǎng)轉(zhuǎn)型，對(duì)以CFRP為主的高性能材料的市場(chǎng)需求勢(shì)必會(huì)大幅上漲。
02 CFRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)測(cè)
富士經(jīng)濟(jì)調(diào)查了碳纖維復(fù)合材料和相關(guān)零件、裝置等11個(gè)品種的世界市場(chǎng)，按汽車和飛機(jī)等用途分析了其動(dòng)向，并總結(jié)了報(bào)告書(shū)《碳纖維復(fù)合材料（CFRP/CFRTP）相關(guān)技術(shù)、用途市場(chǎng)展望》。
PAN基碳纖維復(fù)合材料（成形加工品）由于碳纖維所具有的輕量、高強(qiáng)度等基本特性的高度，在汽車、飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片等各種用途中擴(kuò)大了采用。
PAN基碳纖維復(fù)合材料（成形加工品）分為熱固性樹(shù)脂的CFRP（浸漬有熱塑性樹(shù)脂的CFRTP。預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至250億美元。
目前CFRP市場(chǎng)主要用于飛機(jī)和風(fēng)力發(fā)電葉片。特別是材料單價(jià)高的飛機(jī)用途占據(jù)了市場(chǎng)的過(guò)半。預(yù)計(jì)到2025年汽車用途、壓力容器用途將大幅度增加，以數(shù)量為基礎(chǔ)，將成長(zhǎng)為與飛機(jī)和風(fēng)力發(fā)電葉片相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。
CFRTP的靜電部件、滑動(dòng)部件用途的增長(zhǎng)帶動(dòng)了市場(chǎng)的擴(kuò)大。2020年以后，由于LFT-D和連續(xù)纖維的熱壓成形等的采用擴(kuò)大，汽車用途大幅增加，預(yù)計(jì)2025年在數(shù)量上超過(guò)靜電部件、滑動(dòng)部件用途成為最大用途。
將樹(shù)脂浸漬在碳纖維中的中間基材分為在連續(xù)纖維中浸漬熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂的預(yù)浸料/層壓材料和將作為非連續(xù)纖維的短纖維/長(zhǎng)纖維與熱塑性樹(shù)脂復(fù)合而成的顆粒。
在碳纖維的世界市場(chǎng)中，在CFRP中，PAN基碳纖維的用途平均含有55%左右。CFRTP主要采用短纖維/長(zhǎng)纖維作為填料，因此目前面向CFRP的占市場(chǎng)的90%，但預(yù)計(jì)2025年以后，在汽車用途中開(kāi)始采用連續(xù)纖維， CFRTP的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大。
圖1 CFRP車頂
在備受關(guān)注的汽車領(lǐng)域上，為了應(yīng)對(duì)汽車的油耗限制，作為輕量化材料，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將以歐洲為中心進(jìn)一步擴(kuò)大，特別是在電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力車及皮卡卡車和高級(jí)轎車等市場(chǎng)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將快速增加。CFRP今后隨著RTM成形和SMC成形等技術(shù)改良的推進(jìn)，市場(chǎng)有望擴(kuò)大。
CFRTP能夠比目前的注塑成型提高強(qiáng)度的LFT-D成型將在歐洲得到實(shí)用化，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)零件用途將增加。此外，預(yù)計(jì)到2025年連續(xù)纖維層壓CFRTP的骨架、結(jié)構(gòu)部件用途將增加，并逐漸取代CFRP。
03 豐田普銳斯PHV混動(dòng)汽車
豐田在其新款插電式混合動(dòng)力車"普銳斯PHV"尾門內(nèi)側(cè)的骨架部分采用了碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。通過(guò)由現(xiàn)行款的鋁合金變更為RTM（樹(shù)脂傳遞模塑）成刑的CFRP，將尾門質(zhì)量減輕了3kg。
圖2 豐田普銳斯PHV混動(dòng)汽車CFRP尾門
圖3 豐田普銳斯PHV混動(dòng)汽車CFRP尾門
新款普銳斯PHV與舊款相比，后懸掛加長(zhǎng)80mm。這樣不但確保了配備現(xiàn)行款2倍容量（8.8kWh）的鋰離子電池的空間，還確保了可放進(jìn)兩個(gè)高爾夫球袋的行李艙容量。
如果尾門材料依然采用鋁合金，車輛后部會(huì)變重，因此新一代車型將材料改為RTM（樹(shù)脂傳遞模塑）成型的CFRP。片狀中間材料是從其他樹(shù)脂廠商處采購(gòu)的，RTM成型由豐田完成。
通過(guò)采用CFRP，與利用鋁合金制造相同形狀的產(chǎn)品時(shí)相比，尾門重量可減輕3kg。不過(guò)，新款車加長(zhǎng)了后懸掛，因此尾門的形狀比現(xiàn)行款要大，所以實(shí)際重量與現(xiàn)行款的尾門基本相同。
04 三菱化學(xué)碳纖維復(fù)合材料SMC片材
三菱化學(xué)碳纖維復(fù)合材料SMC片材用于豐田雷克薩斯新款轎跑內(nèi)板。
三菱化學(xué)旗下的碳纖維復(fù)合材料SMC材料被豐田公司選中，用在2017年3月最新發(fā)布的新型雷克薩斯豪華轎跑LC500和LC500h上，用于車門內(nèi)板和后備箱內(nèi)板的生產(chǎn)。
由三菱化學(xué)開(kāi)發(fā)的SMC片材是一種CFRP中間材料，是將碳纖維切成數(shù)厘米長(zhǎng)之后浸于樹(shù)脂中得來(lái)。SMC經(jīng)過(guò)快速加工（通常在2-5分鐘）之后，通過(guò)模壓工藝可以獲得生產(chǎn)所需的零部件。與預(yù)浸料成型工藝相比，SMC工藝具備復(fù)雜部件的成型優(yōu)勢(shì)，從而賦予了工程師更加靈活的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。
圖4 豐田雷克薩斯中CFRP部件
此次，三菱化學(xué)的SMC片材能夠獲得豐田的青睞，得益于下列幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，包括實(shí)現(xiàn)了大幅減重、性能的大幅提升，復(fù)雜部件生產(chǎn)能力的顯著提高。此次采用三菱化學(xué)的SMC片材，是豐田公司的第二次嘗試。三菱化學(xué)方面表示，今后還將繼續(xù)推廣旗下碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖5豐田雷克薩斯中CFRP部件
05 CFRP發(fā)動(dòng)機(jī)罩及油盤(pán)
德國(guó)的化學(xué)公司BASF，作為美國(guó)能源部（DOE）的多材料輕量車體（MMLV）實(shí)證試驗(yàn)事業(yè)的一環(huán)，與福特、蒙塔普拉斯合作，開(kāi)發(fā)了使用與汽車車體輕量化相關(guān)的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的前部發(fā)動(dòng)機(jī)罩及結(jié)構(gòu)用油盤(pán)。
圖6 CFRP發(fā)動(dòng)機(jī)罩
BASF將以前用鋁鑄件制的福特增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的前發(fā)動(dòng)機(jī)罩和結(jié)構(gòu)用油盤(pán)，換成用長(zhǎng)碳纖維（LCF）聚酰胺復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)約1.8kg的輕量化，其中發(fā)動(dòng)機(jī)罩的重量減輕了23%、結(jié)構(gòu)用油盤(pán)的33%的重量。
BASF公司（美國(guó)）的營(yíng)銷經(jīng)理斯科特·施利克說(shuō)，關(guān)于這次的試制開(kāi)發(fā)，“在處理像碳纖維一樣的最新復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，看到了有關(guān)設(shè)計(jì)和加工的新技術(shù)課題”。同時(shí)他還補(bǔ)充說(shuō)：“為了解決現(xiàn)在和將來(lái)的課題，我們致力于很多新的輕量素材和輕量化技術(shù)。通過(guò)與福特的合作，我們推動(dòng)了這些解決方案的前進(jìn)。”
BASF與聯(lián)合團(tuán)隊(duì)緊密合作，實(shí)施了有限元分析（FEA），在性能和重量?jī)煞矫鎸?duì)零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。并且，BASF開(kāi)發(fā)了新的LCFPA66熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料Ultramid（r）XA-3370，成功地解決了了機(jī)械特性和加工性的最佳平衡。同時(shí)，為了保持試制零件的成形品質(zhì)，也進(jìn)行了加工及機(jī)械設(shè)備的支持。
06 CFRP輪轂
Rapiit株式會(huì)社的熱塑性碳纖維復(fù)合材料（CFRTP）輪轂與同尺寸的鋁制輪轂相比，可以實(shí)現(xiàn)46%的輕量化。由于CFRTP能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間內(nèi)低成本成形，因此各公司都在積極進(jìn)行研發(fā)?，F(xiàn)在多用于齒輪等滑動(dòng)部件、自動(dòng)售票機(jī)、IC托盤(pán)等靜電部件，預(yù)計(jì)2025年以后，CFRTP將在量產(chǎn)車上大規(guī)模得到應(yīng)用。
如果比鋁合金輪轂的重量減輕一半的話，每輛車安裝4個(gè)，將對(duì)汽車輕量化有很大的貢獻(xiàn)。此外，由于輪轂的輕量化，減輕了彈簧下的重量，從而改善了輪胎對(duì)路面的追隨性，對(duì)加速性能和油耗等也會(huì)帶來(lái)積極的效果。在此基礎(chǔ)上，在制造成本上能改善的話，其應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大。
對(duì)于CFRP輪轂來(lái)說(shuō)，輪輞部分和輻條部分所要求的強(qiáng)度不同。因此，日立金屬公司正在摸索根據(jù)不同部位的需求改變素材等方法，采用了鋁合金和碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的融合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和輕量化的兼顧。
圖7 Rapiit公司CFRP輪轂
當(dāng)問(wèn)到Rapiit公司和日立金屬公司關(guān)于產(chǎn)品化的目標(biāo)時(shí)，回答是2025年。如果實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，目前僅限于保時(shí)捷等部分高級(jí)跑車的CFRP輪轂，在不久的將來(lái)會(huì)廣泛應(yīng)用到量產(chǎn)車中。
圖8 日立金屬公司的鋁合金/CFRP輪轂
07 結(jié)束語(yǔ)
隨著各國(guó)能源政策的緊縮以及對(duì)碳排放益愈嚴(yán)苛的控制,汽車行業(yè)對(duì)輕量化碳纖維復(fù)合材料的興趣也水漲船高。但受制于高昂的使用成本和較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，碳纖維復(fù)合材料的使用目前僅局限于少量高端豪車領(lǐng)域。近年來(lái),受益于生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,逐漸開(kāi)始有汽車生產(chǎn)商愿意嘗試將其應(yīng)用到量產(chǎn)車上。
