碳纤维CARBONFIBER成未来汽车轻量化“新宠”

本刊综合

碳纤维CARBONFIBER成未来汽车轻量化“新宠”

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有时候，我们会在汽车领域里发现一个很有意思的现实，那就是如果你希望汽车在移动的时候能够更少的对环境造成影响，那么最好的方式就是尽可能少的移动较少质量的物体。如果换一句话来说，我们要让交通工具的重量尽可能的轻质化，越轻越好。当然了，我们所谓的汽车轻量化，是指要在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能多地降低汽车的整备质量，依靠空气动力学部件，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗以降低排气污染。

随着轻量化时代的来临，以轻质、高强度、可设计为主要特性的碳纤维将成为未来汽车业的“新宠”。全球汽车企业，特别是豪华车企均纷纷看好碳纤维汽车，预计未来3-5年将成为碳纤维飞速发展阶段，相关产业链厂商盈利可期。

“碳纤维材料可使汽车燃效至少提高4成”

现代的汽车设计有安全、舒适、节能和环保等4项明确要求。减轻结构重量，从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是汽车设计的重要发展方向。汽车结构每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本。若车体减重20%-30%，每车每年CO2排放可减少0.5T。日本的碳纤维制造协会曾经做过一个关于碳纤维生命周期的测试，采用碳纤维加固的汽车因减轻了自身重量，不仅燃料应用效率极大提高，而且间接地降低了二氧化碳排放。

目前，实现汽车的轻量化更多地靠运用塑料复合材料实现，塑料复合材料价格既便宜，承重力抗压力又强，还可实现轻量化目标，在这其中，近些年比较新潮的当属碳纤维，尽管碳纤维的价格比较高，运用还未实现广泛化，但其在汽车轻量化的道路上无疑已经代表了一种趋势。作为与树脂一起烧结而成的复合工业材料，目前大多被应用于飞机机身。业内人士指出，如果该材料用于汽车领域，燃效将提高至少4成，又因其极大地减轻了汽车自重，可有效降低二氧化碳排放量，是一种不可多得的环保新材料。

资料显示，碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5 至8 微米，24K 以下为小丝束。它比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7—9倍，在2000℃以上的高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。不仅具有材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

“车企力争将碳纤维材料用于量产车”

人类的碳纤维技术发展开始于50年代初，最早应用在火箭、宇航及航空等尖端科学技术，到今天广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。随着近年来碳纤维行业的发展，已经逐渐向汽车领域扩展。

全球碳纤维行业需求快速增长，高端产品长期看好。著名跑车品牌兰博基尼归于德国三大汽车巨头ABB之一的奥迪所有，这家公司已经在同美国的波音航空公司携手开发碳纤维材料，专门用于制造汽车。兰博基尼的著名车型Aventador就是使用了一系列的碳纤维材料制造的元件，并且结合了金属铝制造的车身框架，整个车体的槽座部分都是采用碳纤维材料制成的。

2014年5月9日，西格里集团和宝马集团在位于美国华盛顿州摩西湖的西格里汽车碳纤维公司（SGL Automotive Carbon Fibers）摩西湖工厂举办扩产奠基仪式，宣布继续扩大这家合资企业的产能。扩产计划将使该企业的碳纤维年产量提升至目前的三倍，为此，合资双方在初始投资1亿美元的基础上，追加投资2亿美元，计划于2015年初完成扩建项目，碳纤维的年产能将达到9000吨。届时，摩西湖工厂将成为世界上最大的碳纤维生产基地；而宝马集团也将籍此进一步深化轻质材料科技在不同产品线上的应用。宝马目前已控制了整条碳纤维产业链——由西格里集团和日本三菱人造纤维公司在日本大竹的合资公司生产聚丙烯腈纤维原丝，然后，在摩西湖工厂将聚丙烯腈纤维转化为真正的碳纤维，再由位于德国瓦克斯多夫的第二个合资工厂将碳纤维加工成不同类型的编织材料，最后，这些碳纤维织物被运往兰茨胡特和莱比锡的宝马工厂，用于汽车零部件的生产。其中莱比锡负责宝马i3车身部件，而兰茨胡特则负责宝马i8车身部件。

瑞典沃尔沃已成功研发出基于S80打造出一台采用新蓄电材料的原型车。这种蓄电材料是由多层的碳纤维以及树脂聚合物构成，每一夹层中又有纳米结构的电池以及电容。用超级电容器板替代发动机盖和扭力杆的组合，这样一来，沃尔沃的工程师就能够替换掉为车载电子供电的12伏电池，同时把重量减半。目前，沃尔沃已经在该车车身的发动机盖以及后尾箱盖都使用了这种新的碳纤维电池材质，跟传统电动车相比，不仅减轻了蓄电池的重量，而且碳纤维也增强了车身的刚性。

目前，美国通用汽车也正力争将碳纤维用于量产车上。据东丽经营研究所统计数据，碳纤维的全球市场需求在2011年约为4万吨，其中用于汽车的碳纤维为2000吨左右。而这一数字自2015年左右起将不断扩大，到2020年代将达到数万吨。

亚洲市场方面，日本东丽、丰田和东京大学等已经在联手开发全面采用重量轻、强度高的碳纤维汽车，推进加工技术等的研究，预计最早到2020年，重量减轻6成、安全性更高的新能源汽车将全面投入实际应用。据日经新闻报道，日本东丽集团于去年9月斥资近700亿日元，收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司（Zoltek），东丽藉此一跃成为全球最大的碳纤维供应商，将产品全球份额提高到30%，继续确保市场份额占绝对优势。

“碳纤维材料在汽车中应用前景可期”

那么，碳纤维材料到底是不是这一技术领域的"圣杯"？我们要知道碳纤维材料并不是价格昂贵那么简单，而是将其制成你需要的东西，花费的成本实在是太大了。单一的碳纤维实体的粗细要比一根人类的头发微小得多，但是只有无数的单一实体交织在一起之后，才会有用。碳纤维在与合成树脂相互渗透之后，我们就会得到碳纤维材料。这种材料的特点是十分的轻盈，并且十分的坚固耐用。但是现在的矛盾就在于，制造这样的材料十分的费时费力，不亚于徒手播种小麦并且收割，所以大量的量产这种材料仍旧难以实现。

东丽通过并购Zoltek，旨在开拓廉价碳纤维领域。在日本东丽的带领下，全球第二大碳纤维厂商日本帝人和第四大厂商日本三菱丽阳也已经开始扩大产能，业内人士认为，在未来的5年，日本企业在碳材料领域有望进一步扩大优势。目前，日本三菱丽阳也计划2014年度以后增加美国工厂的设备，将年生产能力在现有约1万吨的基础上增加20%，将面向作为主要客户的宝马扩大供货。而帝人则与美国通用汽车在碳纤维技术利用方面展开了合作，预计2014年将在美国新建工厂，并面向量产车供应碳纤维。

业内人士分析指出，碳纤维复合材料在汽车中应用的前景可期，车用需求将有望显著提升，特别是豪华车和超豪华车辆细分市场。目前，不少代工工厂不仅与一级供应商合作，还与碳纤维制造商合作以便制造可用的零部件。如赢创同江森自控、雅各布塑料（Jacob Plastic）以及东邦特纳克斯（Toho Tenax）共同研发碳纤维增强塑料（CFRP）轻质材料；荷兰皇家昙卡草坪（TenCate）与日本东丽达成了长期供应协议；东丽与戴姆勒（Daimler）达成共同研发协议，为梅赛德斯—奔驰研发CFRP部件。因为需求增加，各大碳纤维厂商正加紧研发，碳纤维复合材料生产技术在近期或将有新的突破。

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维，尽管多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，我国碳纤维制造开始向技术多元化发展，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据机构研报，仅在我国，若部分高档民用汽车使用碳纤维材料进行轻量化，则预计到2015年，我国汽车工业对碳纤维的需求量将达2800吨，对碳纤维总体需求将达1.6万吨。不过，为了满足日益扩大的国内需求，目前我国每年还要大量进口碳纤维，按照2011年国内消费量1万吨、国内产量2000吨计算，进口量约为8000吨，也就是说，目前我国碳纤维进口依赖度约为80%，进口替代空间很大。

“我国目前的碳纤维产业布局中以中低端为主，这是这个行业必走的一步。利用成本优势快速催动本国需求崛起，并占领全球中低端市场是中国碳纤维产业的希望所在。如果在关键技术上取得突破，或者在关键节点上得到政策的扶持，实现弯道超车也不是没有可能。”一位业内人士分析道。