汽车轻量化之路：复合材料的机遇与挑战

张荫楠

摘要：近年来，世界各国燃油经济和排放量等不断严苛的标准对汽车制造业提出更高要求，汽车轻量化势在必行。复合材料是最为重要的轻量化材料之一，在汽车工业中具有令人期待的发展前景。本文主要探讨了在需求强劲的汽车轻量化市场推动下复合材料面临的机遇与挑战，在此基础上从多材料结构的“智慧轻量化”、低成本复合材料制造技术、绿色纤维复合材料和复合材料的回收利用等方面讨论了汽车用复合材料的发展方向和面临的问题。

关键词：汽车轻量化；CFRP；多材料结构；低成本；绿色复合材料；回收再利用

中图分类号：TB33 文献标志码：A

Lightweight of Automobile： Opportunities and Challenges of Composites

Abstract： In recent years， the Corporate Average Fuel Economy （CAFE） standards and EmissionCompliance have put forward higher requirements on the automobile industry，and lightweighting has become imperative forvehicle design. Composites， which are one of the most important lightweight materials， have exciting developing prospects in automobile industry. This paper mainly discussed the opportunities and challenges of composites in automotive lightweighting under astrong demand. On this basis， the “intelligent lightweighting” based on multi-material structure， low-cost composite manufacturing technology， green fiber reinforced composites and reusable/recyclable technology were investigated to discuss the developing directions of composites and problems confronting automobile industry.

Key words： lightweight of automobile； CFRP； multi-material structure； low-cost； green composites； reusable/recyclable technology

2020 — 2025年，燃油经济和排放标准将会对全球汽车制造业提出更高的要求。美国国家高速公路管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）已经在着手对乘用车及轻型载货汽车公司平均燃料经济性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）标准进行改革，2015年CAFE标准要求汽车制造商燃效值达到35.5英里/加仑，这一指标到2025年将逐步飙升至54.5英里/加仑，几乎是当前的 2 倍。欧盟的汽车二氧化碳排放量限制标准则要求乘用车二氧化碳排放量从目前的130 g/km减少到2020年的95 g/km。

面临燃油经济和排放量的两拳重击，汽车行业轻量化技术的开发与应用势在必行。研究显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6% ～ 8%；而汽车整车重量每减少100 kg，百公里油耗量可降低0.3 ～ 0.6 L。目前轻量化技术主要有两个方向，一是汽车结构和材料加工工艺的优化设计，二是使用能够满足要求的更轻质的替代材料。其中，轻量化的替代性材料是业内普遍认同的前景最为可观的轻量化技术，复合材料作为其中的主要替代材料之一，将面临前所未有的机遇和挑战。

汽车市场需求强劲，复合材料面临原料、产业链整合等方面的压力

碳纤维复合材料（CFRP）是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。据欧洲知名咨询公司SAM Research预测，全球碳纤维需求量到2020年将超过16万t，其中汽车轻量化领域将成为增长最快和需求最大的领域之一。日本金沢工业大学预测，未来10年全球汽车市场将大幅增长，2025年全球汽车产量将达到1.5亿辆，这将是复合材料迈进汽车轻量化市场的大好机会。

以宝马为例，仅7系列每年碳纤维零部件的需求量就高达约100万个。目前宝马已经拥有年产约7.5万个碳纤维零部件的生产线，但还远无法满足其自身需求。如果全球销售的9 000万辆汽车（2015年全球汽车销量预测值）中有10%采用碳纤维零部件，则每年其需求量将高达1.35亿件。以碳纤维使用量计，如果每辆车使用20 kg碳纤维，则车用碳纤维的年需求量将高达18万t。而目前全球碳纤维所有应用领域的用量约为 8 万t/a。如此算来，以目前 3 倍的碳纤维生产能力才能满足全球汽车市场需求，这对于碳纤维材料的生产是一个巨大的挑战。

除了碳纤维的供需压力，车用复合材料还面临整合产业链的压力。复合材料汽车零部件的开发涉及结构设计、铺层设计、强度设计等多个方面，而整个车体结构开发则涉及原料、中间产业、零件生产商及整车制造多个领域，产业链上下游协调难度较大，而金属零部件则相对简单的多。解决这一矛盾的方法：一是把将生产技术内部化，二是与原料供应商、生产商建立紧密合作。

目前，不少车企不仅与汽车零部件供应商合作，还与碳纤维材料制造商建立合作关系以为其开发专用的新型碳纤维产品。如日产汽车、本田汽车与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料，赢创同江森自控、雅各布塑料、东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料，东丽与戴姆勒达成共同研发协议为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件等。

其中，宝马汽车早在2009年就与德国的西格里碳素公司（SGL）合作，成立了专门生产碳纤维汽车配件的合资公司，并在2014年宣布扩产计划，追加投资 2 亿美元将碳纤维产量提升 3 倍。2015年初，该项目在摩西湖工厂完成扩建，碳纤维的年产能由原来的 2 条生产线3 000 t，提升到 6 条生产线9 000 t，摩西湖工厂也因此成为世界上最大的碳纤维生产基地。

从碳纤维原丝到汽车零部件，宝马已经通过外部合作构筑了车用复合材料零部件的完整产业链：SGL和日本三菱在大竹的合资公司负责为其生产聚丙烯腈（PAN）原丝；位于美国华盛顿州摩西湖的SGL汽车碳纤维公司将PAN原丝转化为碳纤维；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；这些碳纤维织物被运往兰茨胡特和莱比锡的宝马工厂，用于生产汽车零部件。除宝马之外，SGL公司称其正在与其他多个世界著名车企讨论碳纤维的供应，包括奥迪、兰博基尼、通用汽车、特斯拉等。

近年来，我国汽车市场销量持续增长，2015年增速达到4.7%，新能源汽车领域表现抢眼，2015年产销量超过美国而一跃成为全球最大的新能源汽车市场。虽然如此，受到碳纤维生产能力、价格及高档汽车自主研发能力限制，我国CFRP在汽车轻量化方面的应用非常有限。2015年由奥新新能源汽车公司研制的我国首辆碳纤维新能源汽车的成功下线，使得我国正式步入了CFRP汽车市场。另外，康得新、海源机械、博云新材等几家公司也宣布开展汽车轻量化复合材料的研制。其中，康得新在河北廊坊建设的年产5 100 t高性能碳纤维的生产基地目前已完成百吨中试，预计将于今年年中投产，为我国汽车用T700碳纤维的生产打下基础。

多材料结构的“智慧轻量化”成为主要趋势

CFRP具有高比模、高比强、耐疲劳、耐腐蚀、整体成型以及性能可设计等诸多优良特性，是汽车轻量化高强结构材料的首选，但是由于其价格居高不下，也促使传统铝、钢生产商重新研究和开发更轻的合金。根据汽车咨询机构Duckers的调研，北美、欧盟、日本单车用铝量分别高出中国47%、24%、15%，且仍在持续增长。早在1994年，奥迪就开始研制轻量化的铝质结构，奥迪A8L和奥迪A2铝制车身都采用了其新一代全铝车身框架（ASF）。2015年福特推出的F-150皮卡也采用新型铝合金，福特声称通过在主体和部分结构使用铝合金，汽车重量减轻超过318 kg。通用汽车紧随福特之后，也与轻型铝合金供应商签订订单，预计到2018年将其皮卡生产线由钢材转换到铝材。

另外，随着近年来工程塑料硬度、强度、拉伸性能等性能的不断提升，安全性得到进一步保证，工程塑料也成为汽车轻量化关注的重点材料之一。据报道，截至2020年，全球汽车塑料市场复合增长率预期可达13%。目前已有不少轿车的塑料用量超过120 kg，德国奔驰高级轿车的塑料用量甚至高达150 kg，国内一些轿车的塑料用量也已经达到90 kg。其中，聚酰胺（PA）材料主要应用于动力、底盘零部件及结构件，约占整车塑料用量的20%；聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯等材料主要应用于电子电器零部件及结构件，约占整车塑料用量的15%；改性聚苯醚和ABS工程塑料及其合金材料主要应用于汽车内饰和零部件，随着车型档次的提高，用量比例也在逐渐增加。

轻型合金、工程塑料等轻量化替代材料的不断更新和优化在一定程度上削弱了CFRP的成本/效益优势，使CFRP在汽车领域的应用面临挑战，但CFRP在安全性和轻量化方面仍保有绝对优势。不可否认的是，无论是铝合金、工程塑料还是复合材料，在未来的发展中都不可能孤军奋战。早在2012年就有专家预测，材料的混合使用将成为全球汽车业发展的重要趋势，判断任一材料能否成为汽车轻量化主流材料的标准成为“能否以可承受的成本进行大规模的生产”。在这样的判断标准下，通过多种材料搭配使用，以更低成本达到最大限度轻量化要求的“智慧轻量化”将成为汽车轻量化的主要趋势。这也将使目前仅限于超级跑车、高端汽车应用的CFRP有可能进入普通汽车消费市场。

奔驰C级和奥迪A6系列均已推出采用钢、铝混合结构的产品。宝马i3电动商务车以全碳纤维的车身框架带领行业进入了CFRP汽车领域，i8也沿用了这一结构；近来，该公司积极推行“多材料”结构，2016年推出的最新 7 系列车型将碳纤维材料与钢、铝合金有效结合制造出更轻、更坚固的车身框架。车身中仍大量采用CFRP，包括车门槛梁和护栏、后行李架，以及车顶纵梁/前横梁结构、车身B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑的加固，但是车门饰板、行李箱盖、发动机罩等部件恢复使用铝合金。混合材料结构使得最新 7 系列的重量比上一代车型减轻了130 kg，甚至比全铝车身的奥迪A8还要轻90 kg。

在“智慧轻量化”背景下采用CFRP的多材料结构汽车不仅有宝马，2015年奔驰SKL 200碳纤维限量版汽车，其内饰也采用了大面积碳纤维零部件。澳大利亚福特也宣布将在近期发布的新型高性能轿车FalconXR6 Sprint车型上应用100%CFRP的进气管，重量仅为235 g，是塑料进气管重量（438 g）的将近一半。宝马还计划将碳纤维的应用于更多车型，例如未来X5及 6 系等车型都有望大量使用碳纤维，以便全面减轻车身重量。

降低车用CFRP的制造成本，仍是行业面临的主要挑战

CFRP是材料轻量化进程中最成功的代表，但是由于碳纤维及其复合材料的高成本限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前，商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维，其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本（占总成本的51%）和较长的生产流程。因此，降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。

目前，国外碳纤维生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术，并寻求PAN以外更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表，美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。在低成本原料方面，美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸等在内的低成本代替材料。2015年瑞典研究机构Innventia和Swerea SICOMP也声称开发出了世界首创技术，可以基于100%软木木质素前体制造出重约1.8 g的编织CFRP层压板。并表示，这种材料可用于生产重量轻、燃油效率高的汽车零件，但是其制造方法与其他使用木质素替代前体的研究相同，还处在实验室阶段，进入生产线还需时日。

除纤维成本外，车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期，其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能，环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”（能够流动和彻底浸润纤维预制件，并在5 min之内固化）的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备，从而开发高效、低成本的复合材料生产技术，已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。

2015年，美国Hexion（瀚森）和Dow Automotive Systems（陶氏汽车系统）先后推出了 2 种可60 s“瞬间固化”的环氧树脂。其中，瀚森针对树脂传递模塑成型（RTM）和液体压缩成型（LCM）工艺推出EPIKOTE TRAC06170环氧树脂与EPIKURE TRAC06170固化剂，仅需20 s树脂注入时间（RTM或LCM）和40 s固化时间就可完成复合材料成型；而陶氏推出的用于LCM工艺的VORAFORCE树脂，可以直接将树脂均匀地涂敷在干的纤维预制件上，并通过压强使树脂织物在厚度方向上均匀浸润。陶氏还宣称已经与德国KraussMaffei公司和意大利Cannon SpA公司合作开发出仅需要15 ～ 20 s涂敷树脂及30 s固化，总制造时间小于60 s的复合材料制备工艺。但是该工艺由于很难提供复杂零件的成型模具，对于LCM成型的部件则仅适合相对平坦或轻微轮廓部件的制造，相比之下，RTM是该树脂最好的选择。

2015年底，Gurit UK（英国固瑞特）也推出了“瞬间固化”环氧树脂，但不同于其他针对RTM或湿压缩成型工艺开发的树脂，其树脂配方主要用于成套预浸料和热进/热出冲压成型（hot-in/hot out press molding）工艺。虽然该工艺固化周期需要 5 min，但报道称其制造的部件表面可达A级，无需模具后处理。

今年3月，Huntsman Advanced Materials （亨斯迈先进材料）公司也宣布推出了一款快速固化的环氧树脂。在此之前，亨斯迈商业化的，固化时间为 2.5 min的环氧树脂的解决方案已经用于生产宝马i系列高纤维含量的复合材料零部件，而此次推出的快速固化环氧树脂不仅具有更快的固化速度，而且具有更高的玻璃化温度（Tg），可承受高达150℃的工艺条件。据亨斯迈介绍，该树脂在140℃下仅30 s就可固化，这使得1min内的复合材料成型工艺成为可能。为此，亨斯迈还开发了与该树脂配套的动态流体压缩成型（Dynamic Fluid Compression Molding，DFCM），该工艺可以省去高压注塑工艺，而且在很多情况下也可省略纤维预浸料工艺。与常规湿发压缩成型（Wet-Compression Molding，WCM）相比，该工艺的主要优点之一是可以减少层压板层间缝隙，复合材料孔隙率低于1%，性能可媲美高压的RTM工艺，且高达66%纤维体积含量（FVC）的复合材料可以在没有特殊处理的条件下实现。

绿色纤维复合材料面临发展契机

相比碳纤维，天然纤维由于绿色可持续、成本低廉、重量较小以及原材料供应充足等优点，其复合材料将在汽车轻量化领域迎来发展契机。江森自控早在50多年前就开始对天然纤维复合材料进行研发，目前已经成为欧洲最大的天然纤维车门板制造商之一。其与福特汽车和世界最大的林业产品公司惠好合作开发的以植物纤维为基础，可再生、能替代现在玻璃纤维复合材料汽车配件的复合材料已经获得成功。这种被称为纤维素增强聚丙烯（Cellulose Reinforced Polypropylene，CRP）的新型材料，已经在2014款林肯MKX上应用。惠好还表示，植物纤维与很多不同种类的聚合物的兼容性都非常好，下一步计划将合成物从聚丙烯扩展到一系列的碳氢或非碳氢化合物的聚合物上。

虽然目前天然纤维复合材料较多用于汽车内饰，但是可以预见，其在汽车零部件中的用途将会不断拓宽。发动机罩下蓄电池保护外壳和支架、散热风扇外罩、车轮罩、密封条载体等都可采用天然纤维复合材料，而且在越大的组件上使用天然纤维复合材料，带来的轻量化效果越明显。日前，BASF（巴斯夫）就与汽车零部件制造商IAC合作开发了据称是世界上第一个完全采用天然纤维制成的复合材料车顶结构件。该复合材料采用了巴斯夫水基低排放的粘合剂来替代酚醛树脂，具有良好的耐热性和环境友好性。该材料将用于梅赛德斯奔驰最新的E级车系列，并于今年4月在欧洲发售。

车用复合材料回收再利用迫在眉睫

随着近年来CFRP在汽车领域应用的迅速扩大，一些CFRP汽车产品逐渐进入报废期，CFRP废弃物的回收再利用技术的开发和产业化迫在眉睫。加之欧盟报废车辆指令（ELV）自2015年起回收指标再加码，要求每年每辆报废汽车的平均重量中至少有85%可重复使用或可再利用，并且已经建立了金属材料、纯塑料、非晶材料的回收跟踪记录。如何由废CFRP回收碳纤维，开发大规模回收碳纤维的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，已经成为各大应用CFRP的汽车厂商不得不解决的难题。

日本、美国、欧洲等发达国家和对CFRP的回收利用技术早有研究。日本通产省2006年就基于课题“碳纤维再生技术的实证研究开发”建立了中试厂，并将其作为日本碳纤维制造商协会（Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn.，JCMA）的活动内容，积极从事基础技术开发，成功开发出可控制回收碳纤维（RCF）长度，并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术。日本碳纤维再生工业公司也创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术，并成功运用于汽车部件。德国CFK Valley e.V. 与Karl Meyer AG合作，于2007年就建立了名为CFK Valley Recycling的产业化RCF生产线，目前已经具有1 000 t/a的回收碳纤维生产能力。2011年，德国金属回收生产商ELG Haniel也通过收购英国Recycled Carbon Fibre及其商业化的回收工厂，进军RCF市场。另外，美国MIT LLC公司也于2009年就建立了商业化的RFC生产线并成功用于汽车零部件生产。

虽然目前RCF的市场应用还相对滞后，但是随着研究的深入和技术水平进步，一些可产业化回收技术声称RCF的机械性能已经可达到原生碳纤维水平，且长纤维的再生也可能实现。日本日立化成公司2014年发布的一份报告指出， JCMA回收厂联合东丽株式会社、日本帝人集团和日本三菱丽阳株式会社，已扩充了不需要预粉碎就可进行热解过程的RCF生产技术。在此之前，JCMA已经拥有1 000 t/a的RCF生产能力，该新增的新工艺具有60 t/a的回收能力，甚至可以回收连续纤维以及排列不连续RCF（例如取向排列与随机排列）。RCF可节省20% ～ 40%的成本，随着这些新技术的发展和成熟，在不久的将来就可能开发出能够满足航天用纤维性能的RCF产品。

对于宝马i3和i8，人们更多关注的是其垂直整合供应链的发展战略，但在高调的宣传背后，宝马也开始在i3和i8的车顶以及i3的后排座椅结构中重新使用废弃循环利用的材料。SGL汽车碳纤维公司已经通过收集i系列汽车CFRP机织和针织预成型件废料获得RCF。回收的RCF制成绗缝非织造材料后用于生产i3和i8车顶和后座的CFRP。可以明确的是，目前CFRP的回收再利用已经可以解决技术问题，面临的主要问题还是产业化和市场应用。如何将RCF与汽车制造供应链无缝衔接以满足汽车制造企业的需求仍然是最主要的问题。

结语：化压力为动力，寻求竞争优势

复合材料在汽车工业的应用具有令人期待的发展前景，但其批量化应用仍然面临技术、成本、供应链、回收再利用等问题。汽车行业对成本/效益要求较高，成本较高且工艺复杂的复合材料要想在汽车轻量化领域获得长足发展，在其轻量化的天然优势之下，还必须不断在低成本、高效率、环保可回收等方面加大研发投入，寻求竞争优势。相比欧美等发达国家和地区，我国对车用复合材料的研发相对不足，开展车用复合材料关键技术研究，对于推动我国汽车工业的可持续发展具有重要意义。在我国逐步掌握碳纤维制造技术、复合材料制造技术的基础上，以需求强劲的汽车市场和日益严峻的环保压力为动力，开展车用复合材料研究已经势在必行。