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[新聞] 碳纖維材料讓汽車身輕如燕



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歷史上,重量級人物總有“高大上”的故事作為出場,碳纖維也不例外,那就是人盡皆知的愛迪生髮明電燈泡故事。

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1861年,愛迪生讓碳絲作為燈絲材料成功發光45小時,使人類進入電燈時代,碳絲也第一次登上了歷史舞台。

不過,隨著燈泡中碳絲被鎢絲替代,碳絲被歷史丟在角落近一個世紀。直至1950年代,碳絲再次粉墨登場,美國空軍由於要尋找耐燒熔材料,獲知碳熔點高達3,600度,並擁有耐高溫、高強度特性,將碳絲再次請進實驗室,並發明了一個吊炸天的名字:碳纖維。隨後,經過不斷研發和改進,碳纖維“外柔內剛”的獨特優勢得到充分展示。

碳纖維質量比金屬鋁輕,但強度卻高於鋼鐵,並具有耐腐蝕、高模量特性。因此,碳纖維最先被應用於軍用飛機、航天器等領域,比如美軍F-35戰鬥機;後來又在波音787等民用飛機​​、風力發電機葉扇、豪華遊艇、醫療衛生、休閒體育用品等諸多領域得到越來越廣泛的應用。

二、碳纖維在汽車領域中的應用現狀
隨著科技的進步,一些新技術、新材料逐漸應用到了汽車領域,並對汽車工業的發展產生了深遠影響,其中碳纖維材料在汽車上的應用最為典型。

1、碳纖維給汽車製造帶來的突出優勢
輕量化
碳纖維應用於汽車後,給汽車製造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化,最直接影響的就是節能、加速、制動性能的提升。一般而言,車重減小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%, 0-100km/h加速性提升8-10%,制動距離縮短2~7m。

舉個例子,在全新BMW 7系的車體框架中,碳纖維增強複合材料被用於加固車頂橫梁結構以及B柱和C柱、底部側圍、中央通道和後部支撐。相比上一代車型,全新BMW 7系最大減重達130kg,成為大型豪華汽車市場智能輕量化結構的領導者。

再比如,BMW i3大量使用碳纖維材料製造車身,上市車型比原來的設計減輕了300kg,i3車型得到市場認可,也驗證低成本快速成型碳纖維車身量產製造技術的可行性和經濟性。

安全性
車身輕量化可以使整車的重心下移,提升了汽車操縱穩定性,車輛的運行將更加安全、穩定。碳纖維複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,這進一步保證了汽車的安全性。

舒適度
碳纖維複合材料具有更高的震動阻尼,輕合金需要9秒才能停止震動,碳纖維複合材料2秒就能停止,故碳纖維應用在汽車上,對於整車NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)的提升貢獻同樣很大,會大幅增強汽車行駛的舒適性。

可靠性
碳纖維複合材料具有更高的疲勞強度,鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%,而碳纖維複合材料可達70-80%,因此汽車上應用碳纖維複合材料對於材料疲勞可靠性有較大提升。

提升車身開發水平
由於碳纖維複合材料可設計性比金屬強,因此更易於車身開發的平台化、模塊化、集成化。這樣碳纖維車身及金屬平台的混合車身結構對於傳統汽車車身結構而言,可以做到模塊化、集成化,大大減少零件種類,減少工裝投入,縮短開發週期。

尤其對於新入新能源汽車企業,應用碳纖維車身不僅可以節約沖壓、焊裝生產線及模、夾具的投入,減輕固定資產佔資配比,優化企業資產配置結構,而且在企業的市場宣傳上更具影響力。

綜觀奔馳、寶馬、奧迪等高端品牌車企在產品線中對碳纖維複合材料的應用佈局,我們可以預見,碳纖維複合材料在汽車上的應用必然成為發展方向。

2、中國碳纖維行業面臨的重大挑戰
雖然碳纖維材料優點很多,但其核心技術卻被牢牢掌控在少數發達國家手中。一方面,美日韓德等發達國家對該技術嚴格保密;另一方面,國外碳纖維行業領先企業開始進入中國市場,中國本土碳纖維企業壓力大增。

中國對碳纖維的研究開始於20世紀60年代,80年代開始研究高強型碳纖維,多年來進展緩慢。進入21世紀以來發展較快,特別是隨著中國汽車工業的崛起,碳纖維材料的研發、應用都得到了長足發展,并快速成長。

同時,碳纖維在汽車行業也面臨諸多挑戰。一是工藝複雜,主要採用熱壓罐,真空導入等傳統工藝,這種工藝生產效率低、生產週期長、產品造價高,無法滿足汽車大批量規模化生產要求;二是成本相對高昂,碳纖維材料的價格是金屬材料的數倍,這不僅制約了其在汽車領域的應用與發展,更是無形中拒低端或自主汽車品牌於千里之外;三是設計人才缺乏,且由於該技術之前較少在國內應用,所以從事過碳纖維量產部件設計的人才非常稀缺。

特別需要指出的是,碳纖維從基礎研發、產品設計、生產工藝選擇到生產出汽車零件是緊密相連的一個整體,每一個環節都是環環相扣。因此,這給碳纖維在汽車行業的發展建立了極高的技術壁壘,要求碳纖維製造企業必須具有極強的綜合實力。

3、碳纖維領域,中國企業擁有世界級競爭力

就目前來看,能夠為汽車行業提供碳纖維材料研發、設計、加工、製造一站式服務的中國企業並不多,康得複合材料有限責任公司(簡稱“康得複材”,康得投資集團有限公司所屬企業)是首屈一指的企業之一。

康得集團董事長鍾玉先生(左一)與中德兩國總理合影
多年來,康得集團為了填補國內碳纖維材料設計、製造、加工方面的空白,一直在不懈努力的提高著研發及生產水平。截至目前,康得集團已經完成了新能源汽車碳纖維部件產業生態鏈的佈局,產業生態鏈包括:中安信的碳纖維產業、康得複合材料的工業4.0版智能化碳纖維車體及部件製造工​​廠、位於慕尼黑的KDX歐洲複合材料研發中心和KDX雷丁汽車輕量化設計中心、以及德國GFG公司和SGL公司的大批量、自動化生產技術支持。這一完整的生態鏈將為全球的整車企業提供系統且具有全球競爭力的解決方案,提供從設計、研發、樣件試制、檢測、小批量生產到大規模供貨的全方位服務。 2014年康得集團董事長鍾玉在訪德期間,受邀參加了默克爾總理的私人午宴,2015年又陪同李克強總理接待了默克爾總理訪華。

如前文所提,康得集團和德國政府以及德國企業保持著密切的戰略合作關係, 與慕尼黑工業大學碳纖維複合材料研究所合作建立了歐洲複合材料研發中心,與全球除了寶馬之外唯一擁有大批量生產碳纖維部件設計經驗的德國雷丁公司合資設立汽車輕量化設計中心。 4月6日,在張家港康得新光學膜二期項目奠基儀式上,寶馬(中國)服務有限公司總裁Philip Eller宣布,將在窗膜領域和康得新展開深入合作;並將在碳纖維解決汽車輕量化方面和康得複材展開戰略佈局的探討。

三、碳纖維在中國汽車領域的應用前景極為廣闊
眾所周知,目前中國正在大力推進新能源汽車的發展,但是限於充電設施不完善、電池續航里程短、電動車售價偏高等問題,制約著新能源汽車的推廣及普及。
未來更好的推廣新能源汽車,除了要加快充電樁等配套基礎設施的建設之外,有效降低新能源汽車整車成本、提高整車續航能力,已成為當下新能源車生產企業急需解決的問題。

而實現新能源汽車的輕量化,最佳的方式就是合理使用碳纖維材料。實驗表明,採用碳纖維材料替代現有的鋼製車身,可以有效降低60%以上的重量,續駛里程相應的提高20%以上。中國正在大力推進新能源汽車的發展,所以碳纖維材料在新能源汽車領域中的應用前景非常廣闊。

其實碳纖維材料除了在新能源汽車領域前景廣闊之外,在傳統汽車方面更有著寬泛的應用。
首先,碳纖維車身及金屬平台的混合車身結構對於傳統汽車車身結構而言,可以做到模塊化、集成化,大大減少零件種類,減少工裝投入,縮短開發週期。

輕量化的碳纖維車身結構
其次,目前中國正在實施第三階段油耗標準已全面執行(企業平均油耗6.9L/百公里);2016年開始導入第四階段油耗標準,2020年企業平均油耗降至5L/百公里;政府將會嚴厲處罰不達標企業,據權威測算,以長安福特2015年產銷量及油耗計,將會受到8億元的罰款。

當前,中國汽車企業短期內很難實現發動機升級,為使企業油耗達標,汽車輕量化迫在眉節,相較於底盤件的複雜工況及性能要求,碳纖維車身的應用是車身輕量化的最有效途徑。因為一旦大量使用碳纖維材料的汽車其質量將減少40-50%,而汽車結構每減重10%,燃油消耗可節省7%。若車體減重20%-30%,每車每年CO2排放可減少0.5T。碳纖維不存在腐蝕生鏽的問題,比普通金屬耐用。

據美國AJR 顧問公司預測,由於碳纖維材料應用廣泛,其全球市場銷售額將從2011 年的161.1 億美元增長到2020 年的487 億美元,且以汽車領域為主。
所以,在未來,碳纖維材料將在汽車領域“大有可為”。

總而言之,無論從性能還是環保角度出發,汽車輕量化都已成為一種必然趨勢,而採用碳纖維材料是汽車輕量化的必由之路。康得複材作為中國企業在碳纖維領域中具有世界級競爭力的旗手,前景不可限量。

本文來源 搜狐




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