碳纖維CARBONFIBER成未來汽車輕量化“新寵”

本刊綜合

碳纖維CARBONFIBER成未來汽車輕量化“新寵”

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有時候，我們會在汽車領域里發(fā)現(xiàn)一個很有意思的現(xiàn)實，那就是如果你希望汽車在移動的時候能夠更少的對環(huán)境造成影響，那么最好的方式就是盡可能少的移動較少質量的物體。如果換一句話來說，我們要讓交通工具的重量盡可能的輕質化，越輕越好。當然了，我們所謂的汽車輕量化，是指要在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能多地降低汽車的整備質量，依靠空氣動力學部件，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗以降低排氣污染。

隨著輕量化時代的來臨，以輕質、高強度、可設計為主要特性的碳纖維將成為未來汽車業(yè)的“新寵”。全球汽車企業(yè)，特別是豪華車企均紛紛看好碳纖維汽車，預計未來3-5年將成為碳纖維飛速發(fā)展階段，相關產業(yè)鏈廠商盈利可期。

“碳纖維材料可使汽車燃效至少提高4成”

現(xiàn)代的汽車設計有安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保等4項明確要求。減輕結構重量，從而節(jié)省燃油、減少尾氣排放和環(huán)境污染是汽車設計的重要發(fā)展方向。汽車結構每減重10%，燃油消耗可節(jié)省7%，大大減少了壽命期內的使用成本。若車體減重20%-30%，每車每年CO2排放可減少0.5T。日本的碳纖維制造協(xié)會曾經做過一個關于碳纖維生命周期的測試，采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量，不僅燃料應用效率極大提高，而且間接地降低了二氧化碳排放。

目前，實現(xiàn)汽車的輕量化更多地靠運用塑料復合材料實現(xiàn)，塑料復合材料價格既便宜，承重力抗壓力又強，還可實現(xiàn)輕量化目標，在這其中，近些年比較新潮的當屬碳纖維，盡管碳纖維的價格比較高，運用還未實現(xiàn)廣泛化，但其在汽車輕量化的道路上無疑已經代表了一種趨勢。作為與樹脂一起燒結而成的復合工業(yè)材料，目前大多被應用于飛機機身。業(yè)內人士指出，如果該材料用于汽車領域，燃效將提高至少4成，又因其極大地減輕了汽車自重，可有效降低二氧化碳排放量，是一種不可多得的環(huán)保新材料。

資料顯示，碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5 至8 微米，24K 以下為小絲束。它比重不到鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7—9倍，在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，是唯一強度不下降的物質。不僅具有材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

“車企力爭將碳纖維材料用于量產車”

人類的碳纖維技術發(fā)展開始于50年代初，最早應用在火箭、宇航及航空等尖端科學技術，到今天廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻，80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。隨著近年來碳纖維行業(yè)的發(fā)展，已經逐漸向汽車領域擴展。

全球碳纖維行業(yè)需求快速增長，高端產品長期看好。著名跑車品牌蘭博基尼歸于德國三大汽車巨頭ABB之一的奧迪所有，這家公司已經在同美國的波音航空公司攜手開發(fā)碳纖維材料，專門用于制造汽車。蘭博基尼的著名車型Aventador就是使用了一系列的碳纖維材料制造的元件，并且結合了金屬鋁制造的車身框架，整個車體的槽座部分都是采用碳纖維材料制成的。

2014年5月9日，西格里集團和寶馬集團在位于美國華盛頓州摩西湖的西格里汽車碳纖維公司（SGL Automotive Carbon Fibers）摩西湖工廠舉辦擴產奠基儀式，宣布繼續(xù)擴大這家合資企業(yè)的產能。擴產計劃將使該企業(yè)的碳纖維年產量提升至目前的三倍，為此，合資雙方在初始投資1億美元的基礎上，追加投資2億美元，計劃于2015年初完成擴建項目，碳纖維的年產能將達到9000噸。屆時，摩西湖工廠將成為世界上最大的碳纖維生產基地；而寶馬集團也將籍此進一步深化輕質材料科技在不同產品線上的應用。寶馬目前已控制了整條碳纖維產業(yè)鏈——由西格里集團和日本三菱人造纖維公司在日本大竹的合資公司生產聚丙烯腈纖維原絲，然后，在摩西湖工廠將聚丙烯腈纖維轉化為真正的碳纖維，再由位于德國瓦克斯多夫的第二個合資工廠將碳纖維加工成不同類型的編織材料，最后，這些碳纖維織物被運往蘭茨胡特和萊比錫的寶馬工廠，用于汽車零部件的生產。其中萊比錫負責寶馬i3車身部件，而蘭茨胡特則負責寶馬i8車身部件。

瑞典沃爾沃已成功研發(fā)出基于S80打造出一臺采用新蓄電材料的原型車。這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹脂聚合物構成，每一夾層中又有納米結構的電池以及電容。用超級電容器板替代發(fā)動機蓋和扭力桿的組合，這樣一來，沃爾沃的工程師就能夠替換掉為車載電子供電的12伏電池，同時把重量減半。目前，沃爾沃已經在該車車身的發(fā)動機蓋以及后尾箱蓋都使用了這種新的碳纖維電池材質，跟傳統(tǒng)電動車相比，不僅減輕了蓄電池的重量，而且碳纖維也增強了車身的剛性。

目前，美國通用汽車也正力爭將碳纖維用于量產車上。據(jù)東麗經營研究所統(tǒng)計數(shù)據(jù)，碳纖維的全球市場需求在2011年約為4萬噸，其中用于汽車的碳纖維為2000噸左右。而這一數(shù)字自2015年左右起將不斷擴大，到2020年代將達到數(shù)萬噸。

亞洲市場方面，日本東麗、豐田和東京大學等已經在聯(lián)手開發(fā)全面采用重量輕、強度高的碳纖維汽車，推進加工技術等的研究，預計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應用。據(jù)日經新聞報道，日本東麗集團于去年9月斥資近700億日元，收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司（Zoltek），東麗藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應商，將產品全球份額提高到30%，繼續(xù)確保市場份額占絕對優(yōu)勢。

“碳纖維材料在汽車中應用前景可期”

那么，碳纖維材料到底是不是這一技術領域的"圣杯"？我們要知道碳纖維材料并不是價格昂貴那么簡單，而是將其制成你需要的東西，花費的成本實在是太大了。單一的碳纖維實體的粗細要比一根人類的頭發(fā)微小得多，但是只有無數(shù)的單一實體交織在一起之后，才會有用。碳纖維在與合成樹脂相互滲透之后，我們就會得到碳纖維材料。這種材料的特點是十分的輕盈，并且十分的堅固耐用。但是現(xiàn)在的矛盾就在于，制造這樣的材料十分的費時費力，不亞于徒手播種小麥并且收割，所以大量的量產這種材料仍舊難以實現(xiàn)。

東麗通過并購Zoltek，旨在開拓廉價碳纖維領域。在日本東麗的帶領下，全球第二大碳纖維廠商日本帝人和第四大廠商日本三菱麗陽也已經開始擴大產能，業(yè)內人士認為，在未來的5年，日本企業(yè)在碳材料領域有望進一步擴大優(yōu)勢。目前，日本三菱麗陽也計劃2014年度以后增加美國工廠的設備，將年生產能力在現(xiàn)有約1萬噸的基礎上增加20%，將面向作為主要客戶的寶馬擴大供貨。而帝人則與美國通用汽車在碳纖維技術利用方面展開了合作，預計2014年將在美國新建工廠，并面向量產車供應碳纖維。

業(yè)內人士分析指出，碳纖維復合材料在汽車中應用的前景可期，車用需求將有望顯著提升，特別是豪華車和超豪華車輛細分市場。目前，不少代工工廠不僅與一級供應商合作，還與碳纖維制造商合作以便制造可用的零部件。如贏創(chuàng)同江森自控、雅各布塑料（Jacob Plastic）以及東邦特納克斯（Toho Tenax）共同研發(fā)碳纖維增強塑料（CFRP）輕質材料；荷蘭皇家曇卡草坪（TenCate）與日本東麗達成了長期供應協(xié)議；東麗與戴姆勒（Daimler）達成共同研發(fā)協(xié)議，為梅賽德斯—奔馳研發(fā)CFRP部件。因為需求增加，各大碳纖維廠商正加緊研發(fā)，碳纖維復合材料生產技術在近期或將有新的突破。

我國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維，盡管多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發(fā)展較快，我國碳纖維制造開始向技術多元化發(fā)展，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點扶持的新產品，成為國內新材料行業(yè)研發(fā)的熱點。據(jù)機構研報，僅在我國，若部分高檔民用汽車使用碳纖維材料進行輕量化，則預計到2015年，我國汽車工業(yè)對碳纖維的需求量將達2800噸，對碳纖維總體需求將達1.6萬噸。不過，為了滿足日益擴大的國內需求，目前我國每年還要大量進口碳纖維，按照2011年國內消費量1萬噸、國內產量2000噸計算，進口量約為8000噸，也就是說，目前我國碳纖維進口依賴度約為80%，進口替代空間很大。

“我國目前的碳纖維產業(yè)布局中以中低端為主，這是這個行業(yè)必走的一步。利用成本優(yōu)勢快速催動本國需求崛起，并占領全球中低端市場是中國碳纖維產業(yè)的希望所在。如果在關鍵技術上取得突破，或者在關鍵節(jié)點上得到政策的扶持，實現(xiàn)彎道超車也不是沒有可能。”一位業(yè)內人士分析道。