热点关注·低空经济和机器人有望成为碳纤维应用新热点

摘要《节能与新能源汽车技术路线图》发布，将轻量化技术提升至国家战略层面。轻量化技术通过减少汽车重量提升电动汽车续航里程，关键材料包括高强度钢、铝合金、镁合金和碳纤维。高强度钢应用普遍，铝合金成汽车减重首选，镁合金与碳纤维亦具广泛应用前景。碳纤维成本高，但可通过设计优化、材料改进和工艺提升降低成本。轻量化旨在提高燃油效率、降低排放、提升性能与安全性，碳纤维因其轻质高强特性备受关注。正文2016年10月份，国家强国战略咨询委员会、清华大学教授欧阳明高作为代表发布了备受关注的《节能与新能源汽车技术路线图》，显而易见，轻量化技术的发展已上升到国家层面。轻量化技术领域的相关研究得出，重量的减轻直接意味着续航里程的增加。如 纯电动汽车整车重量若降低 10kg，续驶里程则可增加 2.5km，中国科学院杨院生教授在接受采访时表示，同样认同此结论，并补充到，提升电动汽车的续驶里程，除了加强电池和驱动系统之外，与车身轻量化的程度也密不可分，而车身轻量化最明显的特征就是材料的选择。目前，应用于新能源汽车的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等几种。图示：轻量化材料的选择1、轻量化材料——高强度钢应用于新能源汽车领域的高强度钢根据强化机理的不同，可分为普通高强度钢（Conventional HSS）和先进高强度钢（AHSS），先进高强度钢延塑性更好，在满足工艺性能的同时也具有更高的轻量化潜力。图示：高强度钢屈服强度情况目前，国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达70％以上，其中自主品牌中高强钢的应用已达45％。据了解，中国是高强度钢应用最普遍的国家，车身使用比例接近50％，预计未来可高达60－65％，但是超高强度和先进高强度钢材大幅落后，目前使用比例仅有5％，预计未来将有3倍提升空间。图示：高强度钢车身业内专家认为，在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面，高强度钢相比铝、镁合金具有明显的优势，能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要，甚至从成本与性能角度来看，是目前满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。2、轻量化材料——铝合金铝的密度仅有钢铁的 1／3，导热性却比铁高出3倍有余。最值得一提的是，铝代钢的结构设计优化可以实现二次减重，效果可直接减重50％－100％。相关研究表明，汽车使用1 kg铝可替代自重2.25 kg钢材，减重比例高达125％，整个使用寿命周期内可减少废气排放20 kg。由此可见，铝合金凭借其高强度、可循环性、耐腐蚀、密度低等优质性能成为汽车减重首选材料，铝材在汽车上的使用量将快速增长，汽车用铝进入黄金期。而国内车企对铝合金材料的应用中，就不得不提奇瑞新能源，公司推出的新一代纯电动微型车——小蚂蚁（代号eQ1），在结构上采用了”全铝空间结构＋全复合材料外覆盖件“的组合形式，很好的控制了车身重量，降低 制造成本，实现了更好的车身轻量化。图示：小蚂蚁图示：全铝框架＋复合材料外覆盖件但全铝身的不足同样不容小觑，当车身受到碰撞损坏时，铝合金材质整形难度较高，一旦操作不当，零部件则很可能会出现裂纹甚至断裂，一般铝合金部件损坏后，如果钣金工艺无法调整好，基本上就只能整体更换。另外，铝合金材质需要特殊的工艺才能焊接。因此，全铝车身意味着后期的维修成本可能会更高。特斯拉作为全球纯电动车的开拓者，在汽车轻量化的道路上也早已开始探索。其标志性车型Model S的车身就用到了大量的铝合金，并且通过特殊的焊接技术实现了铝合金构件与钢构件的链接。图示：特斯拉MODEL 3全铝车身3、轻量化材料——镁合金镁密度小，甚至比铝轻 1／3，其比强度（抗拉强度与密度之比值）较铝合金高，导热性好；另外，镁合金尺寸稳定性好，易于回收，有良好的切削加工性，减振性能较好。图示：纯电动镁合金公交车银隆纯电动镁合金公交车还搭载了带有主动均衡技术BMS系统的高性能锂离子电池，具有高安全、高稳定、充电快、抗衰减能力强等特点，结合镁合金车身等诸多优点，在为乘客提供更加低碳、环保出行解决方案的同时，可靠性更佳，助力城市安全出行。众所周知，中国镁的产量占全球大约75％以上，让 新能源车 实现车身轻量化带来了方便。中国汽车工程学会做了一个节能与轻量化路线图，预计在未来10年左右，镁应用在高端车上能突破100公斤／每辆，在普通车上面能够突破20公斤／每辆。国内目前已有多家公司试制铝合金车身，更有专家认为，镁合金车身可能会成为汽车轻量化的主流车身材质。4、轻量化材料——碳纤维碳纤维力学性能优异，密度不到钢的1／4，抗拉强度却是钢的7－9倍，是唯一一种在2000℃以上的高温惰性环境中强度不下降的物质。根据国内某咨询公司发布的研究报告显示，未来几年我国碳纤维需求量将进入快速增长期，预计到2020年国内碳纤维的需求将达25，000吨，年均增长速率约15．5％。而工业领域的需求上升将更为突出。作为汽车轻量化的先驱之一，宝马在i3和i8量产车上的大规模运用更是将碳纤维造车风潮推向顶峰。2015年推出的第六代宝马7系就首次将碳纤维复合材料与钢材、铝材及塑料进行组合，使得此代7系的白车身成功减重40公斤。日本帝人集团下属的子公司成功开发出一款轻量化客车车顶盖，该车顶盖由碳纤维增强塑料、铝合金还有其他轻质材料构成，将会应用在丰田公司开发的世界第一批批量生产的 燃料电池 公交车SORA上。图示：丰田燃料电池客车SORA事实上，目前碳纤维价格每公斤1500、1600元，属于脆性材料，一旦受力过大就会直接断裂，损坏后基本无法修复，而高昂的制造成本和回收费用更使得当前碳纤维的应用主要还局限于高端跑车、越野车和运动赛车上。来源：电动汽车资源网附：1、汽车为什么要轻量化轻量化，即保证汽车安全的前提下，尽可能的减少汽车重量。为什么汽车需要减重？见下图：汽车减重，伴随着油耗和排放的降低，加速和操纵性能的提升，由于制动距离缩短，也一定程度上提升了安全性。道理其实很简单，人太胖了，就需要减肥，才能更加灵活和健康。2、轻量化材料常见的轻量化材料分为金属和非金属。金属材料主要包括高强度钢、铝合金、镁合金，钛合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等，其中就有我们即将闪亮登场的碳纤维。比较一下几种常见的轻量化材料，如下：备注：比强度越高，表明达到相同强度所用材料质量越轻；比模量越大，材料的刚性就愈大。可以看出，碳纤维除了价格比较高以外，由于其兼具碳材料和纤维的双重优良特性，质量比钢、镁、钛、铝轻，但强度和模量更高，可谓是“刚柔并济”。3、降低碳纤维成本康得集团主要通过三种途径继续降低生产成本：第一是设计。针对不同的车身部件，采用不同的碳纤维牌号，例如，结构件要求的强度高，可以用编织的T700碳纤维复合材料，而对于覆盖件这类强度要求不高的部件，则可以用成本较低的短纤维记性加强，而车顶受力不大，可以用可回收料等等。成本是设计出来的。第二是材料端。康得集团目前通过中安信投产的是12K和24K的碳纤维丝，而接下来康得集团将会投产一条50K的生产线，专门用于电动汽车。12K中的K代表1000，就是每股碳纤维丝有1.2万根单丝，24K就是每股2.4万根，50K就意味着，同样的设备和速度下，单股的产能大幅提升，成本也会随之降低。第三是工艺端。工艺端包括两个方面：康得复材目前生产工艺传承自宝马的生产线，对于碳纤维材料的利用率是50%，剩下50%都是废料再回收，目前，康得复材正在与慕尼黑工大共同研发一项新技术，能把材料利用率提高70%；同时，双方也在联手推动生产效率，把2分钟一个部件再提高到1分钟一件。“不要看短短1分钟，整个厂的建筑、设备、固定资产、人员这些费用不变，但是你的产能提高了一倍是什么概念？成本就降低了一倍。来源：汽车人参考、钛媒体来源：碳纤维生产技术