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  • 2019-04-11
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节能减排已成为汽车工业的发展重点,汽车的轻量化发展是解决问题的关键之一。本文重点介绍碳纤维材料在汽车轻量化领域的应用、市场前景以及发展所面临的阻碍,剖析了汽车用碳纤维产业的发展趋势。

摘要:节能减排已成为汽车工业的发展重点,汽车的轻量化发展是解决问题的关键之一。本文重点介绍碳纤维材料在汽车轻量化领域的应用、市场前景以及发展所面临的阻碍,剖析了汽车用碳纤维产业的发展趋势。

汽车轻量化,是指在保证汽车的安全性能和强度的前提下,尽可能地降低汽车的整体质量,从而提高汽车的动力性,达到降耗减排的目的。相关研究表明,汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%,而汽车整车质量减少 100kg,油耗降低0.5 L /100 km,二氧化碳排放可减少10g/Km,加速性能提升 8%-10%,制动距离缩短 2-7m。

碳纤维是汽车轻量化新材料的最佳选择

汽车轻量化有结构优化设计、轻量化新材料、轻量化成型制造工艺三种方法,其中新材料和新工艺的效果较为显著,目前应用较多的汽车轻量化材料包括镁合金、铝合金、先进高强度钢和碳纤维,其中碳纤维具有低密度、高比强、高比模、耐疲劳性能好、耐腐蚀性能好、可设计性强、减震等明显优势,是轻量化的最佳选择(见表1)。使用碳纤维复合材料可使车身质量降低60%以上,续驶里程提高25%以上,既能降低质量及油耗,还能让汽车更轻便灵巧。

表1 碳纤维与其他汽车轻量化材料对比

(资料来源:公开资料整理)

碳纤维在汽车轻量化上的应用

1979年,美国福特公司提出了用碳纤维复合材料进行汽车轻量化制造的构想,将碳纤维复合材料应用在车体面板、传动轴和板弹簧、发动机机体、连杆和活塞等部件。20世纪80年代以后,随着碳纤维复合材料在汽车工业的应用,复合材料不仅能够用于制造简单的汽车非承力件,还能够用于制造承力件。目前碳纤维复合材料已经在汽车车体和零部件中都得到了广泛应用,如汽车的车身、内外饰、尾翼、汽车底盘、发动机罩等(见图1),碳纤维复合材料在汽车领域的渗透率正在不断增加。

图1 碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用情况

(资料来源:公开资料)

德国宝马公司在碳纤维汽车轻量化领域一直走在世界前列,是第一个大批量使用碳纤维作为车身材料的整车厂商。丰田、通用、奥迪、奔驰、大众、福特、日产等为代表的知名国外厂商也已经开始介入碳纤维产业,逐渐将碳纤维复合材料应用到旗下不同车型。

表2 碳纤维在汽车上的应用实例

(资料来源:申万宏源研究)

汽车轻量化趋势拉动了全球汽车工业对碳纤维的需求(见图2),近年保持持续增长趋势,2017年全球碳纤维在汽车领域的需求量已达0.98万吨,占全球碳纤维需求总量的11.64%。

图2全球汽车领域碳纤维的需求量

(资料来源:前瞻产业研究院)

国产汽车领域的碳纤维复合材料应用还处于起步阶段。奇瑞、观致、北汽等已开始将碳纤维复合材料应用在新能源电动汽车上:2014年奇瑞公司和中科院合作推出的插电式混合动力车艾瑞泽7,将碳纤维复合材料应用在车身上,外壳减轻了10%的重量,降低7%能耗,车身总体减轻40-60%的重量;2017年,北汽集团与康得复材签订了中国首个碳纤维汽车部件量产订单;2017年北汽集团生产的电动汽车ARCFOX-1用了康得复材设计开发的整体成型碳纤维复合材料上车体。

突破成本制约,汽车碳纤维复合材料将迎来广阔前景

我国汽车工业自2000年后保持快速扩张,2000-2017年复合增长率达到22.75%,目前已经形成了巨大的汽车工业规模,制造环节构成单辆汽车大约一半的成本,汽车轻量化拥有大规模的相关产业链。现阶段我国汽车以钢材作为主要的车身材料,比重达到55-60%,汽车轻量化程度较低。汽车及电动车的产量增长、汽车轻量化材料占比的增加将给汽车用碳纤维带来巨大的市场需求,根据预测,到2025年国内汽车产量将达到3000万辆,电动车达到600万辆,按照分别减重25%和50%的标准,汽车领域对碳纤维的需求至少将达到10万吨。

但碳纤维昂贵的价格使其应用范围受到极大的限制,目前汽车用碳纤维单价高达400元/kg,远远高于其他的轻量化材料,只适用于豪华型汽车或者跑车,在汽车行业的渗透率较低。根据专业测算,汽车用碳纤维需要下降到60-100元/kg,经济性将与铝合金一样,高成本是汽车用碳纤维大规模产业化的一大阻碍,是生产汽车用碳纤维的企业亟需解决的一大难题。

碳纤维企业和各大研究机构都在探索降低碳纤维成本的路径,主要包括:规模效应,但存在边际递减效应,产量超过1000吨后效果不明显;原丝材料:采用沥青基原丝代替主流的PAN基原丝可以使成本下降30-40%;垂直整合产业链是大型碳纤维企业的普遍做法,产业链一体化能够提高运转效率,减低成本。

结语

碳纤维以优异的力学性能成为汽车轻量化的最佳选择,在汽车工业得到大力推广;我国汽车碳纤维拥有巨大的市场潜力,但较高的成本限制了汽车用碳纤维的大规模产业化发展,降低成本将成为汽车用碳纤维产业发展的一大主题。


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