碳纖維復合材料對于新能源汽車輕量化有何重要意義？目前行業(yè)的應用現狀如何？未來發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)和機遇？如何從全生命周期的角度來看碳纖維復合材料在汽車上的輕量化應用趨勢？近日，本刊記者邀請到中國恒瑞有限公司（以下簡稱HRC）副總裁熊飛博士，他是中國汽車輕量化領域的領軍人物，中國汽車輕量化聯(lián)盟專家委員、國際綠色輕量化聯(lián)盟執(zhí)行理事、中國數字仿真聯(lián)盟專家委專家，因而對行業(yè)現狀與技術趨勢有著全面、深刻的見解。
中國恒瑞有限公司副總裁熊飛博士
1、與輕量化如影隨形的碳纖維
眾所周知，全球倡導車企節(jié)能減排，輕量化勢在必行，同時燃油減耗目標高，輕量化優(yōu)勢凸顯。研究表明，傳統(tǒng)汽車整車重量每降低10%，油耗降低6%~8%。例如，我國2020年燃料消耗目標值為5L/100km，而2019實際值距離目標仍有差距，政策要求下使得主機廠逐漸接受輕量化帶來的部分成本上漲，滲透率進一步提高。
更為關鍵的是，電動化時代加快到來，近期國務院會議通過的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》進一步明確了未來5年、15年的新能源汽車目標，到2025年新能源汽車新車銷量占比要達到25%左右，到2035年國內公共領域用車全面實現電動化。新能源汽車搭載三電系統(tǒng)和大量智能化設備，相對傳統(tǒng)汽車增重比較大，因而對輕量化需求更為迫切，碳纖維這種低密度材料的使用更能直觀的減輕整車重量。
現階段而言，鋁合金輕量化材料的應用已經比較普遍，但碳纖維具有無可替代的材料性能。首先，其各向異性的特性使其成為一種非常優(yōu)秀的材料，從材料級別開始就可以完成結構設計。第二，可設計性更強，設計更加靈活自由，可以針對汽車零部件的使用工況進行定制化設計，提高承載方向的0°纖維的比例，在滿足性能的基礎上，節(jié)省材料用量。第三，集成度高，造型自由，可有效減少汽車部件總成的零件數量。鋼板和鋁合金的零部件結構造型受制于材料特性和再造工藝的限制，像翻邊倒扣、變厚度、盒型結構、加強板等結構需要由多個金屬零件焊接、鉚接或膠接等方式進行組合，纖維增強復合材料是由多層已經預浸或未預浸樹脂的纖維織物疊層形成的，所以可以自由進行變厚度設計，并且金屬材料可以作為嵌件放置在纖維織物之間與復合材料一體固化成型，滿足不同的造型要求和載荷工況要求，在整車設計階段大大減少零部件的單獨設計和裝配設計時間，降低了設計成本。第四，復合材料有更高的阻尼特性，可以改善整車NVH性能，提升駕乘舒適性，經過合理的設計，可減少NVH聲學包的成本。最后，復合材料的生產制造設備投入和模具投入低，生產線調試和模具調試時間短，這就降低了新車型開發(fā)的資本門檻。
華西證券的數據表明，2019年全球碳纖維需求量達到103.7千噸，中國需求量達37.8千噸，而2019年碳纖維應用于汽車行業(yè)僅占2%，汽車需求量為0.75千噸。未來，隨著碳纖維原料成本的逐漸下降與高效制造工藝的不斷成熟將帶來更有競爭力的最終零部件成本，單車碳纖維使用量逐步增加，預計2025年全球碳纖維需求量將達到112千噸，汽車碳纖維應用占比增加至5%，汽車碳纖維用量將達到5.6千噸。這也充分說明，碳纖維在助力汽車輕量化方面大有可為。
2、基于性能考慮的全生命周期，是碳纖維應用的一大驅動力
更關鍵的是，一個具有競爭力、可持續(xù)發(fā)展的產品，必須從多個維度進行評價，小到零部件產品本身，大到整個行業(yè)發(fā)展方向等層面來看，從全生命周期的角度評估來鑒定一種技術、一個產品極為重要。
產品的LCA即產品生命周期評價包括了幾個方面：一是與產品、工藝或行動相關的環(huán)境負荷的客觀過程，它通過識別和量化能源與材料使用和環(huán)境排放，評價這些能源與材料使用和環(huán)境排放的影響，并評估和實施影響環(huán)境改善的機會，涉及產品、工藝或活動的整個生命周期，包括原材料提取和加工，生產、運輸和分配，使用、再使用和維護，再循環(huán)以及最終處置；另一方面，生命周期是一個產品系統(tǒng)生命周期整個階段，從原材料的提取和加工，到產品生產、包裝、市場營銷、使用、再使用和產品維護，直至再循環(huán)和最終廢物處置的環(huán)境影響的工具。
細分到碳纖維復合材料，從汽車設計開發(fā)制造，到使用報廢回收全生命周期過程，它的參與不但能降低綜合成本，而且可以顯著降低CO2排放量，實現經濟和環(huán)境的雙贏。
在汽車的整個開發(fā)過程中，碳纖維復合材料所帶來的好處已十分顯著。以汽車外覆蓋件后備箱蓋為例，傳統(tǒng)后備箱蓋是鋼板沖壓件，重量約為10kg，替換為碳纖維復合材料以后，重量可降到4kg，減重可達60%。再如，采用回收碳纖維復合材料制成的備胎倉，其一體式設計提高了剛度，更重要的是改善了NVH性能，還大大提升了生產效率和產品一致性。
在汽車運行工況的階段，纖維增強復合材料汽車零部件的維護成本也更低。不同于鋼材的易銹蝕，復合材料在在強化環(huán)境試驗中，性能衰減很小。同時，復合材料由于增強纖維的存在，對于損傷裂紋非常不敏感，裂紋擴展緩慢，大大提升了汽車零部件的安全性、耐疲勞性和耐環(huán)境的使用壽命。另外，碳纖維復合材料徑向壓潰吸能是鋼的6~7倍，鋁合金的3~4倍，進一步保障了車輛安全。
此外，可回收利用是汽車整個生命周期必須要面對的問題。碳纖維復合材料汽車零部件在整個制造過程中的回收利用率很高，但根據不同的原材料類型，回收成本有所差異。例如，帶有預浸樹脂的預浸料廢料可以采用化學溶解的辦法進行回收，回收利用率和碳纖維性能保存率幾乎能達到90%以上。而濕法模壓和RTM工藝裁切下料的原材料是沒有浸漬樹脂的干纖維織物，下料剩余的邊角料理論上可以100%回收，回收料根據纖維長短，可以制成長纖維氈、短切纖維SMC或工程塑料的短纖填料，而這些又可作為制備汽車內外飾零部件的原材料，并且碳纖維本身的性能幾乎沒有損失。例如，寶馬i3的碳纖維零部件制造過程產生的干纖維邊角料，回收利用制成碳纖維氈，設計用在頂蓋外板和輪胎蓋板上。
熊飛博士表示，目前比較棘手的是已固化的碳纖維復合材料，比如不合格品和報廢品，以及整車報廢以后的碳纖維復合材料零部件的回收比較困難，但是隨著碳纖維用量越來越大，這一部分復合材料的回收方法日趨成熟，向低成本化和商業(yè)化加速發(fā)展。例如，回收的碳纖維以機械方式碾碎，作為工程塑料的填料，成本大幅下降的同時，也提高了碳纖維復合材料在汽車上的使用比例。從改裝的保時捷911來看，碳纖維鍛造SMC的外觀非�？犰艂�性，利用回收的碳纖維就可以達到這種效果。
如今，國內部分車企已開始在其推出的混合動力及新能源汽車上使用碳纖維復合材料。熊飛博士表示：“新能源汽車市場的利好對于碳纖維復合材料是一重大發(fā)展機遇，未來，批量應用主要集中在汽車內外飾、結構增強、功能集成三大領域。”
結構增強是一個突破口，像C柱加強件就通過局部增強設計實現了整車扭轉剛度提升7.5%，而成本卻幾乎沒有增加。在功能集成這一高附加值方面，當下，車企為了強化產品的市場競爭力并有效控制成本，汽車模塊化、集成化、平臺化的趨勢越來越明顯。碳纖維復合材料本身的靈活性和多樣性，使其最終制品具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料的可設計性和優(yōu)越性能，實現一體化成型制造，這不僅可以減少零部件的數量和模具數量，減少零部件連接等工序，還可以極大地縮短生產周期，降低制造成本。
3、更遠視和理性的布局，充分考慮全生命周期概念的碳纖維開發(fā)和應用
在汽車輕量化中，僅進行簡單的“材料替代”并沒有發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)勢。碳纖維復合材料、工藝具有多樣性等，因此一個重要的環(huán)節(jié)是滿足碳纖維復合材料特點的結構設計。比方說，產品設計時需要考慮工藝及批量生產制造的特點，材料及材料設計、工藝設計、結構設計（DFX）等都要全生命周期考慮才能充分最大發(fā)揮碳纖維的應用優(yōu)勢。
熊飛博士表示：“HRC作為汽車行業(yè)復合材料零部件供應商，我們更需要了解產品和客戶、熟悉客戶的工藝路線，提供可落地執(zhí)行的技術方案。在了解產品和客戶的基礎上，發(fā)揮自身所長，將碳纖維復合材料做成結構、性能、外觀皆具有穩(wěn)定性和一致性的部件，助力碳纖維的推進與落地，只有基于對碳纖維應用全生命周期的考慮，才能讓所生產制造的產品具有真正的價值。”
身為解決方案供應商，HRC不僅僅提供零部件、總成制造，更能在使用碳纖維復合材料的早期階段為客戶提供選材、設計等方面的建議和支持。2018年，HRC收購了擁有27年專業(yè)復材工程經驗的英國專家型公司Engenuity以加強工程設計及研發(fā)能力，可以從開發(fā)早期階段就能夠將材料整合到車身輕量化設計中，這也很大程度上提高了主機廠對新產品應用的信心。另外，2019年底，HRC與德國弗勞恩霍夫化學技術研究院（FraunhoferICT）共同建立的亞洲最大的先進復合材料技術中心（ACTC）正式投入運營，研究代表未來方向的復合材料量產技術，配備有碳纖維SMC模壓、二次注塑、自動鋪帶等多種世界領先的熱固及熱塑成型設備，以不斷滿足行業(yè)與客戶特定的應用需求。
現階段HRC在汽車領域已完成基本布局。通過早期一些熱固型生產項目的實踐，以及多樣化生產設備的引入和完善，HRC擁有更全面的方案和更有競爭力的價格來應對客戶靈活的、多元化的需求。近期，HRC完成了一大批復雜結構零部件的預浸料模壓成型，2500t和1500t碳纖維SMC壓機投入也完成了最后的調試生產，進一步擴充現有產能，可實現年產20萬件高性能復合材料零部件。
4、上下游加強合作，推動碳纖維在新能源汽車的規(guī)模量產
如今，HRC已成為沃爾沃、吉利、長安、一汽等多個國內外知名汽車主機廠指定碳纖維零部件供應商，并承擔了科技部、工信部等多個國家重點輕量化項目的共同開發(fā)任務。
國家重點研發(fā)計劃的“輕量化純電動轎車集成開發(fā)技術”項目主要研究成果——長安汽車首款碳纖維-鋁合金混合結構車身，HRC下屬全資子公司江蘇亨睿碳纖維科技有限公司作為此次項目的主要碳纖維零部件供應商之一承制了其中的重要結構部件，作為左右側圍等6個車身高性能碳纖維輕量化零部件的制造方，HRC于2020年一季度順利交付了第一批樣件，保障了這款先進混合材料車身在特殊時期的順利下線。此次順利完成科技部項目成果的交付也是其在全球范圍內稀缺的研發(fā)以及批量生產能力的最佳體現。
HRC還參與了德國政府輕量化科研項目，作為該項目演示部件的電池包，由ACTC研發(fā)團隊自主研發(fā)并使用SMC模壓&PCM混合成型工藝試制而成，950mmx570mmx280mm的尺寸條件下重量不到5kg,可滿足當下新能源車企對電池性能提升的需求。
此外，HRC將創(chuàng)新的解決方案拓展到燃料電池汽車領域。目前，儲氫罐是氫燃料電池汽車核心技術開發(fā)的關鍵技術之一，氫燃料電池汽車迫切需要具有高成本效益的新一代高壓儲氫容器解決方案來推動它本身的發(fā)展，其中，使用纏繞工藝的碳纖維儲氫罐的概念和相關產品研發(fā)使用，對解決方案的可行性將起到決定性作用。2019年，HRC與德國知名的研究機構ITA就高壓儲氫容器的市場化達成了合作協(xié)議，共同開發(fā)下一代高壓儲氫罐創(chuàng)新解決方案，并最終從小批量到工業(yè)級的規(guī)�；a。
談到對碳纖維大規(guī)模量產前景的展望，熊飛博士表示：“最重要的是，價值鏈中的上下游供應商需要加強交流與合作，這樣才有利于主機廠不斷完善對碳纖維復合材料產業(yè)供應鏈的認識，更加全面分析與理解復合材料在汽車上應用，確保他們能夠把握進入市場的機會，對大規(guī)模量產部署作出及時反應。”
