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成本高企 CFRP真的是汽车轻量化的最佳原材料吗

2017-03-16 20:14      责任编辑:杨又    来源:www.newsijie.com    点击:
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成本高企 CFRP真的是汽车轻量化的原材料吗

        作为汽车制造行业的风向标,宝马是率先将碳纤维应用到车体制造中的品牌之一,但是,宝马新一代i3却有意向将碳纤维车架改回铝合金材质,原因主要来自于高昂的成本。
 
        据新思界产业研究院新材料领域研究员介绍,近年来碳纤维原材料的价格持续走低,以东丽碳纤维产品为例,T700约200元/公斤,T800约400元/公斤。碳纤维制造汽车的成本之所以居高不下,是由于碳纤维汽车组件价格在很大程度上是由技术成本决定的。技术成本包括技术开发成本和技术服务成本,碳纤维汽车设计对应的人才和资源比较少,从事碳纤维汽车量产部件设计的人才非常缺乏,因此,无论是为开发新技术、新产品、新工艺的研究开发费用,还是为满足客户需求提供的后期服务费用都存在垄断性。另外,汽车规模化生产需要大量的碳纤维产品,但是传统的加工工艺生产出的产品一致性差,难以满足需要。
 
        即便如此,在日益严苛的燃油效率管制及CO2排放法规的挑战下,碳纤维作为唯一能够降低50%车重的新材料,仍然受到汽车厂商的热捧。除了宝马外,大众、梅赛德斯、福特、通用、克莱斯勒等企业正在专注于将CFRP用于批量生产的汽车。当前,各大汽车制造企业均在积极布局CFRP,不乏有汽车公司联手碳纤维生产厂家,形成“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。目前,在CFRP领域,德国宝马公司已经率先完成CFRP车身产业化工作,形成了CFRP车身全产业链。中国汽车企业如长城、奇瑞、北汽、东风、比亚迪等也在积极展开CFRP在汽车上的应用研究,但是零部件开发较多,整车开发不足;概念样车较多,量产车型鲜见。
部分车企CFRP领域布局
 
汽车用CFRP市场现状
 
        近年来,CFRP在汽车中的应用比例有着明显的提升,特别是在宝马I3和7系车型中大量使用碳纤维后,车企对于碳纤维规模化应用的热情高涨。2010-2016年间,全球CFRP在汽车领域中的需求量年均增速达到21.5%。2014年,全球汽车领域对于CFRP的需求量为6895吨;2016年,全球汽车领域对于CFRP的需求量达到9730吨。全球CFRP市场的快速增长主要是由于豪华汽车、赛车以及其他高性能汽车领域对于CFRP的强劲需求。

 
 全球CFRP汽车领域需求量
数据来源:新思界产业研究院
 
        从全球范围来看,碳纤维市场主要被日本企业所占据,包括东丽、帝人、三菱、东邦等公司占据全球碳纤维的大部分市场。不过虽然日本企业占据着全球大半碳纤维市场份额,但是在碳纤维材料的车身和保险杠等零件的量产加工技术方面比较落后。
 
        对于国内企业而言,大部分车企及CFRP生产企业,在CFRP产业链方面尚未建立起紧密联系,产业链衔接松散。传统的汽车生产企业以金属材料为基础,对于复合材料的设计及应用方面还不成熟;而CFRP零部件生产企业缺乏整车制造经验,因此,上下游企业协同作战,共同完成全套解决方案的制定和实施,对于中国车企及CFRP生产企业都十分重要。
 
CFRP如何在汽车行业突围
 
        目前,车企和碳纤维生产企业仍在探索CFRP材料的应用,对于终端用户而言,希望以更少的投入获得更大的回报、更好的质量和更高的安全性,因此车企和碳纤维生产企业必须要为客户的需求变化提供相应的产品。CFRP作为在汽车行业最有前景的轻量化材料之一,在实际的大规模应用方面仍面对着许多的挑战,包括:
 
        1、降低成本:碳纤维原材料价格近年来随有所降低,但是相对于其他汽车轻量化材料,碳纤维的价格是钢材的近30倍、铝材的10倍,极大的限制了其在汽车行业的应用。
 
        2、循环周期长,加工成本高:热固性树脂CFRP固化交联时间需要数小时,是金属冲压部件的上百倍,严重影响生产效率,影响大规模使用。
 
        3、设计和工程开发难度大:CFRP设计汽车方面需要专业的人才,对于铺层数量、角度、层间结合、零部件集成、脆性材料、连接部位力学分布、连接位置及强度均需要复杂设计。
 
        4、回收:CFRP在汽车中大规模应用后难免要面对回收问题,热固性CFRP不溶不熔,材料回收方面技术难度较大。
 
        5、维修成本高:以宝马i3为例,碳纤维组件一旦出现问题需要更换,而为了考虑强度,碳纤维车身的分块较少,因此每一个组件都相对比较大且复杂,因此更换部件的成本很高。
 
        事实上,随着各大企业加大碳纤维领域的研发投入,碳纤维技术在多方面取得突破性进展,如宝马和西格里合作开发的高压树脂传递模塑成型技术、通用汽车和帝人采用的热塑性基体材料预浸料技术、戴姆勒采用的东丽开发的短周期RTM工艺、戴姆勒和克莱斯勒公司采用的SMC成型加工技术、美国橡树岭国家实验室的CFRP零部件3D打印技术、宝马的CFRP碎料重新合成汽车用CFRP技术等。
 
        汽车轻量化作为当前汽车行业发展的一大趋势,是发展的必然结果。CFRP目前在汽车制造方面由于成本高昂,经济效益并不显著,但是长远来看,CFRP在汽车领域仍具有极大的发展潜力。
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