碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用

碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

“碳纤维涉及诸多学科、跨越有机纤维向无机纤维转变。”沈副所长说，“碳纤维是航空航天、新能源、节能环保、高端装备制造、轨道交通轻量化等产业发展的关键战略材料，对推动传统产业转型升级和技术创新、保障国家安全等都起到重要作用。”

我国碳纤维产业现状：企业多、需求量大，但产能产量较低

沈副所长首先对碳纤维的市场情况进行了简单介绍：2020年世界碳纤维需求量10.69万吨，未来5年的年均增速15%以上；而我国2020年的碳纤维需求约量4.89万吨，自产碳纤维1.2万吨，对外依存度约为68%，且主要应用领域于体育休闲等低端领域，航空航天等高端领域应用相对还比较少。近年来，我国碳纤维生产企业积极进行产品研发和产能扩张，我国碳纤维自给率不断提高。

目前我国碳纤维生产企业20余家，其中千吨级以上规模的企业包括：威海拓展、中复神鹰、江苏恒神、中安信、吉林精功、中国蓝星、中国石化；主要研究机构包括：北京化工大学、山西煤化所、上海石油化工研究院等。

碳纤维复合材料在汽车领域应用：助力汽车轻量化的良材

●  在车身及部件的应用
“碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构的最轻材料，采用碳纤维复合材料预计可使汽车车身和底盘减轻质量40-60%，相当于钢结构质量的1/3~1/6。”沈副所长说。
碳纤维复合材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等优点，是理想的轻量化结构材料。自2013年BMW i3成功问世以来，碳纤维复合材料在汽车领域，特别是新能源汽车中保持快速增长态势，2019年达到11800吨。“国内尚属起步阶段，2019年仅为700吨，但是随着新能源汽车销量的快速增长以及碳纤维复合材料在汽车结构件中应用技术的不断成熟，未来市场空间巨大。”

接下来，沈副所长对碳纤维复合材料在汽车结构上的应用进行了详细解读，他表示，目前绝大部分汽车结构件可采用碳纤维复合材料生产，包括：外部结构：四门两盖、车顶、翼子板、车灯等；车身结构：纵梁、底板、A柱、B柱、C柱等；底盘：传动轴、轮毂、板簧等；电池包：上盖、托盘、电池模块支架等。

例如，上海石化与国内某著名电动汽车厂商合作，开发新能源汽车电池箱盖板用片状模塑料（SMC），解决了碳纤维强度发挥率不高、树脂气味大等方面的问题。上海石化也正在合作开发碳纤维传动轴、碟型樑和动力电池包托盘等部件。

在谈到碳纤维复合材料结构件制造工艺与材料需求时，沈副所长表示：真空袋-热压罐成型工艺、高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）、湿法模压成型（WCM）、碳纤维片状模塑料（SMC）模压成型等工艺都在汽车轻量化过程中都有所应用。

●  碳纤维复材的3D打印
接下来，沈副所长也谈到了碳纤维3D打印在汽车中的一些应用。首先是电动汽车车身的3D打印：例如，2020年美国Local Motors公司推出世界首款碳纤维复合材料3D打印自动驾驶电动汽车Olli，其车身25%-33%采用ABS/碳纤维复合材料，加拿大多伦多将Olli作为接驳班车试用；美国Divergent技术公司利用3D打印技术，为Blade跑车打印了铝合金底盘和碳纤维复合材料车身，其打印约需40小时。这款车整车重0.64吨，百公里加速2秒，比特斯拉Model S还要轻。

除此之外，汽车改装、零部件原型也是3D打印的极佳应用场合。例如，美国SWAE公司通过3D打印碳纤维外观套件，对迈凯伦720S车型的前盖、风刀、通风口、侧裙、尾翼、扩散器进行了改进。英国的Dunlop Systems and Components 公司，还采用了Markforged公司制造连续碳纤维材料定制汽车工具。
复合材料3D打印工艺的主要优势在于成本低，周期短，能实现复杂结构复合材料构建的快速制造。在汽车领域的应用，能够实现灵活开发、不同批量生产和按需交付。

●  车载储氢罐的应用
高压储氢气瓶是碳纤维复合材料在汽车应用领域的重要方面。大丝束碳纤维用于缠绕气瓶，可使气瓶的缠绕速度提高，有效提高生产效率，降低生产成本。
沈副所长表示，上海石化也一直致力于高压储氢气瓶开发，其所开发的140L 35MPa储氢气瓶已在国内某气瓶生产企业实现批量应用；制备的50L 70 MPa Ⅳ型储氢气瓶爆破压力超过165 MPa，理论质量储氢密度高于5.0%。

“碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶被看作氢能储运的重要技术，碳纤维技术的提升，将助力氢能产业的进一步发展。”他表示。

发展趋势：低成本、快速成型、热塑性复材的应用……

最后，沈副所长对碳纤维复材技术的发展趋势进行了总结。他表示，大力开发低成本碳纤维技术迫在眉睫。目前我国碳纤维技术还处于快速追赶国际一流的阶段，低成本碳纤维技术将加大我国碳纤维的自给率。可以通过设备优化、减少接头箱式铺丝机、降低公用工程消耗等方面对大丝束单线产能进行改进提升。

此外，碳中和、碳达峰目标政策下，降低能耗是碳纤维及其复材生产企业的重要方面。碳纤维生产企业可以通过液体氧化（原液芳构化）、无预氧化、微波辅助氧化等方式来降低能耗。

而原料的多元化，也有助于降低碳纤维的整个成本。虽然其中也有一些问题亟待解决，“例哪服装用低价格碳纤维前驱体聚合物，其性能有待进一步提高；而木质素和聚乙烯则面临着如何提高力学性能的问题。”

其次，快速成型工艺的应用。沈副所长表示，复合材料结构件加工成本高，约占总生产成本的70%，限制了其用量的增长。通过快速成型工艺，例如，预浸料模压成型（PCM）、高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）、湿式模压成型（WCM），以及快速固化树脂、高效的自动化生产设备、复合材料结构-功能一体化设计等关键技术，有助于复合材料结构件的批量生产。

此外，热塑性复合材料，因其高韧性、易回收、成型效率高等优点，正显现出良好的发展潜力。
最后，得益于国家政策的支持，国内的碳纤维回收技术正以较快的速度发展。例如工业微波加热技术的应用。微波具有整体穿透性、选择性加热特性，可选择性穿透加热碳纤维，实现树脂基材料的热解，从而实现碳纤维的快速高效回收。

展望未来，随着国内碳纤维自主生产技术和工艺的进步，以及材料的拓展应用，我国与发达国家先进水平之间的差距不断缩小，碳纤维复合材料产品的应用水平也将进入快速发展的轨道，碳纤维复合材料被越来越多地应用各个领域，尤其是必将在汽车轻量化领域发挥重要作用。沈副所长最后总结说。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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