摘要：節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，汽車的輕量化發(fā)展是解決問題的關(guān)鍵之一。本文重點(diǎn)介紹碳纖維材料在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用、市場前景以及發(fā)展所面臨的阻礙，剖析了汽車用碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

汽車輕量化，是指在保證汽車的安全性能和強(qiáng)度的前提下，盡可能地降低汽車的整體質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，達(dá)到降耗減排的目的。相關(guān)研究表明，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%，而汽車整車質(zhì)量減少 100kg，油耗降低0.5 L /100 km，二氧化碳排放可減少10g/Km，加速性能提升 8%-10%，制動距離縮短 2-7m。

碳纖維是汽車輕量化新材料的最佳選擇

汽車輕量化有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化新材料、輕量化成型制造工藝三種方法，其中新材料和新工藝的效果較為顯著，目前應(yīng)用較多的汽車輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和碳纖維，其中碳纖維具有低密度、高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞性能好、耐腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、減震等明顯優(yōu)勢，是輕量化的最佳選擇(見表1)。使用碳纖維復(fù)合材料可使車身質(zhì)量降低60%以上，續(xù)駛里程提高25%以上，既能降低質(zhì)量及油耗，還能讓汽車更輕便靈巧。

表1 碳纖維與其他汽車輕量化材料對比

(資料來源：公開資料整理)

碳纖維在汽車輕量化上的應(yīng)用

1979年，美國福特公司提出了用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行汽車輕量化制造的構(gòu)想，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在車體面板、傳動軸和板彈簧、發(fā)動機(jī)機(jī)體、連桿和活塞等部件。20世紀(jì)80年代以后，隨著碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用，復(fù)合材料不僅能夠用于制造簡單的汽車非承力件，還能夠用于制造承力件。目前碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)在汽車車體和零部件中都得到了廣泛應(yīng)用，如汽車的車身、內(nèi)外飾、尾翼、汽車底盤、發(fā)動機(jī)罩等(見圖1)，碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的滲透率正在不斷增加。

圖1 碳纖維復(fù)合材料在汽車零部件中的應(yīng)用情況

(資料來源：公開資料)

德國寶馬公司在碳纖維汽車輕量化領(lǐng)域一直走在世界前列，是第一個(gè)大批量使用碳纖維作為車身材料的整車廠商。豐田、通用、奧迪、奔馳、大眾、福特、日產(chǎn)等為代表的知名國外廠商也已經(jīng)開始介入碳纖維產(chǎn)業(yè)，逐漸將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到旗下不同車型。

表2 碳纖維在汽車上的應(yīng)用實(shí)例

(資料來源：申萬宏源研究)

汽車輕量化趨勢拉動了全球汽車工業(yè)對碳纖維的需求(見圖2)，近年保持持續(xù)增長趨勢，2017年全球碳纖維在汽車領(lǐng)域的需求量已達(dá)0.98萬噸，占全球碳纖維需求總量的11.64%。

圖2 全球汽車領(lǐng)域碳纖維的需求量

(資料來源：公開資料整理)

國產(chǎn)汽車領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用還處于起步階段。奇瑞、觀致、北汽等已開始將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在新能源電動汽車上：2014年奇瑞公司和中科院合作推出的插電式混合動力車艾瑞澤7，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在車身上，外殼減輕了10%的重量，降低7%能耗，車身總體減輕40-60%的重量;2017年，北汽集團(tuán)與康得復(fù)材簽訂了中國首個(gè)碳纖維汽車部件量產(chǎn)訂單;2017年北汽集團(tuán)生產(chǎn)的電動汽車ARCFOX-1用了康得復(fù)材設(shè)計(jì)開發(fā)的整體成型碳纖維復(fù)合材料上車體。

突破成本制約，汽車碳纖維復(fù)合材料將迎來廣闊前景

我國汽車工業(yè)自2000年后保持快速擴(kuò)張，2000-2017年復(fù)合增長率達(dá)到22.75%,目前已經(jīng)形成了巨大的汽車工業(yè)規(guī)模，制造環(huán)節(jié)構(gòu)成單輛汽車大約一半的成本，汽車輕量化擁有大規(guī)模的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。現(xiàn)階段我國汽車以鋼材作為主要的車身材料，比重達(dá)到55-60%，汽車輕量化程度較低。汽車及電動車的產(chǎn)量增長、汽車輕量化材料占比的增加將給汽車用碳纖維帶來巨大的市場需求，根據(jù)預(yù)測，到2025年國內(nèi)汽車產(chǎn)量將達(dá)到3000萬輛，電動車達(dá)到600萬輛，按照分別減重25%和50%的標(biāo)準(zhǔn)，汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求至少將達(dá)到10萬噸。

但碳纖維昂貴的價(jià)格使其應(yīng)用范圍受到極大的限制，目前汽車用碳纖維單價(jià)高達(dá)400元/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的輕量化材料，只適用于豪華型汽車或者跑車，在汽車行業(yè)的滲透率較低。根據(jù)專業(yè)測算，汽車用碳纖維需要下降到60-100元/kg，經(jīng)濟(jì)性將與鋁合金一樣，高成本是汽車用碳纖維大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的一大阻礙，是生產(chǎn)汽車用碳纖維的企業(yè)亟需解決的一大難題。

碳纖維企業(yè)和各大研究機(jī)構(gòu)都在探索降低碳纖維成本的路徑，主要包括：規(guī)模效應(yīng)，但存在邊際遞減效應(yīng)，產(chǎn)量超過1000噸后效果不明顯;原絲材料：采用瀝青基原絲代替主流的PAN基原絲可以使成本下降30-40%;垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)谴笮吞祭w維企業(yè)的普遍做法，產(chǎn)業(yè)鏈一體化能夠提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減低成本。

結(jié)語

碳纖維以優(yōu)異的力學(xué)性能成為汽車輕量化的最佳選擇，在汽車工業(yè)得到大力推廣;我國汽車碳纖維擁有巨大的市場潛力，但較高的成本限制了汽車用碳纖維的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，降低成本將成為汽車用碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大主題。