2018年8月8日,前途汽车旗下首款车型——前途K50正式上市,这是国内首款量产型碳纤维汽车。该车采用全铝合金车身框架,除前、后包围和侧裙等部位外,其余部位均采用碳纤维材质……
轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。AI《汽车制造业》记者近日采访了前途汽车(苏州)有限公司研究院副院长、苏州华特时代碳纤维有限公司总经理熊飞先生,从碳纤维技术发展、材料、结构和性能等方面,共同探讨了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。

前途汽车(苏州)有限公司研究院副院长、苏州华特时代碳纤维有限公司总经理熊飞先生

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轻量化是一项系统工程
汽车轻量化是一项系统工程,需要从材料、结构设计和工艺三个方面综合考虑,这是一项持续性的工作,也是主机厂与上下游供应商的整合和共同开发能力的一个体现。
早在1898年,世界上第一个文字类的汽车广告上,汽车轻量化就是一个重要的卖点,广告语中无不体现更轻、更经济、更安静、加速性能和操控更优等特点,可以说汽车轻量化从开始发展到现在都是以环保、节能和提升性能为主要发展方向。
汽车轻量化可以通过轻量化材料、轻量化结构和轻量化制造技术实现。在众多的轻量化材料研发和应用中,铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维以及碳纤维复合材料都各具特色,碳纤维复合材料更具有优异的综合力学性能。2010年前后,全球碳纤维技术研究进入了快速发展阶段,主要集中在美国、德国、日本、中国和韩国等国家,德国、美国等国家更注重核心技术,掌握着大部分研发关键点,目前,全球领先的碳纤维技术主要应用于汽车轮胎、摩擦材料、增强材料、成型制品和饰品等。
得益于日益严苛的排放法规、快速发展的新能源汽车及中国制造对汽车轻量化的要求,我国的轻量化技术在近几年来取得了长足的发展,国内主机厂在开发新车型及改款车型中,轻量化指标都成为了一个非常重要的目标,已有不少很好的应用。“汽车轻量化已经从分散化、高端化和单一化走向了集成化、普及化和多元化。但从整体上看,国内的轻量化水平和国外还有一定的差距,主要体现在设计、工艺和材料领域,供应商、主机厂的上下游产业链的闭环上。”熊飞博士谈到。

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前途汽车碳纤维零部件

轻量化变革与新能源汽车
目前来看,新能源汽车的发展痛点之一是充电效率及续航里程,其中续航里程与汽车重量息息相关,这也就注定了新能源汽车必须对轻量化研究与应用投入足够的资源。当然,目前国内快速发展的新能源汽车,在轻量化研究中也都在努力,就像前途汽车在K50上下了极大的功夫。
新能源汽车轻量化的变革主要为设计的变革、材料的变革(如铝合金、碳纤维及其他复合材料等轻质材料),而这些变革必然推动着工艺的变革,可以从设计、材料和工艺的互相制衡、促进的关系推动轻量化的进步。
目前国内新能源汽车领域中,铝合金及其他轻质合金、碳纤维及其他复合材料都得到了大量的应用,但是也面临着许多挑战,轻量化材料的应用对产品的设计、产业化的落地来说,都带来了不少的问题和挑战。以车身技术路线来说,传统主机厂如何采纳新的轻量化技术路线而又可以最大限度地利用现有资源是工程师一直关注的问题,不同材料和工程化的资源以及产品设计对产品的产业化又极为重要,而对于新的公司,选择怎样的技术路线,不仅仅决定了成本,也决定了产品的工程化能力,因此,轻量化一直以来都是汽车主机厂的关键核心竞争力之一。

 

轻量化的新宠——碳纤维
碳纤维作为一种高强度、低密度材料,同时碳纤维优秀的各向异性性能使得碳纤维复合材料能够在汽车轻量化中充分体现“合适的材料用在合适的地方”这个重要的功能性。碳纤维凭借得天独厚的优势,被称为汽车轻量化的“终极材料”。
在众多的轻量化材料中,碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能:比强度(强度与密度之比)、比模量(模量与密度之比)和比吸能(有效破坏长度内单位质量吸收的能量)都相当高,在等刚度或等强度设计原则下,碳纤维复合材料结构比低碳钢结构减重50%以上,比镁/铝合金结构减重达30%,同时其可减少70%装配零件数量,拥有良好的抗疲劳性和耐蚀性,零件使用寿命高。
同钛、钢和铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低和线胀系数小等特点,从最开始的赛车,再到后来的高性能跑车,碳纤维都用在了保护乘员的最后一道防线——乘员舱上面,作为乘员舱的主要材料或者加强材料,如结构增强、外观和功能等位置或区域,比如说宝马i系列、兰博基尼和阿尔法罗密欧等。它能在突然猛烈的撞击中,保证乘员舱不变形,安全性能十分显著,但是碳纤维的性能受诸多因素影响,如碳纤维丝束性能、树脂性能、编织方式、铺贴方向及铺贴层数等,所以正由于受上述诸多的因素影响,要精准地设计、分析、模拟和制造目前仍有一定挑战。
碳纤维材料本身的价格昂贵,工程化成本比较高,生产节拍与传统冲压相比缓慢,最初只有在一些昂贵的高性能跑车及赛车上应用,并且由于碳纤维独特的纹理,一度被用在外饰件或以装饰为主的一些零部件。随着人们对碳纤维技术深入研究,在汽车的应用领域也逐渐扩大,其创新产品也逐渐增多,逐步应用在一些亲民的新能源汽车中。
碳纤维件的成本主要构成为材料成本、工艺成本、人工成本和后处理成本。受产量和需求的影响,碳纤维的材料成本在过去的几年内也有了大幅度的下降,其成本也在不断降低。究其原因,产品的设计和成型工艺的不断进步是最主要的原因。熊飞博士谈到:“碳纤维产品的成本降低,需要在工艺上进行新的创新,就如同在前途K50上采用新的生产制造工艺。碳纤维本身的问题如碳纤维表面质量、尺寸稳定性和效率等,都需要通过产品的设计、工艺的优化及制造的工程化来实现。”

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碳纤维纹理

碳纤维的应用与发展
从20世纪末开始,汽车领域的碳纤维技术发展速度逐渐加快,尤其是2010年以后,碳纤维技术进入了快速发展阶段,并在近几年仍保持着强劲的发展势头。碳纤维的生产和需求正在逐年快速稳步地增长,特别是碳纤维在工业上的应用即将迎来大幅度的增加。然而,尽管碳纤维显示出了巨大的应用前景,但碳纤维的应用依然受制于它的高成本和低性能。只有不断地降低碳纤维的生产成本和提高碳纤维的力学性能,才能真正扩大和提升碳纤维的应用空间。因此,碳纤维的低成本化和高性能化已成为当今碳纤维研究领域的热点和焦点,世界各国的研究者和企业正在努力从事低成本高性能碳纤维的研究和开发工作。
“随着成型工艺的发展,成型时间不断缩短,加工成本也不断降低,碳纤维材料的成本降低,碳纤维逐步开始应用在一些亲民的新能源汽车上,其中最具代表性的车型为宝马i3和前途K50,它们作为世界上少有的批量应用碳纤维的车型,代表着碳纤维未来大规模生产的发展方向,宝马i3代表的是高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM),前途K50代表的是快速预浸料模压工艺(HS-PCM),而这种快速预浸料模压工艺在产品一致性方面的优异表现使其适于大批量应用,毫无疑问是一个未来的发展方向。”熊飞博士说道。

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宝马i3

前途K50作为国内首款全碳纤维覆盖件的量产车型,也是全球范围内除宝马i系列之外真正意义上的批量应用碳纤维的全新设计开发的电动车。前途汽车一直秉承技术创新,轻量化技术充分体现在前途汽车公司下的每一款产品上,如前途K50,前途汽车始终坚持一切技术创新,包括轻量化技术的应用都要反馈到客户体验、客户价值中。前途汽车坚信轻量化是未来的发展方向,在前途K50的全新正向开发设计过程中,碳纤维覆盖件和全铝合金框架式车身结构使得前途K50成为轻量化领域的标杆。铝合金的应用实现车身减重约40%,碳纤维的应用实现覆盖件减重超过60%,整车轻量化效果(轻量化系数)超过了同级别的轿跑车。前途汽车K50的高性能跑车的全车29个碳纤维零部件都来自苏州华特时代碳纤维有限公司,该公司是一家以碳纤维复合材料为主体的集研发、生产与制造为一体的零部件公司,也是目前行业里唯一拥有快速固化预浸料模压全自动化生产线的公司,可从设计、工艺和制造全方位为客户提供优秀的碳纤维产品。未来碳纤维的应用会大量出现在结构增强、关键连接部位、功能提升改善等区域,相信前途K50上碳纤维的大批量应用也会推动碳纤维行业的持续发展。
目前制约碳纤维产品开发的因素是还需要更多的应用基础研究。碳纤维复合材料结构设计、成型工艺、连接工艺、质量控制、相应标准的建立与完善、修补技术和回收技术等都是碳纤维应用面临的挑战。

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前途K50

总结
目前来看,碳纤维应用领域主要分布在体育休闲、工业应用、航空航天等,基本上都是小批量、高成本和定制化的产品。碳纤维作为新材料之王,在性能上拥有着其他材料无可比拟的优势,碳纤维复合材料汽车零部件设计制造关键技术已成为中国汽车产业节能环保、转型升级的战略举措。随着碳纤维价格的不断降低,小批量、多品种车型的不断涌现,碳纤维复合材料将会在汽车上有更广泛的应用,未来碳纤维必然会朝着规模化、低成本化、高性能化和自动化发展,因此碳纤维技术在未来的发展将继续以强劲动力快速向前。