2015年碳纤维产品在车身轻量化产业中应用前景分析（图）

    碳纤维复合材料具有极高的比模量和比强度，是目前常用材料中最高的。碳纤维密度小、质量轻，密度仅为1.5-2g/cm3，相当于钢密度的1/4、铝合金密度1/2，用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时，其重量可减轻50%以上。

碳纤维增强复合材料与几种材料特性比较

    碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度，因此比强度很高。当碳纤维汽车受到强大的外力冲击时，它能抵挡住很大一部分力，在最大程度上保障乘客的安全。碳纤维不仅有碳材料固有的特点，还兼具纺织品的柔软性，另有耐高温、耐化学腐蚀、高强度、轻重量等优点，碳纤维车身件不需要进行防锈处理，更环保。

    宝马i3 纯电动汽车是全球第一款车体主要由碳纤维材料制成的量产汽车，新型碳纤维复合材料技术的应用使宝马i3 的整备质量仅为1,195 千克，比传统电动车减轻了250-350 千克。

    碳纤维在汽车上的应用，一方面能使汽车大幅减重，另一方面可以让汽车更安全。它有极佳的能量吸收能力，比金属材料还要高出4-5 倍。数年来，F1车队一直采用碳纤维复合材料制造赛车的碰撞缓冲构件，从而减少重伤事件。在发生碰撞事故后，汽车碳纤维车身修复也很方便，切掉受损的部件再粘上新的便能恢复原状。

    碳纤维增强复合材料是以各种树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树脂基复合材料(CFRP)、陶瓷基复合材料(CMC)和金属基复合材料(MMC)。

    碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的，其比强度、比模量均高于其他材料，拉伸强度比铝、钢都大，弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。

    碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP 材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数目，可以大大提高材料利用率。

    环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀抗疲劳，材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重，减少了燃油消耗，提高了经济性。

    近几年，碳纤维快速成型实现了突破，适用于工业化生产的快速、低成本制造技术已逐步趋向于成熟从而使得碳纤维复合材料已经能够满足汽车大规模工业化生产的需要。

    宝马i3 碳纤维车身大规模批量生产标志着树脂基碳纤维复合材料模压成型工艺具备低成本大批量的能力，模压成型工艺的发展大幅降低了碳纤维车身制造费用。

    碳纤维原料供应量逐步增大，原丝技术的突破，使得成本已呈明显下降趋势，原料供应及成本因素不会构成规模化应用的障碍。随着碳纤维应用不断扩大，全球及中国越来越多企业具备车用碳纤维材料的生产能力；同时，为提高碳纤维复合材料的用量，欧美、日本等已成功研发廉价碳纤维的原丝和低成本的碳纤维生产工艺，并投入应用，使碳纤维的价格有可能降低到约7-8 美元/千克。据德国碳纤维发展联盟MAI 的研究，到2017 年碳纤维的生产成本将降低90%。目前国产T300 碳纤维（可满足车用）的价格已到100 元/千克。

    宝马汽车目标是到2020 年碳纤维复合材料车身成本降至与铝制车身相当，适时碳纤维车身将迎来快速发展期。

    碳纤维复合材料制造效率低成本高，在汽车行业主要是应用在赛车、超级跑车及少量高性能改装车上，传统汽车减重主要还是通过更低成本的工程塑料、铝合金及镁合金等。传统汽车无续驶里程焦虑症问题，汽车减重的迫切性并不高，加之成本较工程塑料及铝合金等高出不少，至今碳纤维复合材料减重在传统汽车领域尚无大量应用。随着未来汽车企业降油耗压力增大，在工程塑料及镁铝合金等减重基本无潜力可挖后，加之碳纤维汽车部件成本大幅下降，碳纤维复合材料在节能与新能源车上应用有望推广开来。

    在新能源汽车的革命性浪潮中，新能源汽车电池的单位重量能量密度低、航能力低、充电等配套设施不完善、制造成本高等成为制约新能源汽车发展的瓶颈。在电池技术没有重大突破的情况下，续航里程成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈，因此，汽车轻量化等大幅提高续航里程的技术，成为发展新能源汽车的重要方向。

    智研咨询发布的《2015-2020年中国碳纤维行业运营态势与投资前景分析报告》指出：车体每减重30%，一次性充电行驶里程可增加33%。由于汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重，汽车每减重10%，其油耗可减少8%-10%，排放可减少10%；故而，汽车轻量化对节省能源与环境保护有着重要的意义。

    在汽车众多轻量化材料中，碳纤维复合材料具有质轻、高强、抗冲击和耐腐蚀等优异特点。与此同时，碳纤维复合材料车身生产的固定资产投资较金属车身固定资产投资大幅降低。因此，基于上述特点，碳纤维复合材料几乎是目前可选择的汽车轻量化的最佳材料，在未来相当长的一段时间内，碳纤维复合材料应用也成为新能源汽车车身轻量化的主流方向。

    在新能源汽车上，尤其是纯电动汽车，除了电池以外，车身是最具减重的部件。目前车体重量的3/4 是钢材，轻量化空间很大，而碳纤维复合材料有足够的强度和刚度，是车身材料的最好选择。

    英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，研究结果显示，碳纤维复合材料零部件可使汽车车身减重50%以上。

CFRP 汽车零部件轻量化实例