聊聊车企与碳纤维的那些事儿 | 硬创公开课

   

编者按：本文内容来自宝钢集团旗下宝汽新能源控股首席技术官、碳略科技首席研发工程师、欧洲汽车轻量化技术联盟理事宋廷瑞在雷锋网硬创公开课的分享，由雷锋网旗下栏目“新智驾”整理。

本期公开课要点：

• 汽车轻量化的意义；

• 碳纤维复合材料的现状；

• 汽车厂商如何获取碳纤维复合材料；

• 复合材料对传统汽车四大工艺的颠覆。

对于整个汽车产业而言，影响汽车未来发展两个非常大的因素：

一是越来越严苛的环保法规；

二是对于科技创新的无限追求。

这两点比较迫切的，压在汽车厂商头上的应该是环保法规。中国现在的环保法规，已对 2020 年有一些明确的碳排放的指示。

较之中国而言，欧洲的法规更加严苛。对于这一点，原来在 2020 年达成的碳排放，因为整个欧洲汽车厂商的反对，所以推迟了一年，让 95% 的新车在 2020 年，实现 95 克/千米碳排放；100% 的新车要在 2021 年实现达标。基于这一点，促使欧洲汽车厂商开始思考如何达成这样的目标。

欧洲汽车厂商面对这样的问题，他们采取了什么措施？

汽车发展的四个方向（以通用汽车全球研发总监的版本）：轻量化、电动化、智能化、网络化。这是电动汽车，尤其对自动驾驶和智能电动汽车而言的四个基本点。

目前，传统的燃油车规模非常庞大，电动车占有率非常少。想实现碳排放的标准，传统汽车的发展路线是怎样的？传统汽车可以通过三个路径来实现：

• 车身轻量化；

  
  

• 发动机小型化；

  
  

• 最可行、经济化的应该是混合动力。

我们以宝马发动机为例，之前宝马 N20，N200 这样的发动机已经非常先进。但是从宝马 i3 开始，宝马开始使用它的 B 系列发动机，开始慢慢实现小型化。

汽车轻量化：复合材料的应用

应用于汽车轻量化的复合材料，尤其是先进复合材料，是指用碳纤维等高性能纤维增强的复合材料。

复合材料的原型可以从最早的，我们祖先从原始社会搭建用的稻草和泥土房子这种原型看出来，基本上可以形象比喻成碳纤维或者是其他高性能纤维，称之为我们的“钢筋”，树脂或者是塑料称之为它的“水泥”。

这样形成了一个先进的、两种材料相互复合的一种新材料，我们称之为“高性能的复合材料”或“先进复合材料。”它有很多优点。包括高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼抗震性好以及性能可设计等特性。尤其是性能可设计，这是颠覆传统产业、传统材料的。

上图是我们在欧洲高性能跑车使用碳纤维的开发案例。我们重点讲两款车：

第一款车是兰博基尼的 Sesto elemento（第六元素）。第六元素在元素周期表中代表「碳」。这款车除了轮胎和发动机外，是全碳的碳纤维跑车，全球限量二十辆，它是与波音公司联合开发的。

第二款是宝马的 Next 100，就是宝马百年庆典在全球做展示的那款车。这款车型体现宝马下一个 100 年汽车开发之路，它的车身结构大量地使用了复合材料。当然，并不是所有的车都必须使用碳纤维。汽车轻量化的材料有很多种：包括高强钢、超高强钢、新的第三代第四代钢，镁合金，铝合也是汽车轻量化很好的材料。

其中，我们设计团队参与的有：菲亚特 940 平台包括基于这个平台的阿尔法罗密欧，大众汽车三个平台的轻量化开发以及宝马集团的 Next 100，虽然这款车是概念车，但是它基于量产开发工艺的一款概念车。就目前而言，Next 100 这款车所有的轻量化开发技术会移植到未来宝马全新三系上。

上图是我们在 2013 年开发的经典案例。

大众高尔夫 Plus 这款车，它当时提出的具体要求是，在不增加成本的前提下，也就是不能使用碳纤维复合材料实现整车减重 250 公斤。这种前提只能通过结构优化。当然也包括奥迪 Q2，是通过铝的变量骨架和碳纤维车身的形式实现整车的重量 1.39 吨。

兰博基尼第六元素这款车是与波音公司联合开发。波音公司和兰博基尼就是通过这款车，把波音 787 在梦想客机的一些超轻量化设计，用到了兰博基尼第六元素上：

白车身、内外饰、底盘均为碳纤维导入了很多全新的工程概念和工艺，并已经将开发成果转移至新款 Audi R8 和 2015 年底上市的 Audi Q2 Crosslane。 这款匹配 5.2 升 V10 发动机、六速手自一体变速器的超级跑车的整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

在第六元素这款车中，我们基本上通过航空的一些经验，把复合材料的可设计性发挥得淋漓尽致，把传统的前围、地板、后围制成了一个零件，取代了传统的 48 个零件。

在这个项目中，我们尝试了各种复合材料的全新工艺，包括 RTM 模压成型、数控缠绕验证了复合材料和基础件的各种连接工艺，包括胶接、铆接、螺栓连接工艺等。

碳纤维复合材料现状

碳纤维分为原丝和碳丝，原丝是就相当于碳纤维的原材料，碳丝通过氧化，炭化形成了碳丝。

下图表格中列举了就是全球主要的碳纤维原丝的供应商。其中，东丽公司收购美国卓尔泰克，主要是为了布局低成本的汽车和风电领域。

上图是国内和国际主要的一些碳纤维企业的列表（不完全统计）。包括一些新兴碳纤维公司，例如浙江精功集团，河北康得新，这是未来国内非常庞大的汽车碳纤维和零部件的供应商。未来会为宝马 i3 国产化做原材料的零部件供应准备。

碳纤维的产量其实非常低，相当于钢铁和铝合金。上图可以看到：2014 年全球碳纤维总共 40 万吨左右，中国目前实际产能将近 1 万吨，但实际产量只有 3000 多吨。所以基本上国内碳纤维的现状就是，实际产量远低于产能。

但是全球范围内，碳纤维的需求量是与日俱增的，受益于美国液燃气这种气瓶的增长以及海上风电的大规模开发。

尤其是马上应对整个汽车市场，尤其新能源汽车和传统汽车的轻量化要求，汽车厂汽车产业对碳纤维的需求量实际是非常庞大的。所以，在 2020 年全球碳纤维的需求量可能实现 13 万吨。

上表格是第三方的预测，美国复合材料预测和咨询公司在去年碳纤维产业峰会上做了一个详细预测。全球碳纤维市场分为消费品和体育休闲，航空航天和工业。其中工业包括汽车风电等其他具体需求。

汽车厂商如何获取碳纤维复合材料

碳纤维的可获取性相比于钢铁、铝合金和镁合金而言，是非常差的，全球碳纤维的产量远远小于钢铁和铝合金的产量。

所以基于这一点，宝马采用的是一种跨产业链的综合的模式。宝马在 2009 年的时候采取的做法是收购了德国一家碳钎维的碳化工厂西格里公司，从产业链的下游直接通过资金并购的方式实现了对下游产业链的控股，这一点也是被很多汽车厂所接受和学习的。

这当中有一个故事：2001年宝马和大众公司一项研究项目：未来什么技术突破会改变汽车的现有格局？当时没有考虑互联网因素。

两家公司得到了同样的结论：在 2020 年碳纤维制品的成本会与铝合金持平，碳纤维复合材料尤其它的可设计性和模块化，会大大的会或者彻底颠覆整个汽车的制造格局，从而完全颠覆现有的汽车产业格局。

基于此，2009年宝马通过购买西格里 16% 的股份来对抗大众汽车所购买的 10% 股份，从而保证其在位于德国威斯巴登的制造商的影响力。Klatten 家族的成员之一 Susanne Klatten 是宝马的大股东，她后来购买了西格里的 27% 的股份，令宝马对这家公司控制力远远超过其竞争对手。

这也是为什么大众汽车的碳纤维开发经验远远早于宝马公司，但现在对于量产开发上，它没有赶得上宝马。这是非常重要的一个环节，在原材料端宝马拔得头筹。

同样的案例，通用汽车也是采取了与宝马类似的做法，但是没有通过并购，而是通过产业联盟的形式。通用与日本的三大碳纤维生产商之一帝人公司形成战略合作伙伴。在 2011 年底对外公布两家公司会在底特律建立一个技术中心，共同开发热塑性复合材料成型工艺。

德国三驾马车之一的奔驰与全球最大碳纤维制造商日本东丽公司也形成了一个这样的联盟，成立一个合资公司，开发一些汽车零部件复合材料。

另外就是福特和陶氏化学，陶氏化学开发的碳纤维历史很长，后来通过收购阿克萨进入了碳纤维原材料供应领域。陶氏化学和福特也形成了这样的联盟，专门用于低成本碳纤维复合材料的零部件的开发和设计。福特汽车的目标是在 2020 年新开发的汽车的重量要减轻 340 公斤。

碳纤维原材料制作商的布局

碳纤维是一个非常重要的国家战略。

日本东丽株式会社（Toray，简称东丽）、帝人集团旗下的东邦人造丝（TohoTenax，简称东邦）和三菱丽阳株式会社（Mitsubishi Rayon，简称「三菱丽阳」），这些公司目前仍跻身世界最大的碳纤维生产商行列，占据了全球 70% 以上的市场份额。

根据国家知识产权局《产业专业分析报告——高性能纤维》一书中的统计，全球范围内碳纤维生产工艺领域申请量进入全球排名前10位的都是日本申请人，而 CFRP 领域申请量排名前 10 位的有 9 位都是日本申请人。所以这一点不管是研发能力还是产业化能力，日本远远领先于全球任何一个国家。

应对于汽车产业的大规模对碳纤维的需求，原材料制作商也做了一个积极的布局。

东丽集团

•  2013 年 3 月收购日本赛车设计和制造商童梦 Carbon Magic 公司； 

• 7 月买入美国汽车碳纤维部件供应商 Plasan Cabon Composites 公司 20% 的股权（是美国唯一的豪华轿车 CFRP 车体面板一级供应商，同时自身拥有可将 CFRP 部件的生产成型时间缩短至 17 分钟的技术）； 

  
  

• 2013 年 9 月东丽公司以近 6 亿美元收购美国碳纤维生产商卓尔泰克； 

三菱丽阳 

• 2012 年 11 月完成收购日本 CFRP 零件制造商 Challenge 公司和德国多轴向织物制造商 TK Industries 公司；

  
  

• 12 月与韩国 SK Chemicals 公司建立了工业应用 CFRP 预浸料生产同盟；

  
  

• 2013 年 2 月成立新公司整合其在美国的碳纤维业务；3 月兼并三菱化学旗下的丙烯腈单体生产企业大野绿水公司；

  
  

• 9 月与泰国能源企业 PTT 就 CFRP 业务签订 MOU；

三菱丽阳则与宝马和西格里集团 3 方合作，在 2014 年宝马 i3 系列纯电动车 BMW MegacityVehicle 为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。这款车的市场表现，将在很大程度上决定未来 10 年 CFRP 在通用汽车领域的发展方向。

上图国际上主要的碳纤维的市场上的报价。

工艺的颠覆

我们讲的「颠覆」其实就是基于原来的工艺基础上作的深化，汽车四大工艺：冲压、焊接、涂装、总装在未来会有很大的变化。

• 冲压会被复合材料成型中的模压和锻造工艺所替代；

  
  

• 未来整车不会有太多的焊接，除了热塑性复合材料会用超声波做一些焊接外，焊接基本上会被胶接、铆接这样的工艺所替代；

  
  

• 由于复合材料没有耐腐蚀性的要求，基本上有些车型已经不需要涂装，而且涂装哪怕是外附件涂装温度也不会很低，像某些注塑件，其涂装温度只有 85 度；

  
  

• 复合材料成型，整车模块化以后，其总装生产线长度要求会大幅度减少，因为整车只有几十个模块，车的组装节奏将会变得非常快。这对于总装线的投入成本会大幅度下降；

所以说，新材料尤其是复合材料大规模应用会降低整个汽车制造商的准入门槛，因为它基本上投入的资金量不会特别庞大。简单地说，如果传统汽车做 10 万辆车，最起码要十几亿人民币的投入，但是复合材料车身的话，1 亿欧元就差不多了。

对于汽车零部件复合材料的成型，我们大致分为两个领域，对应的工艺也有所不同：

• 一个是小批量定制化的超跑和赛车市场；

  
  

• 另一个是大规模量产的乘用车和商用车市场。

例如，跑车和赛车市场比较成熟的工艺是基于航空航天领域的工艺，但这个工艺很难用于规模量产的乘用车和商用车，对应的工艺我们有快速上升的 IRTM、HP-RTM 或者是复合材料锻造，或者用于碳纤维的 SMC 工艺。

上图是符合材料成型的数字化设计中心和数字化制造中心，整个过程是数据点和数据面传动和流动的过程。

复合材料可设计性是它最大的亮点，因为它会改变制造格局。我们传统金属零部件在制造的时候，非常严苛按照结构、组织、性能做设计和选材。但复合材料是根据产品零部件具体要求，先有性能要求才能反向逆推材料基本铺陈、通过组织的改变实现人为可设计性。

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