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汽车的碳纤维时代正向我们走来
发布日期:2018-08-14  来源:新材料在线  浏览次数:791
 
 8月8日,长城花冠汽车旗下首款车型——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。纯电动双门跑车,补贴后售价为68.68万元,其技术指标如下:

 

前途K50 技术数据


车身结构:2门2座跑车,碳纤维覆盖件,铝制车车身框架

 

车身尺寸:长4634 mm,宽 2069 mm,高 1253 mm,轴距 2650 mm,前轮距 1798 mm,后轮距 1791 mm,最小离地间隙 103mm,整备质量 1960 kg,行李厢容积 65 L

 

动力系统:永磁同步电机,双电机,系统总功率320 kW,总扭矩680 N·m,电池容量 78.8 kWh

 

悬挂系统:前后双叉臂式独立悬挂

 

性能数据:0~100 km/h加速 4.6 s,最高车速 200 km/h,工信部续航里程 380 km,快充时长 0.75 h,快充电量 80%,慢充时长 13 h

 

作为国内首款碳纤车身宽体双发电机纯电动跑车,碳纤维行业内都充满期待,K50除前后保险杠和侧裙之外,K50的所有车身外覆盖件均由碳纤维材料制作,总重量只有46.7公斤。据报道探索碳纤维批量生产工艺,开发出全新的高温快速固化预浸料。模压工艺,实现高度自动化生产。

 

前途K50为了塑造个性化车身和高强度车身保护,大规模使用了碳纤维覆盖件,应用于车身侧围、车身顶盖、机盖、侧车门、行李箱盖、翼子板处,包裹了车身,全车共使用29个碳纤维复合材料零部件,相较于使用传统钢板材料减重可达40%以上。为车身提供良好的可塑性和坚固性。

 

目前碳纤维在汽车中的应用遇到了一些问题,如价高、工艺受限,难以量产,缺乏汽车复材设计经验及人员。此外碳纤维复合材料在汽车上应用涉及到维修、回收,以及保险,政策等,都是需要进一步研究的问题。

 

但是即使如此,碳纤维在汽车中的应用已经有了较大的突破。目前碳纤维应用最多的四个领域分别是航空航天、风电、体育用品、汽车,汽车方面的应用在8000吨以上。当然碳纤维及复合材料在汽车中应用的方式有很多种,细细分析,有以下几大流派。

 

1、改装车和超跑

 

早期因为碳纤维阳春白雪的高贵身份和高昂价格,使其多用于跑车、赛车等高档车中,后来也逐渐用于汽车改装件中。

 

 

在这个领域,传统上有模压、RTM、热压罐工艺进行生产,追求的是艺术品的方式来打造碳纤维复合材料产品,成本和效率不是最终要考虑的问题,而是通过精工细作,做出炫的产品。

 

2、宝马及其他

 

2014年3月日内瓦车展上,宝马纯电动车宝马i3亮相,这款车型是宝马汽车i系列旗下的首款量产新车,宝马官方已经公布i3车型的海外售价34,950欧元起,约合28.3万元人民币,年售量在3万辆以上。宝马i3量产车型包含多种创新技术,像全碳纤维复合材料制造的乘员座舱模块以及铝合金构造的底盘模块。宝马i3在乘务舱内大量运用了碳纤维元素,使得这款电动车的整备质量仅为1195公斤,加之蓄电池使其在纯电动模式上续航里程可达到160公里。

 

宝马i3汽车是碳纤维材料在汽车上实用化的历程碑的进步,其家庭化的价格也一举打消了碳纤维汽车高不可攀的形象。

 

宝马i3的碳纤维乘员舱+铝合金底盘的新能源汽车的模式,在行业内是一个里程碑的事件。在这个车型上,宝马公司联合SGL公司用HP-RTM、湿法模压、预浸料模压等多种碳纤维复合材料生产工艺、对复材与复材、复材与金属等连接,以及其他碳纤维复材的应用进行了详细的研究。宝马i3的乘员舱重量大约150kg, 碳纤维用量相当可观。当然这个车型类似于宝马在碳纤维复材方面研究的摇篮曲,在此基础上积累了大量经验。

 

随后宝马又推出了i8、i7等,并宣布将在7系列推广碳纤维及复合材料,特别是7系不再追求碳纤维的视觉效应,而是体现碳纤维的本质特性,所以采用了Carbon Core技术,以及多种工艺配合。

 

宝马公司通过和SGL的共同合作开发,突破了很多碳纤维复材在汽车上应用的技术门槛,首先实现了碳纤维在汽车上的批量化应用,特别是7系作为宝马的主流车型,每辆车用碳纤维材料在50公斤以上,这个用量非常大了。所以每年统计碳纤维在汽车中的用量,全球八九千吨,一大半以上都是宝马的量。

 

3、丰田

 

“Mirai”是丰田首款量产的氢燃料电池车,如其名,Mirai被丰田汽车视为“未来之车”,于2014年12月15日在日本正式上市。日本市场,Mirai的售价为723.6万日元,另可获得200万日元的补贴,终端售价523.6万日元(约30.7万人民币,这个价格可以碾压)。这是首款量产的氢燃料汽车,在这款车上,也可以看到很多碳纤维的身影。

 

“Mirai”这个车型的开发成功,体现了日本人的一些独到之处,以及他们在碳纤维研究上的优势,他们把碳纤维的轻量化、功能化的特点体现出来,而且避开了常规的锂电池新能源车的竞争。“Mirai”用到碳纤维部表分是缠绕工艺生产气瓶、模压工艺的电池堆框架、气体扩散层等,碳纤维用量达到40-50kg,而且这些应用方式很大程度上脱离传统,走出自身的特点。随着“Mirai”计划今年的年产,碳纤维在汽车上的应用将有一个新的突破,而且30几万的价格将对很多新能源车是一个冲击。

 

丰田普锐斯是一款很多年前就开发成功的车型,作为混合动力系统奠基者,普锐斯有很多特色。在2017年新款中,三菱丽阳、丰田共同开发碳纤维后尾门。该碳纤维复材制备的汽车后尾门,不同于传统的碳纤维工艺,而是三菱开发的PCM工艺,该工艺利用快速固化预浸料作为主体构件,周边的连接部分利用短纤模塑料,在模具中共同模压得到。这样既可以充分利用连续纤维优良的力学性能,有可以利用短纤做出复杂的连接、装配结构。

 

这款复合材料行李箱盖与之前GT-R上搭载的铝合金行李箱盖相比,重量下降了40%,与碳纤维热压罐成型产品相比,生产成本降低了50%. 该工艺是一种快速的碳纤维生产工艺,其生产周期大概在2-4分钟之间,可以实现商业化应用。该工艺的开发成功,甚至使三菱某个常用于预浸料生产的碳纤维型号市场上出现了长时间断货。

 

4、 其他

 

碳纤维在汽车上的应用还有碳纤维传动轴和电池箱,传动轴在汽车上是重要安全部件,因此需要较长时间验证才能上车。目前有宝马M系列、阿尔法罗密欧Giulia、奔驰SLS AMG、日产GTR35等车型,量还不是很多。而碳纤维电池箱体是最近两年新开发的产品,目前还没有进入实际的商业化中。

 

上述的碳纤维应用的几种流派,各有特点。但汽车是世界上最成熟的、批量化的产业,不仅对产品质量、稳定性有非常高的要求,对成本要求也很高。如果要想,碳纤维在汽车领域取得大的突破,必须实现碳纤维的不可替代性。

 

碳纤维的特性决定其具有很好的前景,但目前的价格也决定碳纤维要用在“刀刃”,也即要体现碳纤维在汽车上应用的不可替代性,同时逐步提升技术,降低成本。而要实现这种不可替代性,就要实现创新性设计。一种方式是体现功能、结构上的特殊性,另外就是工艺上的先进性。这样就可能实现碳纤维在汽车上功能性的不可替代性,或者综合成本上的不可替代性。

 

所以随着技术的提升、工艺的成熟,以及创新性的设计,多种工艺的复合,碳纤维及复合材料在汽车上的应用将越来越广泛,而这又会反过来促进碳纤维成本的降低,将更加激发汽车领域技术人员应用碳纤维及复合材料的欲望。

 

作者简介


严兵,江苏澳盛复合材料科技有限公司技术总监,教育部工程教育认证专家,中国塑料加工工业协会专家组成员,中国复合材料学会会员,江苏复合材料学会常务理事,苏州大学产业导师。多年从事纤维、粉体增强的高分子基复合材料的研发、生产的技术工作,开发了多项产品投入市场,创造良好的经济效益,在科学期刊发表论文20多篇,申请专利多项,其中20多项已经授权。

 
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