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碳纤维在汽车领域的应用现状及案例分析

2017-06-14 09:12:15 浙江联洋新材料股份有限公司 阅读

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碳纤维在汽车领域应用性能优点


(1)轻量化优点

碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量,密度只有1.6g/cm3左右,远低于钢铁和铝,将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右,降低燃油消耗,如大众新推出的采用碳纤维复合材料车身和零部件的XL1车型总质量只有795kg,结合混动技术,百公里油耗仅0.9升。


汽车材料性能对比

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(2)耐久性优点

碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,碳元素化学性质稳定,无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。


(3)安全性优点

碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是普通钢材的5倍,由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小,可有效保护驾乘者的生存空间。经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,吸收大量撞击能量(能量吸收性为一般钢材的3倍以上),能有效提高车辆被动安全。


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碳纤维在汽车主要部件应用现状






汽车轻量化和碳纤维应用关系表




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碳纤维复合材料目前已经在高端车、超跑、赛车、改装车、限量版车型以及少量的电动车上开始大量应用。

 

 碳纤维复合材料应用领域和车型

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目前,碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用主要分布在汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等等。


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(1)碳纤维在汽车车身中的应用

碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,是制造汽车车身的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%-60%,相当于钢结构质量的1/3-1/6。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,结果表明,碳纤维增强聚合物材料车身重172 kg,而钢制车身质量为368 kg,减重约50%。目前赛车和部分改装车大多选用碳纤维复合材料车身,在降低重量的同时,因复合材料碰撞时减少了碎片的产生,从而提高了安全性。


应用实例:


宝马i3碳纤维座舱减重50%


通用超轻概念车采用碳纤维车身和底盘减重68%


斯巴鲁WRX STItS采用CFRP车顶,相比钢板减重80%


(2)碳纤维在汽车轮毂中的应用

作为保证汽车行驶安全的重要部件之一,轮毂不仅要承受整车重量和载重,还要传递驱动和扭矩。这对汽车轮毂的质量要求极高。汽车轮毂要具有较高的强度和抗冲击性,较好的耐热和导热性以及较好的耐久性和安全性。碳纤维复合材料具有优异的力学性能、耐热性和耐久性,可替代金属作为轮毂材料。同时,碳纤维材料的使用使得轮毂质量得到降低,有助于减少车轮转动惯量,使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。

应用实例:


福特新一代野马Shelby GT350R配备了碳纤维轮毂。其重量仅为8.6kg,而一般铝合金轮毂重量要达到15kg。


瑞典柯尼赛格的Agera车型整个轮毂上除了轮胎气门嘴,其余部件均为碳纤维打造。在降低约20kg的簧下质量的同时,还保证了坚固和安全。


(3)碳纤维在刹车系统中的应用

汽车制动器衬片主要使用石棉材料,制动时易摩擦产生高温,出现性能的热衰退,而产生的石棉粉尘有致癌危害。碳纤维复合材料的比强度高、耐磨性好、耐热性好,应用在汽车刹车片上,可作为石棉的替代品。碳纤维制动盘可以在50m内将车速由300KM/h降到50Km/h。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温,且性能稳定。


应用实例:

Porsche AG等车采用碳纤维制动盘,能在50m内将车速从300km/h降到50km/h。


(4)碳纤维在内外饰中的应用

碳纤维复合材料具有较好的强度、韧性、耐热性和耐老化性,可改善传统塑料制品脆性高、耐久性不好的缺点,作为汽车内饰材料使用。碳纤维复合材料还具有较高的强度和刚性、较好的抗冲击性,可作为金属材料的替代品运用于汽车外饰构件。同时,碳纤维复合材料具有较好的吸振效果,对撞击有较大的缓冲作用,且减少撞击碎片的产生,提高了安全性。此外,碳纤维内外饰材料的使用,除了达到汽车轻量化效果,还简化了零件制造工艺,降低了零件加工、装配、维修费用,降低生产成本。

应用实例:


宝马M4配备了碳纤维质地的前后保险杠


改装版奔驰G50在外部套件、内外饰等多处使用碳纤维复合材料,在减重的同时动力也得到升级。


(5)碳纤维在传动轴中的应用

汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点,替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。


应用实例:


丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg,减重50%


兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维**连杆取代钢制连接件,重量减轻40%-50%。


(6)碳纤维在进气系统中的应用

碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻重量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料易加工成各种曲面形状,且表面较为光滑,可有效提高进气效率。


应用实例:


福特FalconXR6 Sprint轿车采用100%碳纤维制造的进气系统。碳纤维进气管重235克,而塑料进气管则为438克。


宝马E82 135i 配备的碳纤维高流量进气系统,使用高规格制程的双面碳纤维风箱与管路,可有效隔绝热源,提供了更稳定的冷空气来源,提升燃烧效率,释放高转速马力。




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国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状




自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车——GM Corvette制造成功以后,复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今,CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。


德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱,其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料;2011年,法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车;2014年,批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市,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。2015年7月1日,全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产,该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念,是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。


除了宝马,丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP,并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。


国外主机厂与碳纤维供应商合作现状

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改装车及豪华车碳纤维应用情况




(1)改装车

汽车改装文化源于赛车运动。最早的汽车改装只针对于提高赛车的性能,以便在比赛中取得好成绩。随着汽车工业的发展以及赛车运动的深入人心,汽车改装也早已揭开了神秘的面纱,成为普通车迷汽车生活中的组成部分,并渐渐成为一种时尚。


很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件,如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等,同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。


在欧洲各国、美国乃至日本、韩国、马来西亚及中国的香港、台湾,汽车改装早已蔚然成风,“无车不改”成为青年车迷的座右铭。世界上比较著名的轿车改装公司有专门为奔驰车用户进行改装的AMG、D2、BRA BUS和CARLSSON等,为宝马进行改装ACSCHNITZER,为大众公司旗下的大众汽车和奥迪汽车用户进行改装的ABT,为本田改装的HRC(本田赛车公司)、MUGEN(无限),为丰田配套的TOM’S和TRD(丰田赛车运动发展部),为富士配套的STI(富士世界技术部)和TEIN,尼桑的NISMO(尼桑汽车运动部)和三菱的专业改装公司RALLIART(拉力艺)等等。著名的越野车改装公司和配套产品厂家有JAOS (JAPAN OFF ROADSERVIC E,日本越野服务公司),AIBA WORKS,TJM,ARB、WARN等等。公开资料显示,美国每年的改装市场大概有400亿美元营业额。


中国受国家政策影响,改装车的发展相对比较滞后。国家一直有专门针对改装车辆的相关政策。国务院颁布的新版《道路交通安全法》第十六条中明确规定,任何单位或者个人不得拼装机动车或者擅自改变机动车已登记的结构、构造或者特征。某些商用改装车在改装后,会造成与车辆出厂技术参数不符的情况,将可能不能通过年检和日常交通检测。由此可见,政策瓶颈是民用改装车行业难以取得较大发展的主要原因。


得益于赛车运动广泛开展的影响,中国改装车再经济发达地带也慢慢发展。目前中国汽车改装业较为发达的地区有上海、深圳、北京、广州、昆明等地。在改装相当火爆的城市如上海,改装已形成了相对可观大市场。在改装势头更为猛烈的广东,不仅有着良好的改装市场需求,而且在珠三角的东莞、中山等地,已经开始形成了颇具规模的改装用品市场。

中国豪车改装市场近年也有一定发展。全球最大的高性能奔驰汽车生产厂商—德BRABUS奔驰汽车公司、宝马制造商AC Schnitzer相继落户中国。高级定制车品牌哈曼也在上海开设了旗舰店。在金融危机前,主要高端改装厂商的主要市场是北美地区,现阶段的主要市场是中东和英国。今后中国市场将会成为豪华改装车最重要的市场之一。


从豪华改装厂商的经营状况来看,AC Schnitzer在中国的销量约在每月200-300辆之间,欧亚汽车在华销量全年在300-400辆之间,初步估算国内全年豪华改装车年销售量在5000-8000台,年碳纤维复合材料使用量在100吨左右。


(2)豪华车

随着中国经济的整体增长,中国大陆地区千万资产高净值人群数量约134万,带动了豪华车和顶级跑车销量的增长。总体来看,豪华车和顶级跑车是现阶段整车厂商应用碳纤维的主要车型,一般汽车短期内应用受限于价格因素还未打开。按照每辆车使用和渗透了估算,到2018年汽车领域碳纤维复合材料需求将达到25830吨,其中顶级跑车450吨,豪华车24000吨。

 

 2016-2018年碳纤维复合材料应用领域和车型预测




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碳纤维在汽车市场需求预测




在汽车领域,碳纤维最早被用于赛车上,工程师通过改装更轻、强度更高的碳纤维部件来提高赛车性能,提升比赛成绩。目前几乎大多汽车改装厂都有涉及到碳纤维改装件的项目,从奔驰AMG、宝马M等御用改装品牌到DMC、Novitec、TechAtr等顶级高端改装厂都为对应车型涉及了碳纤维改装“补品”。从外观改装中最小的后视镜壳、空气动力学套件,到内饰改装涉及的面板部件、座椅等,更有甚者连传动轴、排气尾段、轮毂等涉及汽车操控和动力的部分也有碳纤维产品。


时至今日,碳纤维部件的使用已经不仅仅局限在它原本的使用需求,更在一定程度上成为了汽车“高性能”的体现,大有“不加碳纤维套件,都不敢说自己是改装车”之势。不仅如此,目前碳纤维套件已经被众多的汽车制造商纳入原厂车计划,引领未来汽车发展的趋势。


受限于当前的工艺技术,碳纤维复合材料的成本不管是与传统的钢材,还是现在轻量化优先选择的玻璃纤维和铝合金,都有不小的差距,因此尽管在性能和重量上都有显著优势,但目前的应用仍比较局限。碳纤维最早应用在 F1赛车以及追求极致性能的兰博基尼车身和底盘上;随后,碳纤维改装件逐步进入市场,成为改装车发烧友的目标;真正进入工业化应用的,则是近期宝马连续推出的i3电动车和7系,在车体采用了大量的碳纤维以达到减重的效果。这些车型最大的特点是都属于超跑或者高价车,碳纤维复合材料在中低价车上的应用仍然需要时间。


但是单纯依靠材料自身的成本控制,价格下降的趋势将非常缓慢,碳纤维复合材料对汽车工业的影响将更加直观地表现为对于整个汽车制造工艺的革新,以其先进的成型工艺拉动整个生产环节的成本下降,才能推动碳纤维的广泛应用,才是碳纤维在汽车领域大放异彩之时。

 

附:碳纤维在全球速度最快的十大顶级超跑车上的应用




NO.1 Hennessey Venom GT

最高时速:434.5公里/小时;

加速时间:2.4秒(0-100km/h);

引擎类型:7.0L涡轮增压V8;最高功率:1200马力;

车身材料:HennesseyVenomGT 全车采用碳纤维及铝合金制造,整备质量仅为1,244kg。


NO.2 布加迪威龙Super Sport

最高时速:431.3公里/小时;

加速时间:2.5秒(0-100km/h);

引擎类型:W16发动机;最大功率:1200马力;

车身材料:全车体使用全新的碳纤维织法制造,进一步提高车体强度,同时降低车重。甚至车内的很多金属饰件也被碳纤维取代。和普版的威龙相比,这款终极版的Supersports马力输出提高了199匹,重量却减轻了50KG。


NO.3 Koenigsegg Agera R

最高时速:418.4公里/小时;

加速时间:2.9秒(0-100km/h);

引擎类型:5LV8双涡轮增压;最大功率:1099马力;

车身材料:该车的碳纤维和铝制的车体有着65000牛顿·米的抗扭强度,并且能在抗扭转强度和重量中获得了一个很好的平衡。车身质量为1330KG。


NO.4 SSC Ultimate Aero

最高时速:413.6公里/小时

加速时间:2.8秒(0~96km/h)

引擎类型:7.0公升V8 双涡轮增压;最大功率:1183马力;

车身材料:和大部分的超跑一样,SSCUltimate Aero也采用了碳纤维和复合材料来保持较轻的车重,除此之外,全新的空气动力学设计也是其具有超级性能的关键。


NO.5 保时捷GT9-R

最高时速:413.6公里/小时;

加速时间:2.9秒(0-100km/h);

引擎类型:4L六缸发动机;最大功率:1120马力;

车身材料:GT9-R是保时捷的改装商9ff在GT3的基础上推出的限量版跑车,为了更好的塑身,车子采用碳纤维和凯夫拉纤维打造外壳。该车的重量为2923磅,约1325KG。


NO.6 Koenigsegg CCR

最高时速:402.3公里/小时;

加速时间:2.9秒(0-100km/h);

引擎类型:4.7LV8;最大功率:1032马力;

车身材料:KoenigseggCCR的全碳纤维物料车身设计,使这架超级跑车的重量不过1180KG。


NO.7 Saleen S7 Twin-Turbo

最高时速:399.1公里/小时

加速时间:2.8秒(0-97km/h);

引擎类型:双涡轮增压7L V8;最大功率:760马力;

车身材料:该车车体采用了大量的碳纤维组件,使该车的性能得到更充分的发挥。经过轻量化处理之后,车身重量轻到了1205kg。


NO.8 McLaren F1

最高时速:386.2公里/小时;

加速时间:3.2秒(0-100km/h);

引擎类型:宝马公司提供的代号为S70/2的6.1L V12;

车身材料:该车用合成物料制造超轻量的中置引擎跑车。McLaren F1的碳纤维部件是受力结构,车架强度达到法拉利F40的2倍以上。


NO.9 Zenvo ST1

最高时速:375公里/小时;

加速时间:3.0秒(0-100km/h);

引擎类型:7.0L涡轮/机械增压V8发动机;最大功率1104马力;

车身材料:车前轮采用19寸轮圈和255/35米其林轮胎,后轮为20寸轮圈和335/30轮胎。车身面板大量采用碳纤维,使得强劲的功率配置也只有1376公斤的总重。


NO.10 Pagani Huayra

最高时速:370.1公里/小时;

加速时间:3.5秒(0-100km/h);

引擎类型:6.0L双涡轮增压V12发动机;最大功率将超过730马力;

车身材料:Huayra车门、翼子板等部分都使用了碳纤维进行打造;而在车架等部件都采用全新的碳钛合金打造,这种合金产品既拥有碳纤维材料的轻量化特性,同时也拥有钛合金的超高强度,这种轻量化的设计使得其总重只有1350公斤。