碳纤维复合材料：从幕后到台前

新年伊始，《中国汽车报》记者来到中国恒瑞HRC公司（以下简称“HRC”）位于江苏常熟的生产线参观，这里热火朝天的工作画面与厂房外凛冽料峭的寒意形成了鲜明的对比。在原料自动裁切线，工人们正在按照模板对预浸料进行裁切；在随后的无尘车间内，工人们仔细地拼贴材料；不远处的热压罐旁已有不少加工完成的产品。

注塑机

“汽车轻量化的需求比以往任何时候都迫切。”HRC汽车事业部总经理骆涛开门见山地告诉记者，“我国明确了碳达峰、碳中和目标，这对各行各业都提出了新要求，减碳、脱碳已成为汽车行业的共识。同时，排放标准的升级推动节能与新能源汽车技术大范围应用。不应忽视的一点是，更轻的材料能给汽车行业带来超出想象的效益。”有数据显示，整车质量每减重10％，每百公里燃油消耗降低0.7升，尾气排放降低7％，刹车距离缩短3～7米，零百加速缩短0.5秒。
　　碳纤维材料崭露头角
　　“在早期节能减排的大背景下，汽车行业很早就展开了整车轻量化的相关探索，从高强钢，到铝合金、镁合金，合金材料的应用已非常普遍；同时，也开始尝试工程塑料。”骆涛告诉记者，“但是，随着行业对整车轻量化提出更高的要求，单一材料在平衡轻量化与高性能需求时常常‘束手无策’，多材料混合车身成为了整车企业考虑的方向。其中，轻质合金与碳纤维复合材料结合的车身结构，正成为整车轻量化的重要发展趋势之一。”
　　据介绍，与不少人的“常识”相左，碳纤维复合材料不仅能够实现更大程度的轻量化，相关参数丝毫不弱于、甚至优于传统金属材料。“从关键性能参数来看，碳纤维复合材料的密度远比金属材料低，而拉伸强度和模量成倍提升。我们的研究数据显示，碳纤维材料比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量则在5倍以上。”骆涛说道。
　　目前，碳纤维复合材料在汽车产品上的主要应用包括了车身覆盖件、内饰件、外饰件和车身结构件。其性能的巨大潜力，让一些具有前瞻眼光的整车企业跃跃欲试。
　　骆涛表示：“在A、B、C柱的加强梁、顶盖横梁、包裹架等不容易被看到的部分，碳纤维复合材料同样能够发挥本身的特性，实际效果令人惊叹。”他给记者举了一个例子，一款大型SUV的C柱加强梁，原设计采用铝合金材料，但客户不太满意，提出了近一步增强刚度的需求；HRC采用了碳纤维复合材料设计的产品，提高了车身扭转刚度7.5％，减轻了部件重量，并降低了成本。
　　碳纤维带来的轻量化效果还在于，提升新能源汽车续驶里程，降低燃油车的油耗。目前，国内外不少车企采用碳纤维打造电池壳体，不仅是出于减重的考虑，更因其抗冲击性、耐腐蚀、耐久性强的优势，此外，产品造型设计也有新的提升空间。另据了解，虽然商用车市场对产品价格更为敏感，但也有车企出于提升品牌和竞争力的考量，大胆尝试采用碳纤维材料。尤其是在新能源商用车上，新材料的应用提供了新的技术路径，为新车型抢占市场提供支撑。
　　做好从研发到制造的准备
　　“HRC自2014年成立以来就聚焦碳纤维复合材料领域，其后不断深耕，可以说是为其在中国市场可能出现的‘井喷式’增长做了充分的准备。”骆涛表示。
　　2015年，HRC在常熟设立了首个高性能轻量化碳纤维零部件量产基地，2017年与德国弗劳恩霍夫化学研究院达成长期战略合作伙伴关系，使自身的设计研发能力得到了进一步的加强。彼时，HRC就承接了数个碳纤维复合材料汽车零部件量产项目，2018年更抓住机遇，收购了英国复合材料专业工程设计公司英智迪，从而提升了产业积累的厚度。
　　回顾HRC一路走过的历程，骆涛总结道：“我们在不断的合作过程中，培养了一支既精通复合材料技术，同时又深刻理解汽车产业的专业化团队，能够以应用为导向，满足客户的个性化需求。更为重要的是，公司拥有全球范围内最全面、先进的热塑及热固型复合材料加工工艺及设备，这构成了当下稀缺的零部件工业化量产能力。我们能够得到这些整车企业客户的信任，与‘贯通碳纤维技术应用壁垒’息息相关。公司目前具备从碳纤维选材到产品量产落地的全产业链开发能力。”据悉，HRC参与了工信部、科技部的国家重要专项，也是行业标准的起草制定方之一。
　　记者在HRC旗下的先进复合技术中心（ACTC），观摩了用作湿法模压工艺的压机与树脂混合机联合工作，生产出不同类型的试制样件。据介绍，作为前瞻技术研发中心，ACTC采用开放模式，与众多车企、上游材料企业、高等院校、科研院所进行联合研发，共享自己的研发能力；同时，ACTC并不仅仅局限于研究，而是将目光同时投向了生产环节。这些特点使ACTC成为亚洲最大、以汽车轻量化为主要研发方向的复合材料技术中心与开放平台。“我们希望能与更多企业一起做大、做强碳纤维复合材料，为中国汽车业做强贡献力量。”
　　技术、成本与协同的挑战
　　不过，碳纤维复合材料想要进一步扩大在汽车领域的应用，还面临不少的挑战。骆涛直言：“首先，这个行业相对比较‘年轻’，从事专业碳纤维研发及制造的企业也不是很多。其次，成本偏高也是一个问题，削弱了很多整车企业‘尝鲜’的积极性。此外，还有设计规范的问题，由于这个领域方兴未艾，很多车企从整车设计角度考虑碳纤维材料应用时，会面临缺乏设计标准与规范的问题。”
　　记者了解到，碳纤维的不同材料配方形成了不同的材料卡，获得一套材料卡的完整数据分析就要投入上百万元，而配方又是海量的级别，这也让很多看好这一领域的企业望而却步。
　　还有一个方面不得不提，碳纤维复合材料质量的稳定性至关重要，而自动化工艺的开发和应用是实现高质量开发制造的关键。目前行业中能够大批量生产碳纤维零部件的企业凤毛麟角，即使已具备自动化量产能力的企业依然也仍处于探索阶段。行业需要加快碳纤维自动化成型工艺，尤其是HP-RTM（高压树脂传递模塑成型）、碳纤维SMC（片状模压）以及模压注塑的开发应用。
　　对于碳纤维材料的推广应用来说，产业协同也必不可少。在骆涛看来，一是要进一步整合全球供应链资源，持续降低原材料采购成本；二是要加强技术路径引导，开展有针对性的技术交流，供需双方就技术路径深化共识，从设计端开始就着手解决生产端可能出现的问题；三是提升技术方案的整体性，对于碳纤维材料设计、结构、工艺进行全局规划，使技术人员在项目开发阶段就介入产品定义等环节，以免造成信息不对称，以及因开发理念差异阻碍落地。
　　“随着汽车产业的发展，各种新型材料不断投入应用，碳纤维复合材料已从最初的豪华车、高档车，逐步向中档车甚至入门级车型扩展。”骆涛表示，“碳纤维复合材料有广阔的应用空间，未来前景可期。”