能否逐渐取代汽车金属零部件? 众说纷纭碳纤维
2017年07月15日 来源:中国汽车报网 作者:姚福泰

  日前,多家媒体争相报道了世界知名碳纤维供应商MAI Carbon公司将在2020年让德国成为世界碳纤维材料研发中心,以碳纤维材料取代汽车金属件的消息。

  碳纤维材料,可有效实现汽车轻量化,大幅减少油耗、降低污染并提升制动性能。那么,碳纤维零部件是否最终将取代汽车金属零部件?让我们来听听行业人士怎么说。

  ■前途有限还是汽车业离不开?

  中德智能制造联盟零部件专业委员会主任路东在接受《中国汽车报》记者采访时说:“碳纤维在飞机制造上用得较多。汽车用碳纤维可以实现轻量化,但意义不大,主要考量在于划算不划算。碳纤维在汽车上应用,成本很高,仅一根碳纤维大梁的价格就超过3万元。连宝马、奔驰等高端品牌汽车,都很少应用碳纤维。国内高档汽车市场占有率不高,单价在15万元以上的乘用车较少,所以,碳纤维在国内汽车上推广应用前途很有限。”

  “很多汽车企业都在试用我们的碳纤维大梁、传动轴、保险杠和车门。碳纤维产品不生锈、重量轻、能耗低、耐疲劳,安全性好。汽车行业推广应用碳纤维产品,目前最大的难题是价格很高,中低端汽车用不起,只有高端汽车使用少量碳纤维产品。”国内最大的民用碳纤维生产企业中复神鹰碳纤维有限责任公司销售经理李怀京认为,汽车工业能否推广应用碳纤维,现阶段还很难说。

  东华大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师潘鼎持不同看法。他语出惊人:“没有碳纤维,汽车工业没法发展。”潘鼎表示,碳纤维在飞机制造上用得比较普遍。虽然价格高一点,但碳纤维大梁、碳纤维保险杠也开始在汽车上应用。宝马是将碳纤维应用得最好的汽车制造商。汽车用碳纤维重量轻、省油、排污少,市场前景广阔。

  中国汽车工业咨询委员会原秘书长陈光祖则告诉《中国汽车报》记者:“汽车轻量化发展,首先经历了车身钢板变薄,之后铝合金很时髦,还有重量比铝合金更小的镁合金,最后用碳纤维。碳纤维肯定能够在汽车上推广应用。另外,生物纤维环保可回收,应用前景广大,要设定时间表、有步骤地推广。”

  陈光祖进一步谈及汽车用碳纤维的优势:“飞机制造材料已由铝合金向碳纤维过渡。新型汽车发展是从发展新材料开始的,推广应用碳纤维是汽车工业发展方向。现在,汽车用碳纤维面临成本挑战。汽车发动机罩用碳纤维,核心好处不是减轻重量,而是更加安全。不少厂家已经把发动机金属罩改成碳纤维了。车门隔板过去用塑料,现在改成生物纤维,可保证安全并实现降解。在美国,一些车型的车身应用碳纤维材料,不用焊接而是用高强度粘结剂粘结,再用铆钉固定。推广应用碳纤维,技术问题不大,阻碍还是成本问题。”

  山东大学材料科学与工程学院教授朱波在接受《中国汽车报》记者采访时说:“在发展碳纤维方面,我们以技术开发为主,为板簧、盖、壳和保险杠等零部件企业提供技术支持。发展碳纤维,工艺没有问题,已经有成功案例。碳纤维推广应用前景总体不错,需要用户支持。批量小,成本就高;自动化水平提高,产量增加,就能解决成本问题,而原材料成本不是大问题。”

  ■两大软肋在于高成本和难回收

  据了解,成本高是碳纤维复合材料在汽车上批量应用的重要制约因素,这主要表现在两个方面:一是生产成本高,二是原材料价格成本高。当前,市场上每公斤碳纤维价格在120元以上,超过玻璃纤维价格的10倍。

  陈光祖希望业界人士系统地考虑碳纤维问题,他说:“推广运用碳纤维,技术问题不大,除了成本高,碳纤维大量使用后的回收是一大难题。”

  碳纤维与环氧树脂结合成复合材料。这种复合材料继承了碳纤维本身的比强度、比模量、耐疲劳强度和吸能抗震性等一系列优点,同时继承了环氧树脂配方设计灵活多样等特点。与铝合金结构件相比,碳纤维复合材料减重效果可达20%~40%。与钢类金属件相比,碳纤维复合材料的减重效果可达60%~80%。

  应用碳纤维复合材料,能够减轻整车重量,更对汽车制造工艺产生深刻影响。

  随着碳纤维复合材料在汽车上的用量增加,汽车制造四大工艺冲压、焊接、涂装和总装将发生变化。比如,冲压将被模压和锻造工艺替代;整车组装将不再需要那么多焊接;有些汽车基本上不再需要涂装。陈光祖说:“整车将变成几十个模块,组装节奏将会变得非常快。这样,总装线投入成本会下降。”因此,碳纤维复合新材料的大规模应用会降低汽车制造行业准入门槛。

  碳纤维与一种塑料聚合树脂结合在一起,变成工业需要的坚硬且轻便的化合物材料。但是,在生产过程中,每一片化合物材料都由工人手动拆分,很浪费。

  如果有人能够从垃圾填埋场分离出碳纤维,就可以回收碳纤维。碳纤维制造过程消耗大量能量。使用可回收碳纤维,还可以节省不少能量。

  关键是碳纤维并不像铝那样可以简单熔化和再塑型。碳纤维化合物以长而精准的碳纤维排列获得强度,再通过聚合物黏合在高温和高压下成型。一旦成型,大多数坚硬的聚合物将无法通过熔化、燃烧或化学溶解获得有价值的纤维。

  在国际上,有的企业通过燃烧聚合物进行碳纤维回收,有的企业以化学处理方法回收碳纤维。无论用哪种方法,回收的碳纤维都比全新碳纤维大大减弱了承重能力。因此,回收的碳纤维经常用于生产网球拍和高尔夫球杆等轻量化、对强度要求相对不高的产品。

  回收的碳纤维仍旧是一种很好的材料,却在实际应用过程中并不比铝和低成本化合物材料表现更好。

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  碳纤维:“外柔内刚”的高强度轻质材料

  1861年,爱迪生把碳丝作为灯丝材料,成功发光45小时,把人类带进电灯时代。

  随着灯泡中碳丝被钨丝替代,碳丝被丢进历史角落近一个世纪。

  直至20世纪50年代,美国空军在寻找耐烧熔材料时得知:碳熔点高达3727℃并具有高强度特性,便将碳丝再次请进实验室,发明了碳纤维。

  碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向堆砌、经碳化和石墨化处理形成的微晶石墨材料,也是一种含碳量在95%以上的高模量新型纤维材料。

  中国汽车工业咨询委员会原秘书长陈光祖介绍称:“碳纤维弹性很好,陷下去能够弹起来,压扁了能够弹回去。”

  碳纤维“外柔内刚”,重量比金属铝小,强度却高于钢铁,并且在有机溶剂、酸和碱中不溶不胀,耐腐蚀特性突出。它具有碳材料的固有本质特性,兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

  碳纤维耐疲劳,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,导电导热性能良好,电磁屏蔽性好。

  树脂、固化剂等材料按照一定比例混合,然后再浸润碳纤维面料,经过一系列固化处理,便形成碳纤维复合材料。这种材料具有传统金属材料所没有的优点。

  加厚版碳纤维布的柔韧性非常差,几乎与刚性材料差不多,其原理就如同将许多纸片粘贴成一叠厚厚的纸堆,纸堆就会变得坚固。这就是碳纤维从纸般柔软到钢铁般坚硬的质变过程。

  东华大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师潘鼎告诉《中国汽车报》记者:“碳纤维抗拉强度是钢的4倍以上,比重不到钢的四分之一。”“越结实就越重”的传统观念被彻底颠覆。

  低密度让碳纤维更是被广泛地用于大型飞机制造。比如,空中客机A350与A380、波音787均用碳纤维复合材料来降低油耗。另外,大型风力发电机叶片、赛车和高端自行车大量使用碳纤维复合材料,是碳纤维复合材料需求量增长的重要原因。
  (编辑:庞国霞)