「独家专题」HRC副总裁熊飞博士：从全生命周期审视碳纤维在新能源汽车中的应用优势轻量化向来都是汽车行业里一

轻量化向来都是汽车行业里一个经久不衰的话题，轻量化的实现也经历了以材料的兴起和迭代为里程碑的几个重要发展阶段。如今，在节能减排和性能提升需求的双重驱动下，汽车轻量化正在加速推进，通过低密度、高强度的材料应用，有效的结构优化设计和制造工艺提升，轻量化得到了长足的发展。在众多的轻量化材料中，碳纤维复合材料具有比强度、比模量和比吸能高等诸多突出优势。在等刚度或等强度设计原则下，碳纤维复合材料结构比低碳钢结构减重50%以上，比镁/铝合金结构减重达30% ，同时其可减少70%装配零件数量，还拥有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性，零件使用寿命高，被认为是汽车轻量化的“终极材料” 。
碳纤维复合材料对于新能源汽车轻量化有何重要意义？目前行业的应用现状如何？未来发展面临哪些挑战和机遇？如何从全生命周期的角度来看碳纤维复合材料在汽车上的轻量化应用趋势？近日，本刊采访人员邀请到中国恒瑞有限公司（以下简称HRC）副总裁熊飞博士，他是中国汽车轻量化领域的领军人物，中国汽车轻量化联盟专家委员、国际绿色轻量化联盟执行理事、中国数字仿真联盟专家委专家，因而对行业现状与技术趋势有着全面、深刻的见解。
文章插图
中国恒瑞有限公司副总裁熊飞博士
与轻量化如影随形的碳纤维
众所周知，全球倡导车企节能减排，轻量化势在必行，同时燃油减耗目标高，轻量化优势凸显。研究表明，传统汽车整车重量每降低10% ，油耗降低6%~8% 。例如，我国2020年燃料消耗目标值为5L/100km ，而2019实际值距离目标仍有差距，政策要求下使得主机厂逐渐接受轻量化带来的部分成本上涨，渗透率进一步提高。
更为关键的是，电动化时代加快到来，近期国务院会议通过的《新能源汽车产业发展规划》进一步明确了未来5年、15年的新能源汽车目标，到2025年新能源汽车新车销量占比要达到25%左右，到2035年国内公共领域用车全面实现电动化。新能源汽车搭载三电系统和大量智能化设备，相对传统汽车增重比较大，因而对轻量化需求更为迫切，碳纤维这种低密度材料的使用更能直观的减轻整车重量。
现阶段而言，铝合金轻量化材料的应用已经比较普遍，但碳纤维具有无可替代的材料性能。首先，其各向异性的特性使其成为一种非常优秀的材料，从材料级别开始就可以完成结构设计。第二，可设计性更强，设计更加灵活自由，可以针对汽车零部件的使用工况进行定制化设计，提高承载方向的0°纤维的比例，在满足性能的基础上，节省材料用量。第三，集成度高，造型自由，可有效减少汽车部件总成的零件数量。钢板和铝合金的零部件结构造型受制于材料特性和再造工艺的限制，像翻边倒扣、变厚度、盒型结构、加强板等结构需要由多个金属零件焊接、铆接或胶接等方式进行组合，纤维增强复合材料是由多层已经预浸或未预浸树脂的纤维织物叠层形成的，所以可以自由进行变厚度设计，并且金属材料可以作为嵌件放置在纤维织物之间与复合材料一体固化成型，满足不同的造型要求和载荷工况要求，在整车设计阶段大大减少零部件的单独设计和装配设计时间，降低了设计成本。第四，复合材料有更高的阻尼特性，可以改善整车NVH性能，提升驾乘舒适性，经过合理的设计，可减少NVH声学包的成本。最后，复合材料的生产制造设备投入和模具投入低，生产线调试和模具调试时间短，这就降低了新车型开发的资本门槛。
【「独家专题」HRC副总裁熊飞博士：从全生命周期审视碳纤维在新能源汽车中的应用优势】华西证券的数据表明， 2019年全球碳纤维需求量达到103.7千吨，中国需求量达37.8千吨，而2019年碳纤维应用于汽车行业仅占2% ，汽车需求量为0.75千吨。未来，随着碳纤维原料成本的逐渐下降与高效制造工艺的不断成熟将带来更有竞争力的最终零部件成本，单车碳纤维使用量逐步增加，预计2025年全球碳纤维需求量将达到112千吨，汽车碳纤维应用占比增加至5% ，汽车碳纤维用量将达到5.6千吨。这也充分说明，碳纤维在助力汽车轻量化方面大有可为。
基于性能考虑的全生命周期，是碳纤维应用的一大驱动力
更关键的是，一个具有竞争力、可持续发展的产品，必须从多个维度进行评价，小到零部件产品本身，大到整个行业发展方向等层面来看，从全生命周期的角度评估来鉴定一种技术、一个产品极为重要。