威盛新材 轻量化是碳纤维的必赢之路
陈琼
两年前，在一次零部件配套采购会上，国内多家轻量化材料生产企业负责人，与记者谈到经营现状时一脸愁容，市场发展举步维艰，期盼国家出台政策支持产业发展。
业内人士介绍，车身减重10%，油耗降低6%到8%。即车重减少100公斤，油耗降低0.3升—0.6升，节省燃油费用1.8元—3.6元。
消费者对这一数字并不敏感，综合性能才是购车时首要关注的问题，汽车减重仅仅起到锦上添花的作用。而另有相当一部分消费者认为，车辆敦实才更有安全感。
消费者的需求在很大程度上决定了整车企业的取向。毕竟，汽车要实现轻量化，需要在研发、工艺、售后等方面付出巨大代价，正因为如此，很长一段时间内在我国轻量化材料叫好不叫座。
今非昔比，如今汽车行业对轻量化的热度大增。
一方面，我国实施第四阶段燃油限制标准，乘用车2016年开始平均油耗不超过6.9升/100公里，到2020年平均油耗降至5.0升/100公里。在燃油限制大考压力下，整车企业开始积极探索轻量化技术路线。
另一方面，近两年新能源车出现井喷式发展。然而，由于电池能量密度低，以及新能源汽车的整车重量大等因素，导致续航里程成为其推广的瓶颈之一。在短期电池技术难有重大突破的情况下，解决车身轻量化问题便成为行业共识，能够通过新材料实现车身减重，对于整车企业来说便是雪中送炭。
北汽新能源新技术部副部长杨宇威告诉记者，如果新能源车比传统车重5%，便可算国际先进水平；重10%—15%是一般水平；重20%以上属于较低水平。与同一级别传统车相比，新能源车约重30%。这一数字把消费者和主机厂拉到一个共同的阵营，因为整车重量增加后，所装电池便会减少，续航里程势必缩短。这其中涉及里程焦虑的问题，新能源车的轻量化需求因此显得更加迫切。
正因为以上原因，科技部部长万钢将轻量化作为中国新能源汽车的发展方向之一。
国家发展改革委产业协调司机械装备处调研员吴卫表示，随着节能与新能源汽车产业规划的深入实施，特别是近年来新能源汽车产业的加速发展，汽车轻量化包括轻金属非金属材料，产业化规模化发展进入了新的阶段。
随着轻量化技术不断革新、各种新材料不断涌现，那么，在这场轻量化材料的激战中。各种材料的表现如何？在汽车领域的应用情况怎样，推广过程中存在哪些问题呢？本刊为此对主流汽车用轻量化材料铝合金、镁合金、复合材料、高强度钢进行一一剖析。
碳纤维技术变革催生下游需求
“碳纤维在航空领域已经应用了几十年，近十年才逐步进入汽车领域，并在F1赛车上使用，由此给通用汽车行业的应用奠定了基础和信心。”在近日举办的“第一电动沙龙”中，中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运向记者介绍。
据了解，由于碳纤维具有轻质高强特性，能量吸收率、震动阻尼、疲劳强度等特性，使其在复合材料中脱颖而出，成为当下轻量化主要材料之一。
那么，什么是碳纤维呢？李宏运介绍，碳纤维来源是晴纶，叫化纤布，纺丝之后叫白纤维，在1500到1800度的温度下进行碳化，形成碳纤维。
中国工程院“高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究”项目秘书长余木火介绍，2015年宝马i3、i8电动车实现了全碳纤维车身的商业化，重量仅151千克。
国内，碳纤维在新能源汽车仍未实现规模制造，只有少量样车。是什么原因制约了它的发展呢？对此，记者采访了康得复材副总裁张保平。
《汽车纵横》：碳纤维在新能源车上应用有什么优势？
张保平：由于碳纤维复合材料部件的成型限制较金属材料更小，所以更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言，可以做到模块化、集成化，大大减少零件种类，减少工装投入，缩短开发周期；尤其对于新入新能源汽车企业，应用碳纤维车身不仅可以节约冲压、焊装生产线及模、夹具的投入，减轻固定资产占资配比，优化企业资产配置结构
《汽车纵横》：哪些问题是制约碳纤维发展的原因？
张保平：碳纤维在汽车行业面临诸多挑战。一是工艺复杂，主要采用热压罐，真空导入等传统工艺，这种工艺生产效率低、生产周期长、产品造价高，无法满足汽车大批量规模化生产要求；二是成本相对高昂，碳纤维材料的价格是金属材料的数倍，这不仅制约了其在汽车领域的应用与发展，更是无形中拒低端或自主汽车品牌于千里之外；三是设计人才缺乏，且由于该技术之前较少在国内应用，所以从事过碳纤维量产部件设计的人才非常稀缺。特别需要指出的是，碳纤维从基础研发、产品设计、生产工艺选择到生产出汽车零件是紧密相连的一个整体，每一个环节都是环环相扣。因此，这给碳纤维在汽车行业的发展建立了极高的技术壁垒，要求碳纤维制造企业必须具有极强的综合实力。
《汽车纵横》：这些问题似乎不是一时半会能解决的？
张保平：是的，需要大格局、大投入。为此，我们首家引进建设了全球规模最大、技术最先进的工业4.0版智能工厂，采用的新一代HP-RTM、surface-RTM工艺将单个部件的生产周期缩短到3分钟。我们借助宝马最大碳纤维部件一级供应商德国GFG公司的规模化制造经验，实现碳纤维部件制造的规模化、产业化。此外和德国碳纤维技术最领先的慕尼黑工大碳纤维中心合作建立了欧洲复合材料研发中心，专注于新一代工艺技术的研发，为碳纤维的应用持续提供最新的技术。
为了解决原材料成本高的问题，我们引进国外先进设备建设了自己的高性能碳纤维生产基地，为碳纤维复合材料提供碳纤维的供应，来控制原材料价格，降低碳纤维复材产品的最终成本。
《汽车纵横》：碳纤维的零部件开发情况怎样？
张保平：复合材料产品的设计应根据复合材料的特点进行设计，充分发挥材料性能。碳纤维复合材料具有自身的材料特性，如宝马i3采用了模块化结构设计，而一个模块中采用若干个零件分开成型然后进行连接整合成一个模块。
我国汽车设计一直是一个瓶颈，自主品牌的汽车设计能力较弱，尤其对于复合材料来说，主机厂更是没有经验积累，也没有数据积累，没有设计规范、验证标准。
如何能够根据汽车的承载状态和性能要求，进行合理的车体结构和各轻质材料的布置等问题，成为当前碳纤维材料应用和多材料车体结构设计的难点和重点。
《汽车纵横》：碳纤维部件生产效率较塑料及钣金比相对较慢，应用碳纤维是否会造成其他部件的产能浪费？
张保平：目前KDC使用HP-RTM工艺采用新一代的工艺技术，通过下料—预成型—成型—切割等一系列的工序，预制体在闭合模具中高温高压注射入树脂，快速固化后得到产品，该种工艺的产品尺寸精度高且稳定，生产周期短至5分钟以内， 完全符合量产碳纤维部件对于快生产节拍的要求。其全自动化生产线来自欧洲先进的设备厂家所提供的最新型的设备，通过良好的人机界面使得生产线具有良好的可控性和操作性。
另外，由于产线匹配可设计，即对于不同碳纤维部件的生产，仅需对模具进行新的设计，同一条生产线即可满足需求，因此不会造成产能浪费。
《汽车纵横》：碳纤维部件的树脂选用到底是热固型好，还是热塑型好？
张保平：热固型树脂指的是固化后不因温度升高而再次融化的树脂，其内部是体型大分子结构，刚性和强度高，各种力学性能优良，满足主承力结构件对于材料的要求。
热塑性树脂指的是可以多次加热融化的树脂，其内部是线型大分子结构，韧性较好，并且能够多次成型。基于此原因，热塑性树脂价格较低，在应用于对力学性能要求不高的次承力结构件和覆盖件时具有成本上的优势。
钢材是新能源汽车的主要用料，然而，有舆论认为随着铝合金、镁合金碳纤维、工程塑料等新材料逐步使用，汽车钢材会逐渐被取代。
对此，北汽新能源新技术部副部杨宇威分析，未来汽车用材是多材料混合的趋势，铝合金的用量会逐步增大，有可能超过钢，但是高强钢和超高强钢不会被取代。
国际主流乘用车的车身高强度钢比例已普遍达到近60%，日韩系在50%左右，欧系部分车型甚至超过70%，国内自主品牌乘用车目前也达到50%以上，部分在售车型和在研车型也都基本达到60%。
奇瑞汽车股份有限公司材料工程部主管材料工程师李军分析，钢材虽然在各种轻量化材料中，高强度钢板的轻量化效果略低一筹，但它的优势也很突出：首先，原材料价格低，经济性好；其次，综合性能优越，易实现零部件的强度和刚度要求；第三，可直接利用现有的（冲压）成形、焊接、涂装和总装生产线，大大节约了设备投资成本。同时，与普通低强度钢板相比的优势有：可吸收较高的能量，提高汽车的安全性；更高的静态强度和疲劳强度，可以实现汽车零部件的用材减少，从而实现轻量化。
“各种汽车轻量化技术能否大批量产业化应用，是由该技术的‘价值链、‘技术链和‘产业链等因素共同决定的。高强度钢板应用的‘三条链已被打通，因而已具备广泛应用与推广的条件，车企应用的积极性也非常高。”李军说。
既然高强度钢的优势如此明显，那么其在汽车上的应用和技术发展情况如何？
一家钢铁研究院技术中心工程师介绍，目前对高强度钢尚没有统一的定义，行业内所说的高强度钢主要是指高强度钢板，大家普遍认可的定义是按照屈服强度级别来划分，可分为高强度钢（210MPa≤屈服强度≤550MPa）和超高强度钢（屈服强度≥550MPa）。“我们近些年来开发的第三代先进汽车用钢按强度级别可归于高强度钢的范畴。当前国内生产先进汽车高强度钢的企业有宝钢、武钢、鞍钢、本钢、首钢等，但不能满足全部市场需求且竞争不够充分。”这位工程师表示。
针对高强度钢的未来发展趋势，李军认为，目前高强度钢的技术发展方向主要有两个：一个是冷成型高强度钢板的性能改善，另一个是热冲压成型钢的应用技术开发，包括热冲压钢种的开发和热冲压工艺的开发。“冷成型高强度钢板的技术开发主要是第三代汽车用钢，是指轻量化和安全性指标高于第一代汽车钢、生产成本又低于第二代汽车用钢的新一代钢种，已成为国内外汽车用钢的研究热点。”李军表示，“国内的宝钢和鞍钢等企业在第三代汽车用Q&P钢的开发和产业化方面已走在国际前列，并通过相关汽车厂家认证。此外，钢铁研究总院还开发中锰第三代汽车用钢，正在开展相关性能的验证工作。”
据了解，热冲压高强度钢的开发方向主要是强度和韧性的优化和新型涂层钢板的开发。此外，热冲压的工艺、装备和模具等方面近几年的进步也很大，使得热冲压零部件的成本进一步降低，国内的用量也在增多，对于提升自主品牌乘用车的安全性能和降低整车重量都有重要贡献。
关于高强度钢板未来的应用方向，业内人士认为，主要是在现有车身结构、安全件、底盘件的基础上进一步扩大应用，新的应用增长点则在车身覆盖件和内外饰座椅系统等方面。不可否认，高强度钢面临的挑战肯定是有的，主要是其他新材料（如碳纤维复合材料、铝合金等）技术的发展及用量提高后，应用的成本会进一步降低。因此高强度钢材料本身也需要不断地改进去迎接其他材料的挑战，在竞争中求发展。
高成本阻碍铝合金发展
随着国家政策的推动以及铝合金材料的技术研发日臻成熟，全铝新能源公交客车不断被推出，成为我国汽车工业出现的一个新亮点。乘用车领域，铝合金在车身和底盘上的应用发展较快。长城、长安、奇瑞在车身覆盖件（采用汽车铝板）、底盘的摆臂、转向节、铝合金机盖板等研究较多。
业内人士介绍，行业内对变形铝合金十分感兴趣，目前由汽车轻量化技术创新战略联盟牵头，长城、奇瑞、吉利、长安、中铝苏州有色金属研究院等共同参与一项对铝合金副车架的研究。就两类铝合金来看，变形铝合金是车厂关注的重点，铸造铝合金则朝向附加值高、减重效果明显的方向发展。
既然有如此优势，为何迟迟没有普及呢？
北汽福田汽车股份有限公司材料工程所金属材料工程师冯昌川表示，成本高和连接困难是阻碍铝合金发展的两个问题。他进一步解释说：“铝合金与钢之间、铝合金之间不好连接，焊接困难只能采用铆接，这也使铝合金零件的生产效率不高。”
长城汽车股份有限公司技术中心汽车材料工程研究院副院长杨洁对此表示赞同，铝合金在焊接时性能可能发生变化，国内这方面的基础研究数据较少。但她认为，技术不是影响铝合金推广的主要因素，关键是成本太高。如果采用一个铝合金机盖板单车增加200元，一年30万辆就增加成本6000万，但附加值却没有达到预期效果。所以，当前汽车厂都是在做技术储备工作。
镁合金规模应用遇僵局
镁合金不仅是当前应用最轻的金属材料，而且具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、导热性好，电磁屏蔽能力强等优点。
不管是欧美或日韩大部分汽车行业从性能的角度对镁合金的应用有着极大的兴趣，特别是在汽车座椅骨架、仪表板骨架，变速箱和一些发动机关键部位都有许多的成功经验，然而却没有得到大力推广和使用。在近日举办的“2016新能源汽车轻量化技术研讨会”上，重庆盛镁镁业有限公司董事长曹建勇向记者介绍了原由。
《汽车纵横》： 根据镁合金的特性，它在汽车上的应用，最好取代的应该是铝合金，但实际应用情况却大不如铝合金，这是为什么？
曹建勇：主机厂无法预测5-10年内镁价走势。而一个新车型的生命周期一般在8-10年甚至更长，如果过多的使用镁合金铸件，可能给未来成本控制带来麻烦。
铝是镁主要竞争对手，但铝在期货市场上的价格避险功能十分完善，而镁却没有此项功能，因此主机厂很难相信镁金属的价格安全，即是供应商控制着上游资源他们仍存忧虑。
《汽车纵横》：它和钢相比呢？
曹建勇：从减重效果来说，镁合金优势明显，但成本上并没有优势，如果加上镁在强度、耐蚀等方面的问题，其难度超过铝替代钢的难度。即使镁的价格与铝、钢单件成本相当，镁在生产安全，防腐处理和与其它金属连结会付出更高的成本。
《汽车纵横》：镁合金零部件的制造设计有困难吗？
曹建勇：由于镁合金零部件与铝生产工艺存在一定差异，它需要对工厂进行适应性改装，其新机械设施对行业来讲是高昂的。
另外，由于设计不成熟和设计者的胆量及技术，设计单位可能失去一些急躁的客户。
汽车行业是需要慢啃的行业，在一个解决方案出台前，总是会磨合一段时间，我们相信，镁合金汽车零部件将不会被遗忘在过程里，迟早会大规模的进入市场。
《汽车纵横》：假以时日，随着技术的进步，和大家对镁这种材料的认知度提高，您认为镁合金的应用量能达到什么程度？
曹建勇：镁要成为汽车工业的新一代材料，必须解决汽车工业对镁的长期和稳定的供应能力的担忧。目前世界镁锭的供应量为100万吨。这样低水平的产量将不能充分使部件设计工程师确信镁可以满足汽车工业的长期需求。根据镁行业专家的预测，世界汽车工业平均用镁量将从目前的5公斤/辆增长到100公斤/辆以上，增幅为20倍。以目前世界汽车工业的产量5000万辆计算，需要500万吨镁的供应量。而目前可以预测的在今年全球镁的产量很难突破100万吨。镁供应的增长速度可能是无法满足汽车工业对镁的长期需求。
编后语：轻量化发展需物尽其用
车身轻量化需要集设计、制造工艺和材料三位一体实现，新材料的应用是必然趋势。高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等是当前常见和应用较多的轻量化材料。但各种材料自身的属性特点和工艺技术水平决定了它们的应用范围和推广难度。那么，轻量化材料能否为汽车轻量化带来新的曙光呢？
业内人士认为，每一种材料都有其最适合发挥价值的地方，我们在轻量化过程中需要做的是根据轻量化材料不同的优势让它们“物尽其用，用得其所”。
汽车轻量化永无止境。随着科技的发展，轻量化材料和技术是层出不穷的。现在有镁合金、碳纤维，未来还会有新的轻量化材料，但不论出现什么材料，这些轻量化材料都不会是孤军奋战，必然是以组合的形式出现，因为汽车未来的发展趋势是多种材料的混合使用。
