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兩種最有前景的汽車輕量化材料！

2018-08-06 12:23:14 作者：汽車工藝師來源：戰略前沿技術分享至：

01 碳纖復合材料有望成為汽車結構件輕量化材料主線

（1）碳纖維復合材料汽車輕量化

碳纖維復合材料應用將成未來車身結構輕量化的主要途徑。碳纖維復合材料之前主要應用在航空航天領域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復合材料，碳纖維復合材料占結構重量的50%。伴隨航空技術向乘用車領域轉移，碳纖維復合材料在很多特性上超越傳統材料，將成為汽車車身機構輕量化中材料的主要方向。

在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復合材料具有質輕、高強、抗沖擊和耐腐蝕等優異特點。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的車身重量是鋁合金等材料減重的2倍；同時，碳纖維復合材料比重不到鋼的1/ 5但比強度卻是鋼的8倍，但擁有比金屬材料高5倍的能量吸收能力使其具有優越的安全性能。用碳纖維復合材料結構取代目前的鋼體車身，可大幅減重高達60%，進而提高30%以上的燃油效率，新能源汽車上能平衡多裝電池所帶來的重量。

汽車材料屬性對比

德國引領世界汽車碳纖維材料發展。由于歐洲在能耗和排放的政策上越發嚴格，使得汽車減重減排成為必然趨勢；并且，德國是目前豪華品牌車型最多的國家，新材料、新技術對于高端車型也會有著科技豪華感的加持作用，所以德國以為代表的車企對于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是寶馬在碳纖維車身方面都處于行業領先地位。

2015年德國新生產汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國家，到2020年新材料的使用趨勢會繼續上漲，將達到35%左右；同時，進一步降低低碳鋼在汽車車身中的使用比例至原來的一半20%，提升高強鋼的占比至45%。

德系：汽車車身不同材料組成占比

寶馬新能源汽車引領全碳纖維車身發展大潮。寶馬新能源電動車i3與i8整備質量1224kg與1540kg，明顯領先雪佛蘭Volt、比亞迪e6、Tesla Mode S與Model X。寶馬i3與i8的超輕體重的核心技術就是大量使用碳纖維增強復合材料（CFRP）。

寶馬i3上，寶馬采用創新的LifeDrive模塊構架，將車體分成Life和Drive兩個部分。車身不再負責傳遞承載的重任，這樣代表Life部分的乘坐模塊就有了更大的發揮空間，正好給寶馬i3的減重提供了機會：Life模塊采用的正是碳纖維增強復合材料CFPR構成。通過大量使用CFRP，寶馬i3減輕了300kg，在很大程度上彌補了電池帶來的重量，這也是寶馬i3比別的電動汽車輕很多的原因。

新能源車型質量對比（kg）

碳纖維復合材料車身結構給汽車帶來的好處不僅僅是減重。

安全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩定性，車輛的運行將更加安全、穩定。碳纖維復合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車的安全性。

舒適度。碳纖維復合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復合材料2秒就能停止，故碳纖維應用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。

可靠性。碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。

（2）碳纖維復合材料總裝環節少，規模化應用具備產業可行性

碳纖維復合材料價格高和加工效率低是阻礙碳纖維復合材料大規模使用的主要因素。使用碳纖維復合材料的成本達到20美元/kg，鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車全屬零件采用沖壓制成，一般需要1分鐘內即可完成，而碳纖維復合材料制品生產的編織、注膠和冷卻工序需要數小時，這也制約碳纖維材料的大規模量產。

汽車輕量化材料成本（美金/kg）

碳纖維復合材料未來空間巨大。2020年之后，碳纖維復合材料的成本在將降至70元/kg，生產效率也大幅提升至2分鐘出一件，良品率也將大幅提升至95%； 2013年以來我國汽車產量保持在2300萬輛以上每年。市場空間測算假設：

假設2020年汽車產量將在2300萬輛每年，同時假設每輛車平均車重約為1500KG，預計碳纖維復合材料在汽車行業滲透率達2%；同時，假設碳纖維復合材每千克成本為70元。測算2020年之后，汽車碳纖維復合材料市場空間達483億元。

碳纖維復合材料市場空間測算

目前國內碳纖維汽車輕量化處于起步階段，主要碳纖維汽車零件廠商為海源機械和康得新；海源機械的復合材料液壓成型技術主要為自己開發，而康德新的復合材料成型技術主要依靠德國技術導入，海源機械擁有顯著技術成本優勢，有望率先啟動規模效應。

02 玻纖維復合材料將成汽車非結構件輕量化主線

玻纖復合材料是改性增強塑料，是指在塑料中增加材料來玻璃纖維來提升力學性能，適合在汽車領域中對于部分金屬部件進行替代。玻纖維復合材料具有密度小、易成型、設計靈活美觀、耐腐蝕、耐沖擊、抗振、隔熱、隔電、易于涂裝、強度高、成本低的特點，成為廣泛用于汽車內外裝飾件和功能結構件的主要材料。

（1）玻纖維材料在汽車零件中的使用

在整車制造中改性增強塑料占整車重量的9%；玻纖維增強塑料制造的前翼子板、發動機罩、尾板等在汽車車身上已普遍應用；在座椅骨架、保險杠、電池托架、儀表板、地板、護板、發動機罩蓋、腳踏板、后背門等部件上得到運用。

汽車整車中各種材料占比

資料來源：公開資料整理

玻纖維復合材料較碳纖維價格便宜很多，但玻纖維較脆受到沖擊易斷裂，并且強度達不到碳纖維那么高，受熱較碳纖維變形程度較大，所以玻纖維更適合制成汽車非結構件、裝飾件，而碳纖維運用在車身結構件中較多。

（2）長玻纖復合材料將替代短波纖維，國外整機廠已廣泛使用

長玻纖復合材料強度優勢明顯。在汽車玻纖復合材料玻纖增強材料根據塑料粒子的長度和玻纖維的長度可分為短玻纖增強塑料SFT和長玻纖增強塑料LFT，短玻纖離子長度為0.2-0.4mm，長玻纖長度更長為2-4mm、排列更規律，所以具有更強的強度、剛度。

長玻纖與短玻纖復合材料對比

長玻纖材料汽車部件已被廣泛應用。長玻纖增強塑料已被福特、大眾等知名國外汽車生產商廣泛用于生產汽車前端模塊、車門模塊、電池托架、儀表盤、保險杠梁、噪音屏蔽等汽車零部件；國內自主品牌例如長城、上汽、吉利、奇瑞、長安等乘用車近年也逐步開始涉及玻纖復合材料輕量化領域，部分企業以開始量產并應用。

我國玻纖維復合材料未來有提升空間。我國改性塑料市場， 2016年改性塑料使用量最高的是德系車，其改性塑料的使用率達到22%為300-360kg，歐美國家的平均水平達16%為210-260kg，我國乘用車單車的改性塑料使用率只有8%為100-130kg，未來國內市場有較大提升空間。市場空間測算與假設：

假設我國改性塑料單車使用量將達到16%，按照整車質量1500kg計算達到240kg。2013年以來我國汽車產量保持在2300萬輛以上每年，預計2020年汽車產量將在2300萬輛每年；同時，改性塑料市場均價約為1.8萬元/噸；假設玻纖維材料在改性塑料中占比50%。測算2020年，玻纖維復合材料在國內汽車領域市場空間達496.8億元。

2020年玻纖維復合材料汽車輕量化市場空間測算