01 引言

　　

　　碳纖維材料由于成本因素導致其很難進入主流汽車市場。近日，某知名咨詢調研機構發布最新報告稱，隨著材料技術的飛速發展，到2025年，碳纖維復合材料（CFRP）將有望成為全球汽車市場的主流配置。

　　

　　據悉，2023年CFRP的市場估值預計將達到80億美元。一旦價格成本大幅下降，這種新型復合材料勢必會在主流汽車市場站穩腳跟，未來發展潛力幾乎不可估量。

　　

　　按照目前趨勢來看，今后5年CFRP會大量出現在一些主流汽車品牌的長青車型上，而處于整個價值鏈上的公司都應該找準自己的位置，以便在接下來的車身材料“變革”中獲利。不過，從城市化、車聯網以及自動駕駛技術的長期發展大趨勢來看，碳纖維要主宰整個汽車市場，還需假以時日。

　　

　　此外，CFRP的研究人員需要加快創新的步伐以降低碳纖維材料高昂的使用成本，這也是為什么這種材料目前僅限在航空業、運動器材制造行業得到了廣泛應用，因為它們都屬于價格不敏感領域，但在競爭激烈的汽車市場，顯然一切都得“錙銖必較”。

　　

　　換句話說，對生產碳纖維材料的供應商來講，必須在商機來臨時做好準備。一旦主流汽車市場轉型，對以CFRP為主的高性能材料的市場需求勢必會大幅上漲。

　　

　　02  CFRP在汽車領域的應用預測

　　

　　富士經濟調查了碳纖維復合材料和相關零件、裝置等11個品種的世界市場，按汽車和飛機等用途分析了其動向，并總結了報告書《碳纖維復合材料（CFRP/CFRTP）相關技術、用途市場展望》。

　　

　　PAN基碳纖維復合材料（成形加工品）由于碳纖維所具有的輕量、高強度等基本特性的高度，在汽車、飛機、風力發電葉片等各種用途中擴大了采用。

　　

　　PAN基碳纖維復合材料（成形加工品）分為熱固性樹脂的CFRP（浸漬有熱塑性樹脂的CFRTP。預計2025年將增長至250億美元。

　　

　　目前CFRP市場主要用于飛機和風力發電葉片。特別是材料單價高的飛機用途占據了市場的過半。預計到2025年汽車用途、壓力容器用途將大幅度增加，以數量為基礎，將成長為與飛機和風力發電葉片相當的市場。

　　

　　CFRTP的靜電部件、滑動部件用途的增長帶動了市場的擴大。2020年以后，由于LFT-D和連續纖維的熱壓成形等的采用擴大，汽車用途大幅增加，預計2025年在數量上超過靜電部件、滑動部件用途成為最大用途。

　　

　　將樹脂浸漬在碳纖維中的中間基材分為在連續纖維中浸漬熱固性樹脂或熱塑性樹脂的預浸料/層壓材料和將作為非連續纖維的短纖維/長纖維與熱塑性樹脂復合而成的顆粒。

　　

　　在碳纖維的世界市場中，在CFRP中，PAN基碳纖維的用途平均含有55%左右。CFRTP主要采用短纖維/長纖維作為填料，因此目前面向CFRP的占市場的90%，但預計2025年以后，在汽車用途中開始采用連續纖維， CFRTP的應用將進一步擴大。

　　

　　

　　

　　圖1 CFRP車頂

　　

　　在備受關注的汽車領域上，為了應對汽車的油耗限制，作為輕量化材料，碳纖維復合材料的應用將以歐洲為中心進一步擴大，特別是在電動汽車、插電式混合動力車及皮卡卡車和高級轎車等市場，碳纖維復合材料的應用將快速增加。CFRP今后隨著RTM成形和SMC成形等技術改良的推進，市場有望擴大。

　　

　　CFRTP能夠比目前的注塑成型提高強度的LFT-D成型將在歐洲得到實用化，準結構零件用途將增加。此外，預計到2025年連續纖維層壓CFRTP的骨架、結構部件用途將增加，并逐漸取代CFRP。

　　

　　03  豐田普銳斯PHV混動汽車

　　

　　豐田在其新款插電式混合動力車"普銳斯PHV"尾門內側的骨架部分采用了碳纖維復合材料（CFRP）。通過由現行款的鋁合金變更為RTM（樹脂傳遞模塑）成刑的CFRP，將尾門質量減輕了3kg。

　　

　　

　　

　　圖2 豐田普銳斯PHV混動汽車CFRP尾門

　　

　　

　　

　　圖3 豐田普銳斯PHV混動汽車CFRP尾門

　　

　　新款普銳斯PHV與舊款相比，后懸掛加長80mm。這樣不但確保了配備現行款2倍容量（8.8kWh）的鋰離子電池的空間，還確保了可放進兩個高爾夫球袋的行李艙容量。

　　

　　如果尾門材料依然采用鋁合金，車輛后部會變重，因此新一代車型將材料改為RTM（樹脂傳遞模塑）成型的CFRP。片狀中間材料是從其他樹脂廠商處采購的，RTM成型由豐田完成。

　　

　　通過采用CFRP，與利用鋁合金制造相同形狀的產品時相比，尾門重量可減輕3kg。不過，新款車加長了后懸掛，因此尾門的形狀比現行款要大，所以實際重量與現行款的尾門基本相同。

　　

　　04  三菱化學碳纖維復合材料SMC片材

　　

　　三菱化學碳纖維復合材料SMC片材用于豐田雷克薩斯新款轎跑內板。

　　

　　三菱化學旗下的碳纖維復合材料SMC材料被豐田公司選中，用在2017年3月最新發布的新型雷克薩斯豪華轎跑LC500和LC500h上，用于車門內板和后備箱內板的生產。

　　

　　由三菱化學開發的SMC片材是一種CFRP中間材料，是將碳纖維切成數厘米長之后浸于樹脂中得來。SMC經過快速加工（通常在2-5分鐘）之后，通過模壓工藝可以獲得生產所需的零部件。與預浸料成型工藝相比，SMC工藝具備復雜部件的成型優勢，從而賦予了工程師更加靈活的產品設計能力。

　　

　　

　　

　　圖4 豐田雷克薩斯中CFRP部件

　　

　　此次，三菱化學的SMC片材能夠獲得豐田的青睞，得益于下列幾點優勢，包括實現了大幅減重、性能的大幅提升，復雜部件生產能力的顯著提高。此次采用三菱化學的SMC片材，是豐田公司的第二次嘗試。三菱化學方面表示，今后還將繼續推廣旗下碳纖維復合材料在汽車領域的應用。

　　

　　

　　

　　圖5豐田雷克薩斯中CFRP部件

　　

　　05  CFRP發動機罩及油盤

　　

　　德國的化學公司BASF，作為美國能源部（DOE）的多材料輕量車體（MMLV）實證試驗事業的一環，與福特、蒙塔普拉斯合作，開發了使用與汽車車體輕量化相關的碳纖維復合材料(CFRP)的前部發動機罩及結構用油盤。

　　

　　

　　

　　圖6 CFRP發動機罩

　　

　　BASF將以前用鋁鑄件制的福特增壓發動機的前發動機罩和結構用油盤，換成用長碳纖維（LCF）聚酰胺復合材料，實現了每臺發動機約1.8kg的輕量化，其中發動機罩的重量減輕了23%、結構用油盤的33%的重量。

　　

　　BASF公司（美國）的營銷經理斯科特·施利克說，關于這次的試制開發，“在處理像碳纖維一樣的最新復合材料的基礎上，看到了有關設計和加工的新技術課題”。同時他還補充說：“為了解決現在和將來的課題，我們致力于很多新的輕量素材和輕量化技術。通過與福特的合作，我們推動了這些解決方案的前進。”

　　

　　BASF與聯合團隊緊密合作，實施了有限元分析（FEA），在性能和重量兩方面對零件進行了結構上的優化。并且，BASF開發了新的LCFPA66熱塑性樹脂復合材料Ultramid（r）XA-3370，成功地解決了了機械特性和加工性的最佳平衡。同時，為了保持試制零件的成形品質，也進行了加工及機械設備的支持。

　　

　　06  CFRP輪轂

　　

　　Rapiit株式會社的熱塑性碳纖維復合材料（CFRTP）輪轂與同尺寸的鋁制輪轂相比，可以實現46%的輕量化。由于CFRTP能夠實現短時間內低成本成形，因此各公司都在積極進行研發。現在多用于齒輪等滑動部件、自動售票機、IC托盤等靜電部件，預計2025年以后，CFRTP將在量產車上大規模得到應用。

　　

　　如果比鋁合金輪轂的重量減輕一半的話，每輛車安裝4個，將對汽車輕量化有很大的貢獻。此外，由于輪轂的輕量化，減輕了彈簧下的重量，從而改善了輪胎對路面的追隨性，對加速性能和油耗等也會帶來積極的效果。在此基礎上，在制造成本上能改善的話，其應用范圍將迅速擴大。

　　

　　對于CFRP輪轂來說，輪輞部分和輻條部分所要求的強度不同。因此，日立金屬公司正在摸索根據不同部位的需求改變素材等方法，采用了鋁合金和碳纖維復合材料（CFRP）的融合，同時實現了強度和輕量化的兼顧。

　　

　　

　　

　　圖7 Rapiit公司CFRP輪轂

　　

　　當問到Rapiit公司和日立金屬公司關于產品化的目標時，回答是2025年。如果實現了這一點，目前僅限于保時捷等部分高級跑車的CFRP輪轂，在不久的將來會廣泛應用到量產車中。

　　

　　

　　

　　圖8 日立金屬公司的鋁合金/CFRP輪轂

　　

　　07 結束語

　　

　　隨著各國能源政策的緊縮以及對碳排放益愈嚴苛的控制,汽車行業對輕量化碳纖維復合材料的興趣也水漲船高。但受制于高昂的使用成本和較長的生產周期，碳纖維復合材料的使用目前僅局限于少量高端豪車領域。近年來,受益于生產工藝的進步,逐漸開始有汽車生產商愿意嘗試將其應用到量產車上。