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| 本文作者： 易建成 | 2016-10-27 16:30 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
編者按：本文內(nèi)容來自寶鋼集團旗下寶汽新能源控股首席技術(shù)官、碳略科技首席研發(fā)工程師、歐洲汽車輕量化技術(shù)聯(lián)盟理事宋廷瑞在雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課的分享，由雷鋒網(wǎng)旗下欄目“新智駕”整理。
本期公開課要點：
汽車輕量化的意義；
碳纖維復合材料的現(xiàn)狀；
汽車廠商如何獲取碳纖維復合材料；
復合材料對傳統(tǒng)汽車四大工藝的顛覆。
對于整個汽車產(chǎn)業(yè)而言，影響汽車未來發(fā)展兩個非常大的因素：
一是越來越嚴苛的環(huán)保法規(guī)；
二是對于科技創(chuàng)新的無限追求。
這兩點比較迫切的，壓在汽車廠商頭上的應該是環(huán)保法規(guī)。中國現(xiàn)在的環(huán)保法規(guī)，已對 2020 年有一些明確的碳排放的指示。
較之中國而言，歐洲的法規(guī)更加嚴苛。對于這一點，原來在 2020 年達成的碳排放，因為整個歐洲汽車廠商的反對，所以推遲了一年，讓 95% 的新車在 2020 年，實現(xiàn) 95 克/千米碳排放；100% 的新車要在 2021 年實現(xiàn)達標。基于這一點，促使歐洲汽車廠商開始思考如何達成這樣的目標。
歐洲汽車廠商面對這樣的問題，他們采取了什么措施？
汽車發(fā)展的四個方向（以通用汽車全球研發(fā)總監(jiān)的版本）：輕量化、電動化、智能化、網(wǎng)絡化。這是電動汽車，尤其對自動駕駛和智能電動汽車而言的四個基本點。
目前，傳統(tǒng)的燃油車規(guī)模非常龐大，電動車占有率非常少。想實現(xiàn)碳排放的標準，傳統(tǒng)汽車的發(fā)展路線是怎樣的？傳統(tǒng)汽車可以通過三個路徑來實現(xiàn)：
車身輕量化；
發(fā)動機小型化；
最可行、經(jīng)濟化的應該是混合動力。
我們以寶馬發(fā)動機為例，之前寶馬 N20，N200 這樣的發(fā)動機已經(jīng)非常先進。但是從寶馬 i3 開始，寶馬開始使用它的 B 系列發(fā)動機，開始慢慢實現(xiàn)小型化。
應用于汽車輕量化的復合材料，尤其是先進復合材料，是指用碳纖維等高性能纖維增強的復合材料。
復合材料的原型可以從最早的，我們祖先從原始社會搭建用的稻草和泥土房子這種原型看出來，基本上可以形象比喻成碳纖維或者是其他高性能纖維，稱之為我們的“鋼筋”，樹脂或者是塑料稱之為它的“水泥”。
這樣形成了一個先進的、兩種材料相互復合的一種新材料，我們稱之為“高性能的復合材料”或“先進復合材料。”它有很多優(yōu)點。包括高強度、高模量、低密度、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼抗震性好以及性能可設計等特性。尤其是性能可設計，這是顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)材料的。
上圖是我們在歐洲高性能跑車使用碳纖維的開發(fā)案例。我們重點講兩款車：
第一款車是蘭博基尼的 Sesto elemento（第六元素）。第六元素在元素周期表中代表「碳」。這款車除了輪胎和發(fā)動機外，是全碳的碳纖維跑車，全球限量二十輛，它是與波音公司聯(lián)合開發(fā)的。
第二款是寶馬的 Next 100，就是寶馬百年慶典在全球做展示的那款車。這款車型體現(xiàn)寶馬下一個 100 年汽車開發(fā)之路，它的車身結(jié)構(gòu)大量地使用了復合材料。當然，并不是所有的車都必須使用碳纖維。汽車輕量化的材料有很多種：包括高強鋼、超高強鋼、新的第三代第四代鋼，鎂合金，鋁合也是汽車輕量化很好的材料。
其中，我們設計團隊參與的有：菲亞特 940 平臺包括基于這個平臺的阿爾法羅密歐，大眾汽車三個平臺的輕量化開發(fā)以及寶馬集團的 Next 100，雖然這款車是概念車，但是它基于量產(chǎn)開發(fā)工藝的一款概念車。就目前而言，Next 100 這款車所有的輕量化開發(fā)技術(shù)會移植到未來寶馬全新三系上。
上圖是我們在 2013 年開發(fā)的經(jīng)典案例。
大眾高爾夫 Plus 這款車，它當時提出的具體要求是，在不增加成本的前提下，也就是不能使用碳纖維復合材料實現(xiàn)整車減重 250 公斤。這種前提只能通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當然也包括奧迪 Q2，是通過鋁的變量骨架和碳纖維車身的形式實現(xiàn)整車的重量 1.39 噸。
博基尼第六元素這款車是與波音公司聯(lián)合開發(fā)。波音公司和蘭博基尼就是通過這款車，把波音 787 在夢想客機的一些超輕量化設計，用到了蘭博基尼第六元素上：
白車身、內(nèi)外飾、底盤均為碳纖維導入了很多全新的工程概念和工藝，并已經(jīng)將開發(fā)成果轉(zhuǎn)移至新款 Audi R8 和 2015 年底上市的 Audi Q2 Crosslane。 這款匹配 5.2 升 V10 發(fā)動機、六速手自一體變速器的超級跑車的整備質(zhì)量在加注燃料和其它液體之前只有960 公斤。
在第六元素這款車中，我們基本上通過航空的一些經(jīng)驗，把復合材料的可設計性發(fā)揮得淋漓盡致，把傳統(tǒng)的前圍、地板、后圍制成了一個零件，取代了傳統(tǒng)的 48 個零件。
在這個項目中，我們嘗試了各種復合材料的全新工藝，包括 RTM 模壓成型、數(shù)控纏繞驗證了復合材料和基礎(chǔ)件的各種連接工藝，包括膠接、鉚接、螺栓連接工藝等。
碳纖維分為原絲和碳絲，原絲是就相當于碳纖維的原材料，碳絲通過氧化，炭化形成了碳絲。
下圖表格中列舉了就是全球主要的碳纖維原絲的供應商。其中，東麗公司收購美國卓爾泰克，主要是為了布局低成本的汽車和風電領(lǐng)域。
上圖是國內(nèi)和國際主要的一些碳纖維企業(yè)的列表（不完全統(tǒng)計）。包括一些新興碳纖維公司，例如浙江精功集團，河北康得新，這是未來國內(nèi)非常龐大的汽車碳纖維和零部件的供應商。未來會為寶馬 i3 國產(chǎn)化做原材料的零部件供應準備。
碳纖維的產(chǎn)量其實非常低，相當于鋼鐵和鋁合金。上圖可以看到：2014 年全球碳纖維總共 40 萬噸左右，中國目前實際產(chǎn)能將近 1 萬噸，但實際產(chǎn)量只有 3000 多噸。所以基本上國內(nèi)碳纖維的現(xiàn)狀就是，實際產(chǎn)量遠低于產(chǎn)能。
但是全球范圍內(nèi)，碳纖維的需求量是與日俱增的，受益于美國液燃氣這種氣瓶的增長以及海上風電的大規(guī)模開發(fā)。
尤其是馬上應對整個汽車市場，尤其新能源汽車和傳統(tǒng)汽車的輕量化要求，汽車廠汽車產(chǎn)業(yè)對碳纖維的需求量實際是非常龐大的。所以，在 2020 年全球碳纖維的需求量可能實現(xiàn) 13 萬噸。
上表格是第三方的預測，美國復合材料預測和咨詢公司在去年碳纖維產(chǎn)業(yè)峰會上做了一個詳細預測。全球碳纖維市場分為消費品和體育休閑，航空航天和工業(yè)。其中工業(yè)包括汽車風電等其他具體需求。
碳纖維的可獲取性相比于鋼鐵、鋁合金和鎂合金而言，是非常差的，全球碳纖維的產(chǎn)量遠遠小于鋼鐵和鋁合金的產(chǎn)量。
所以基于這一點，寶馬采用的是一種跨產(chǎn)業(yè)鏈的綜合的模式。寶馬在 2009 年的時候采取的做法是收購了德國一家碳釬維的碳化工廠西格里公司，從產(chǎn)業(yè)鏈的下游直接通過資金并購的方式實現(xiàn)了對下游產(chǎn)業(yè)鏈的控股，這一點也是被很多汽車廠所接受和學習的。
這當中有一個故事：2001年寶馬和大眾公司一項研究項目：未來什么技術(shù)突破會改變汽車的現(xiàn)有格局？當時沒有考慮互聯(lián)網(wǎng)因素。
兩家公司得到了同樣的結(jié)論：在 2020 年碳纖維制品的成本會與鋁合金持平，碳纖維復合材料尤其它的可設計性和模塊化，會大大的會或者徹底顛覆整個汽車的制造格局，從而完全顛覆現(xiàn)有的汽車產(chǎn)業(yè)格局。
基于此，2009年寶馬通過購買西格里 16% 的股份來對抗大眾汽車所購買的 10% 股份，從而保證其在位于德國威斯巴登的制造商的影響力。Klatten 家族的成員之一 Susanne Klatten 是寶馬的大股東，她后來購買了西格里的 27% 的股份，令寶馬對這家公司控制力遠遠超過其競爭對手。
這也是為什么大眾汽車的碳纖維開發(fā)經(jīng)驗遠遠早于寶馬公司，但現(xiàn)在對于量產(chǎn)開發(fā)上，它沒有趕得上寶馬。這是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在原材料端寶馬拔得頭籌。
同樣的案例，通用汽車也是采取了與寶馬類似的做法，但是沒有通過并購，而是通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的形式。通用與日本的三大碳纖維生產(chǎn)商之一帝人公司形成戰(zhàn)略合作伙伴。在 2011 年底對外公布兩家公司會在底特律建立一個技術(shù)中心，共同開發(fā)熱塑性復合材料成型工藝。
德國三駕馬車之一的奔馳與全球最大碳纖維制造商日本東麗公司也形成了一個這樣的聯(lián)盟，成立一個合資公司，開發(fā)一些汽車零部件復合材料。
另外就是福特和陶氏化學，陶氏化學開發(fā)的碳纖維歷史很長，后來通過收購阿克薩進入了碳纖維原材料供應領(lǐng)域。陶氏化學和福特也形成了這樣的聯(lián)盟，專門用于低成本碳纖維復合材料的零部件的開發(fā)和設計。福特汽車的目標是在 2020 年新開發(fā)的汽車的重量要減輕 340 公斤。
碳纖維是一個非常重要的國家戰(zhàn)略。
日本東麗株式會社（Toray，簡稱東麗）、帝人集團旗下的東邦人造絲（TohoTenax，簡稱東邦）和三菱麗陽株式會社（Mitsubishi Rayon，簡稱「三菱麗陽」），這些公司目前仍躋身世界最大的碳纖維生產(chǎn)商行列，占據(jù)了全球 70% 以上的市場份額。
根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局《產(chǎn)業(yè)專業(yè)分析報告——高性能纖維》一書中的統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)碳纖維生產(chǎn)工藝領(lǐng)域申請量進入全球排名前10位的都是日本申請人，而 CFRP 領(lǐng)域申請量排名前 10 位的有 9 位都是日本申請人。所以這一點不管是研發(fā)能力還是產(chǎn)業(yè)化能力，日本遠遠領(lǐng)先于全球任何一個國家。
應對于汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模對碳纖維的需求，原材料制作商也做了一個積極的布局。
東麗集團
2013 年 3 月收購日本賽車設計和制造商童夢 Carbon Magic 公司；
7 月買入美國汽車碳纖維部件供應商 Plasan Cabon Composites 公司 20% 的股權(quán)（是美國唯一的豪華轎車 CFRP 車體面板一級供應商，同時自身擁有可將 CFRP 部件的生產(chǎn)成型時間縮短至 17 分鐘的技術(shù)）；
2013 年 9 月東麗公司以近 6 億美元收購美國碳纖維生產(chǎn)商卓爾泰克；
三菱麗陽
2012 年 11 月完成收購日本 CFRP 零件制造商 Challenge 公司和德國多軸向織物制造商 TK Industries 公司；
12 月與韓國 SK Chemicals 公司建立了工業(yè)應用 CFRP 預浸料生產(chǎn)同盟；
2013 年 2 月成立新公司整合其在美國的碳纖維業(yè)務；3 月兼并三菱化學旗下的丙烯腈單體生產(chǎn)企業(yè)大野綠水公司；
9 月與泰國能源企業(yè) PTT 就 CFRP 業(yè)務簽訂 MOU；
三菱麗陽則與寶馬和西格里集團 3 方合作，在 2014 年寶馬 i3 系列純電動車 BMW MegacityVehicle 為碳纖維產(chǎn)品在通用汽車領(lǐng)域的商業(yè)化普及應用邁出了重要的一步。這款車的市場表現(xiàn)，將在很大程度上決定未來 10 年 CFRP 在通用汽車領(lǐng)域的發(fā)展方向。
上圖國際上主要的碳纖維的市場上的報價。
工藝的顛覆
我們講的「顛覆」其實就是基于原來的工藝基礎(chǔ)上作的深化，汽車四大工藝：沖壓、焊接、涂裝、總裝在未來會有很大的變化。
沖壓會被復合材料成型中的模壓和鍛造工藝所替代；
未來整車不會有太多的焊接，除了熱塑性復合材料會用超聲波做一些焊接外，焊接基本上會被膠接、鉚接這樣的工藝所替代；
由于復合材料沒有耐腐蝕性的要求，基本上有些車型已經(jīng)不需要涂裝，而且涂裝哪怕是外附件涂裝溫度也不會很低，像某些注塑件，其涂裝溫度只有 85 度；
復合材料成型，整車模塊化以后，其總裝生產(chǎn)線長度要求會大幅度減少，因為整車只有幾十個模塊，車的組裝節(jié)奏將會變得非常快。這對于總裝線的投入成本會大幅度下降；
所以說，新材料尤其是復合材料大規(guī)模應用會降低整個汽車制造商的準入門檻，因為它基本上投入的資金量不會特別龐大。簡單地說，如果傳統(tǒng)汽車做 10 萬輛車，最起碼要十幾億人民幣的投入，但是復合材料車身的話，1 億歐元就差不多了。
對于汽車零部件復合材料的成型，我們大致分為兩個領(lǐng)域，對應的工藝也有所不同：
一個是小批量定制化的超跑和賽車市場；
另一個是大規(guī)模量產(chǎn)的乘用車和商用車市場。
例如，跑車和賽車市場比較成熟的工藝是基于航空航天領(lǐng)域的工藝，但這個工藝很難用于規(guī)模量產(chǎn)的乘用車和商用車，對應的工藝我們有快速上升的 IRTM、HP-RTM 或者是復合材料鍛造，或者用于碳纖維的 SMC 工藝。
上圖是符合材料成型的數(shù)字化設計中心和數(shù)字化制造中心，整個過程是數(shù)據(jù)點和數(shù)據(jù)面?zhèn)鲃雍土鲃拥倪^程。
復合材料可設計性是它最大的亮點，因為它會改變制造格局。我們傳統(tǒng)金屬零部件在制造的時候，非常嚴苛按照結(jié)構(gòu)、組織、性能做設計和選材。但復合材料是根據(jù)產(chǎn)品零部件具體要求，先有性能要求才能反向逆推材料基本鋪陳、通過組織的改變實現(xiàn)人為可設計性。
PS：如果你對這個話題有興趣或者想獲得本次公開課的 PPT，可掃描下方二維碼關(guān)注“新智駕”公眾號。后臺回復：宋廷瑞 PPT 可獲得下載地址。
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