碳纖維在汽車輕量化應用中有巨大潛力

在性能圈有這樣一句話：“多10匹馬力不如少10公斤”，強勁動力并不代表一切，車身輕量化也是性能車的極致追求。而碳纖維復合材料(CFRP)以其極高的強度、穩定的化學性能而備受推崇，高性能車型沒點碳纖維點綴都感覺拿不出手。

碳纖維是好，但成本太高，阻礙了其大規模應用，目前僅在賽車、高端跑車和高端車型部分應用。在日益嚴厲的燃油效率和二氧化碳排放法規下，車身輕量化已成為降低油耗、降低排放的重要手段。據研究顯示，車重降低10%，燃油效率可提高6-8%，即車重每降低100公斤，百公里降低0.3-0.6L。

碳纖維在汽車輕量化應用中的巨大潛力，使其成為車企應對耗油排放挑戰的機具前景的材料選項。那么，隨著需求的不斷變化和環保法規的日益嚴厲，碳纖維復合材料的應用會引起下一次汽車材料市場的革新浪潮?

碳纖維機會窗口

目前汽車輕量化主要有兩種途徑，一是優化結構設計，對車身的結構及骨架進行優化以達到減重目的，二是通過輕質高強材料替換傳統材料。自1953年世界上第一臺采用纖維增強復合材料汽車——GM Corvette誕生后，復合材料也正式在汽車行業領域登上歷史舞臺。

1979年，福特首先發表了用CFRP制作的輕量型試驗車，該車主要將碳纖維復合材料應用于車體面板、傳動軸和板彈簧等功能性零件，同時還嘗試在發動機機體、連桿和活塞等零部應用。試驗車共使用300Kg左右碳纖維復合材料，燃油排放有效降低35%。同時，其彈性模量是玻璃鋼的4-9倍，是金屬材料的3-4倍。

1992年誕生的邁凱倫F1是當時地表最快的量產車，首次使用CFRP制作車身正是稱王的秘密武器。碳纖維符合材料生產技術難度大，價格高，更多應用在超級跑車、F1賽車上，但優良的性能特點使其成為公認的符合未來發展趨勢的汽車材料。

寶馬對碳纖維的關注和投入非常高，早在2009年寶馬便和德國西格里集團共同成立新公司，專門生產汽車工業的碳纖維和碳纖維織物。從新一代寶馬7系開始，寶馬的主要產品構架中將采用碳纖維材料，鋼鐵不再是車輛韌性的衡量指標。而伴隨著寶馬i8和i3兩款車的投產，標志這寶馬已成為目前唯一掌握車用碳纖維復合材料大批量生產和制造技術的車企。

這是有史以來第一次量產車型大規模應用CFRP打造車身，也證明碳纖維擁有成本大幅度下降的可能。以往的碳纖維形成，需要漫長的環氧樹脂預浸泡過程，占用大量時間和人力。而寶馬通過優化一項高壓噴注環氧樹脂的技術，往模具內的碳纖維噴射高壓環氧樹脂，使其在壓力下快速滲透到纖維絲里面。這項技術將會令碳纖維的生產成本降低至目前的10%或更低。

寶馬正式將CFRP帶入汽車主流材料之中，其他汽車廠商也在往CFRP發力。豐田與東麗合作研發的碳纖維增強熱塑性復合材料，制造了燃料電池反應堆框架，并應用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是第一次將碳纖維增強熱塑性復合材料用于汽車結構件而大批量生產的汽車。

2015年東京車展上，雅馬哈推出車重僅750kg的全新概念跑車Sports Ride Concept，超輕的車身得益于iStream CFRP底盤。iStream是戈登穆雷開發的一套生產體系，大量利用碳纖維材料，并極大降低生產成本，不僅包含輕型但高強度的底盤，而且通過不同符合面板組合到基本框架上，改底盤可誕生多種車身風格，成為入門跑車愛好者的福音。今年的東京車展，雅馬哈將推出Sports Ride Concept的延續車型。

此外，大眾、奔馳、PSA等多家車企也在開發車用碳纖維復合材料，應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。

碳纖維的瓶頸

碳纖維復合材料以其獨特的性能被廣泛應用于汽車工業中，也被視為今后汽車新材料的發展趨勢，但在應用和推廣階段依舊面臨許多挑戰，而這些挑戰都與“每個部件的成本”相關聯。

降低碳纖維生產成本。與鋼和鋁部件相比，高昂的碳纖維價格是限制其在許多應用中發揮優勢的主要原因。目前市面上碳纖維每公斤價格在120元以上，是玻璃纖維10倍以上。此外，與碳纖維配套的環氧類樹脂價格也高居不下。

提高生產效率。目前大多數用于碳纖維復合材料部件的生產工藝都較慢，通常需要花費較長時間。通過提高自動化、模擬仿真和快速的生產節奏，以此來降低制造成本。譬如寶馬采用高壓RTM工藝生產碳纖維復合材料車身，生產周期能達到10分鐘左右。

優化回收。碳纖維在生產過程中有超過30%的浪費，遠高于其他行業的廢料比;而且隨著CFRP逐漸在主流汽車中得到應用，回收問題就顯得迫在眉睫。過去回收技術通常使用高溫回收技術或者化學品進行研磨或者分解，但難以實現安全處理，而且碳纖維在該過程可能被損壞。所以一套成本效益高的碳纖維回收方案，可以降低成本，增強可持續發展動力。

開發專門維修技術。汽車在使用過程中難免會遇到修復問題，對于傳統金屬材料而言，維修人員已經輕門熟路，但碳纖維復合材料的修復工藝與傳統材料還是存在較大差異。只有開發出修復專用材料，和一套使用方便、容易操作的修復技術，CFRP才能被大批量的汽車平臺廣泛接受。

CAFE的出臺促使各大車企在汽車輕量化技術領域加大研發投入，使碳纖維復合材料發展迎來新的發展。碳纖維復合材料能否成為未來汽車材料領域巨頭，這個還需要時間來驗證，但目前來看，碳纖維技術在不斷發展，成本逐步降低的同時，生產效率也在不斷提高，如此看來，這將是個大概率事件。