碳纤维复合材料对于新能源汽车轻量化有何重要意义？目前行业的应用现状如何？未来发展面临哪些挑战和机遇？如何从全生命周期的角度来看碳纤维复合材料在汽车上的轻量化应用趋势？近日，本刊记者邀请到中国恒瑞有限公司（以下简称HRC）副总裁熊飞博士，他是中国汽车轻量化领域的领军人物，中国汽车轻量化联盟专家委员、国际绿色轻量化联盟执行理事、中国数字仿真联盟专家委专家，因而对行业现状与技术趋势有着全面、深刻的见解。
中国恒瑞有限公司副总裁熊飞博士
1、与轻量化如影随形的碳纤维
众所周知，全球倡导车企节能减排，轻量化势在必行，同时燃油减耗目标高，轻量化优势凸显。研究表明，传统汽车整车重量每降低10%，油耗降低6%~8%。例如，我国2020年燃料消耗目标值为5L/100km，而2019实际值距离目标仍有差距，政策要求下使得主机厂逐渐接受轻量化带来的部分成本上涨，渗透率进一步提高。
更为关键的是，电动化时代加快到来，近期国务院会议通过的《新能源汽车产业发展规划》进一步明确了未来5年、15年的新能源汽车目标，到2025年新能源汽车新车销量占比要达到25%左右，到2035年国内公共领域用车全面实现电动化。新能源汽车搭载三电系统和大量智能化设备，相对传统汽车增重比较大，因而对轻量化需求更为迫切，碳纤维这种低密度材料的使用更能直观的减轻整车重量。
现阶段而言，铝合金轻量化材料的应用已经比较普遍，但碳纤维具有无可替代的材料性能。首先，其各向异性的特性使其成为一种非常优秀的材料，从材料级别开始就可以完成结构设计。第二，可设计性更强，设计更加灵活自由，可以针对汽车零部件的使用工况进行定制化设计，提高承载方向的0°纤维的比例，在满足性能的基础上，节省材料用量。第三，集成度高，造型自由，可有效减少汽车部件总成的零件数量。钢板和铝合金的零部件结构造型受制于材料特性和再造工艺的限制，像翻边倒扣、变厚度、盒型结构、加强板等结构需要由多个金属零件焊接、铆接或胶接等方式进行组合，纤维增强复合材料是由多层已经预浸或未预浸树脂的纤维织物叠层形成的，所以可以自由进行变厚度设计，并且金属材料可以作为嵌件放置在纤维织物之间与复合材料一体固化成型，满足不同的造型要求和载荷工况要求，在整车设计阶段大大减少零部件的单独设计和装配设计时间，降低了设计成本。第四，复合材料有更高的阻尼特性，可以改善整车NVH性能，提升驾乘舒适性，经过合理的设计，可减少NVH声学包的成本。最后，复合材料的生产制造设备投入和模具投入低，生产线调试和模具调试时间短，这就降低了新车型开发的资本门槛。
华西证券的数据表明，2019年全球碳纤维需求量达到103.7千吨，中国需求量达37.8千吨，而2019年碳纤维应用于汽车行业仅占2%，汽车需求量为0.75千吨。未来，随着碳纤维原料成本的逐渐下降与高效制造工艺的不断成熟将带来更有竞争力的最终零部件成本，单车碳纤维使用量逐步增加，预计2025年全球碳纤维需求量将达到112千吨，汽车碳纤维应用占比增加至5%，汽车碳纤维用量将达到5.6千吨。这也充分说明，碳纤维在助力汽车轻量化方面大有可为。
2、基于性能考虑的全生命周期，是碳纤维应用的一大驱动力
更关键的是，一个具有竞争力、可持续发展的产品，必须从多个维度进行评价，小到零部件产品本身，大到整个行业发展方向等层面来看，从全生命周期的角度评估来鉴定一种技术、一个产品极为重要。
产品的LCA即产品生命周期评价包括了几个方面：一是与产品、工艺或行动相关的环境负荷的客观过程，它通过识别和量化能源与材料使用和环境排放，评价这些能源与材料使用和环境排放的影响，并评估和实施影响环境改善的机会，涉及产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料提取和加工，生产、运输和分配，使用、再使用和维护，再循环以及最终处置；另一方面，生命周期是一个产品系统生命周期整个阶段，从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置的环境影响的工具。
细分到碳纤维复合材料，从汽车设计开发制造，到使用报废回收全生命周期过程，它的参与不但能降低综合成本，而且可以显著降低CO2排放量，实现经济和环境的双赢。
在汽车的整个开发过程中，碳纤维复合材料所带来的好处已十分显著。以汽车外覆盖件后备箱盖为例，传统后备箱盖是钢板冲压件，重量约为10kg，替换为碳纤维复合材料以后，重量可降到4kg，减重可达60%。再如，采用回收碳纤维复合材料制成的备胎仓，其一体式设计提高了刚度，更重要的是改善了NVH性能，还大大提升了生产效率和产品一致性。
在汽车运行工况的阶段，纤维增强复合材料汽车零部件的维护成本也更低。不同于钢材的易锈蚀，复合材料在在强化环境试验中，性能衰减很小。同时，复合材料由于增强纤维的存在，对于损伤裂纹非常不敏感，裂纹扩展缓慢，大大提升了汽车零部件的安全性、耐疲劳性和耐环境的使用寿命。另外，碳纤维复合材料径向压溃吸能是钢的6~7倍，铝合金的3~4倍，进一步保障了车辆安全。
此外，可回收利用是汽车整个生命周期必须要面对的问题。碳纤维复合材料汽车零部件在整个制造过程中的回收利用率很高，但根据不同的原材料类型，回收成本有所差异。例如，带有预浸树脂的预浸料废料可以采用化学溶解的办法进行回收，回收利用率和碳纤维性能保存率几乎能达到90%以上。而湿法模压和RTM工艺裁切下料的原材料是没有浸渍树脂的干纤维织物，下料剩余的边角料理论上可以100%回收，回收料根据纤维长短，可以制成长纤维毡、短切纤维SMC或工程塑料的短纤填料，而这些又可作为制备汽车内外饰零部件的原材料，并且碳纤维本身的性能几乎没有损失。例如，宝马i3的碳纤维零部件制造过程产生的干纤维边角料，回收利用制成碳纤维毡，设计用在顶盖外板和轮胎盖板上。
熊飞博士表示，目前比较棘手的是已固化的碳纤维复合材料，比如不合格品和报废品，以及整车报废以后的碳纤维复合材料零部件的回收比较困难，但是随着碳纤维用量越来越大，这一部分复合材料的回收方法日趋成熟，向低成本化和商业化加速发展。例如，回收的碳纤维以机械方式碾碎，作为工程塑料的填料，成本大幅下降的同时，也提高了碳纤维复合材料在汽车上的使用比例。从改装的保时捷911来看，碳纤维锻造SMC的外观非常酷炫个性，利用回收的碳纤维就可以达到这种效果。
如今，国内部分车企已开始在其推出的混合动力及新能源汽车上使用碳纤维复合材料。熊飞博士表示：“新能源汽车市场的利好对于碳纤维复合材料是一重大发展机遇，未来，批量应用主要集中在汽车内外饰、结构增强、功能集成三大领域。”
结构增强是一个突破口，像C柱加强件就通过局部增强设计实现了整车扭转刚度提升7.5%，而成本却几乎没有增加。在功能集成这一高附加值方面，当下，车企为了强化产品的市场竞争力并有效控制成本，汽车模块化、集成化、平台化的趋势越来越明显。碳纤维复合材料本身的灵活性和多样性，使其最终制品具有优于传统材料的可设计性和优越性能，实现一体化成型制造，这不仅可以减少零部件的数量和模具数量，减少零部件连接等工序，还可以极大地缩短生产周期，降低制造成本。
3、更远视和理性的布局，充分考虑全生命周期概念的碳纤维开发和应用
在汽车轻量化中，仅进行简单的“材料替代”并没有发挥碳纤维复合材料的优势。碳纤维复合材料、工艺具有多样性等，因此一个重要的环节是满足碳纤维复合材料特点的结构设计。比方说，产品设计时需要考虑工艺及批量生产制造的特点，材料及材料设计、工艺设计、结构设计（DFX）等都要全生命周期考虑才能充分最大发挥碳纤维的应用优势。
熊飞博士表示：“HRC作为汽车行业复合材料零部件供应商，我们更需要了解产品和客户、熟悉客户的工艺路线，提供可落地执行的技术方案。在了解产品和客户的基础上，发挥自身所长，将碳纤维复合材料做成结构、性能、外观皆具有稳定性和一致性的部件，助力碳纤维的推进与落地，只有基于对碳纤维应用全生命周期的考虑，才能让所生产制造的产品具有真正的价值。”
身为解决方案供应商，HRC不仅仅提供零部件、总成制造，更能在使用碳纤维复合材料的早期阶段为客户提供选材、设计等方面的建议和支持。2018年，HRC收购了拥有27年专业复材工程经验的英国专家型公司Engenuity以加强工程设计及研发能力，可以从开发早期阶段就能够将材料整合到车身轻量化设计中，这也很大程度上提高了主机厂对新产品应用的信心。另外，2019年底，HRC与德国弗劳恩霍夫化学技术研究院（FraunhoferICT）共同建立的亚洲最大的先进复合材料技术中心（ACTC）正式投入运营，研究代表未来方向的复合材料量产技术，配备有碳纤维SMC模压、二次注塑、自动铺带等多种世界领先的热固及热塑成型设备，以不断满足行业与客户特定的应用需求。
现阶段HRC在汽车领域已完成基本布局。通过早期一些热固型生产项目的实践，以及多样化生产设备的引入和完善，HRC拥有更全面的方案和更有竞争力的价格来应对客户灵活的、多元化的需求。近期，HRC完成了一大批复杂结构零部件的预浸料模压成型，2500t和1500t碳纤维SMC压机投入也完成了最后的调试生产，进一步扩充现有产能，可实现年产20万件高性能复合材料零部件。
4、上下游加强合作，推动碳纤维在新能源汽车的规模量产
如今，HRC已成为沃尔沃、吉利、长安、一汽等多个国内外知名汽车主机厂指定碳纤维零部件供应商，并承担了科技部、工信部等多个国家重点轻量化项目的共同开发任务。
国家重点研发计划的“轻量化纯电动轿车集成开发技术”项目主要研究成果——长安汽车首款碳纤维-铝合金混合结构车身，HRC下属全资子公司江苏亨睿碳纤维科技有限公司作为此次项目的主要碳纤维零部件供应商之一承制了其中的重要结构部件，作为左右侧围等6个车身高性能碳纤维轻量化零部件的制造方，HRC于2020年一季度顺利交付了第一批样件，保障了这款先进混合材料车身在特殊时期的顺利下线。此次顺利完成科技部项目成果的交付也是其在全球范围内稀缺的研发以及批量生产能力的最佳体现。
HRC还参与了德国政府轻量化科研项目，作为该项目演示部件的电池包，由ACTC研发团队自主研发并使用SMC模压&PCM混合成型工艺试制而成，950mmx570mmx280mm的尺寸条件下重量不到5kg,可满足当下新能源车企对电池性能提升的需求。
此外，HRC将创新的解决方案拓展到燃料电池汽车领域。目前，储氢罐是氢燃料电池汽车核心技术开发的关键技术之一，氢燃料电池汽车迫切需要具有高成本效益的新一代高压储氢容器解决方案来推动它本身的发展，其中，使用缠绕工艺的碳纤维储氢罐的概念和相关产品研发使用，对解决方案的可行性将起到决定性作用。2019年，HRC与德国知名的研究机构ITA就高压储氢容器的市场化达成了合作协议，共同开发下一代高压储氢罐创新解决方案，并最终从小批量到工业级的规模化生产。
谈到对碳纤维大规模量产前景的展望，熊飞博士表示：“最重要的是，价值链中的上下游供应商需要加强交流与合作，这样才有利于主机厂不断完善对碳纤维复合材料产业供应链的认识，更加全面分析与理解复合材料在汽车上应用，确保他们能够把握进入市场的机会，对大规模量产部署作出及时反应。”
