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行业应用
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华子新材料
发表时间:
2014-09-22

世界汽车工业碳纤维应用:一场碳纤维轻量化赛跑
有没有一种材料,既可以满足顾客对其产品更长的行驶里程的期待,又可以达到欧盟在2015年对在欧洲销售车辆设定的每公里二氧化碳排放量为130克的新标准,更为重要的是,同时还可以让一个豪车品牌继续保持良好的品牌溢价。

    昂贵的、超轻的碳纤维或许就是这样一个不错的选择。

    藉此,宝马对其全新开发的新能源车型品牌“i”的产品理念以及快速推进的姿态——大量使用碳纤维的锂离子纯电动汽车i3和插电式混合动力汽车i8,将分别于明年、后年上市——已在无形中将身边的那些竞争者变成了追赶者。

    奔驰虽然几乎与宝马同步推出相关车型,但却是基于现有的C级、E级、S级车型平台,奥迪则是基于A3、Q5等车型平台。

    宝马走得很快,快得让人忽略了从日本大竹到美国摩西湖,再到德国瓦克斯多夫、兰茨胡特以及莱比锡的距离;忽略了昂贵的尖端材料碳纤维强化塑料(CFRP—Carbon Fibre Reinforced Plastics)从军用或是航空飞行器的使用到民用的推广速度;忽略了一辆全新电动或者插电式混合动力车型,从概念到量产的正常研发时间。

    值得注意的是,这是宝马凭借分布在3国5地的生产链条,首次率先实现大量使用碳纤维制造汽车,或者说这是碳纤维首次在i系列产品中得到广泛应用。幕后的Project i团队为此不断压缩车型开发时间——“就像是在使用时光穿梭机,两年来我和我的同事取得了这么多进展” 。

    2012年4月,在i8 Spyder概念车于北京国际车展全球首发后,i产品概念经理,负责i车身结构的设计和碳纤维材料应用的克里斯蒂安(Senger Christian)如此说道。

    碳纤维车身导致的轻量化,对于汽车工业具有重要意义。

 2012年3月,宝马集团董事长雷瑟夫博士(Dr. Norbert Reithofer)在集团新闻年会上对全球媒体声称,他们“在应用碳纤维材料进行汽车制造领域拥有专业技术”,这将使他们“在轻量化车身制造方面取得领先优势”。

    然而,追赶者的实力仍然值得关注,尤其是其他车企与主流碳纤维制造商的结盟。

    除了与宝马合作的日本三菱丽阳株式会社(Mitsubishi Rayon)和德国SGL公司,其他重要碳纤维生产企业还有日本的东丽株式会社(Toray Industries,Inc.)、帝人株式会社(TEIJIN)、美国的卓尔泰克(ZOLTEK)、阿克苏(AKZO)、阿尔迪拉(ALDILI)等(日本三家企业占据世界78%左右的份额),也在辅助奔驰、大众和通用等企业进入碳纤维轻量化的发展路线。

    世界汽车工业在绿色环保可持续发展道路上正在进行一场使用碳纤维材料的轻量化赛跑。

    黑色黄金

    汽车的整车重量降低10%,燃油效率可以提高6%~8%;汽车重量每减少100公斤,每行驶100公里的里程,油耗便可降低0.3~0.6升,二氧化碳的排放可以减少500克。

    由于汽车轻量化对提高汽车各性能的贡献,引发了轻量化材料的开发,其中CFRP已经成为研发的热点。

    现在的传统汽车,钢铁材料约占车体重的3/4,用CFRP制造的车身和底盘可以减重40%~60%,相当于钢结构的1/3~1/6,但其抗拉强度却是同等截面钢材的7?10倍。

    CFRP是由塑料基体(环氧树脂)包围的碳纤维组成,树脂对纤维起到了支持和保护的作用,它比铝轻30%,比钢轻50%,有特别好的吸收碰撞能量的特殊性能,并且永远不会腐蚀,不会因为疲劳而老化、撕裂。它因此被誉为“黑色黄金”,是继石器和钢铁等金属之后的“第三代材料”。

但是,通常情况下,CFRP比钢材价格要贵20倍。它在当下所具备的这种极端价值特点和物理属性,只有对价格不敏感的国家军事领域、航空航天飞行器等会大量采用,如新近出海的世界上第一个按照全隐形规范由碳纤维制造的瑞典维斯比护卫舰,或是被称为“梦想客机”的美国波音787飞机,70%~80%的材质都采用了碳纤维。

    目前,CFRP在F1赛车、高级轿车和小批量车型上有所应用,如法拉利F430装备的碳纤维制动盘,马自达RX-8传动轴,丰田1/X混合动力车车身骨架,英国Kahm公司使用CFRP制造RX-X高级轿车专用车轮,奥迪R8 Spyder跑车的车顶、行李箱的两边及顶部,奔驰SLR迈凯轮高性能跑车几乎完全由碳纤维复合材料制成。

    2012年3月,宝马在日内瓦亮相的M6,其车顶同样也应用了CFRP。但宝马决定胆子更大一些,在i系列新能源汽车中大量使用这种碳纤维材料。

    因为如果要实现更长距离的行驶,尤其是电动车在增加250~300公斤电池重量后,这种重量轻、强度高和耐腐蚀的碳纤维复合材料制造座舱结构,同时由电池、驱动系统等组成的驱动模块也将由轻质铝质材料制成,可以抵消大型电池组通常会给汽车带来的额外负荷。

    宝马i系列车型如果在配备了100千瓦电动机和电池后,使用碳纤维零部件正好可以抵消电池的重量,i8 Spyder概念车的重量为1630公斤,能够比传统新能源汽车减轻250~350公斤,使得i系列产品在运动操控性和续航里程两项指标上都有大幅度的提升,譬如2014年将推出的i8的操控可以和宝马高性能轿车M3相提并论。

    操控优异之外,强度也是一流。碳纤维有着出众的能量吸收能力,非常耐碰撞。在不影响安全性的前提下,它是车身制造中可以使用的最轻质的材料。这种高强度的秘密在于碳纤维特殊的抗撕裂性能,使其在沿着纤维的方向上具有巨大的韧性。

    这一特殊性能意味着它可以调整到符合其负荷的最佳形态。正如在自然界中动物骨骼或植物只在需要的地方形成较厚的结构,人们只需在需要重点防护的地方调整纤维的方向和用量,就能实现更好的安全保护。

 比如用一个柱子以时速35公里撞击车辆侧部,对于普通钢板制造的车身,实验结果是撞击深度可达450毫米,而使用碳纤维制造的i3,实验结果只有225毫米左右。而且假设有一颗树正面倒下来,如果是钢材车身,汽车会整个变形,而碳纤维车身只是接触的地方是凹进去,凹进去的部分可以切掉,再用粘贴的方法来修复,比其他车身容易多了。

    同时,碳纤维永远不会腐蚀,除非在与不是碳纤维的材料结合时,那时它容易在交点发生腐蚀,但只要在这些地方额外注意防腐蚀措施就可避免。

    而碳纤维具有的一体式结构特点还有好处,就是在未来极有可能将车内乘员座位部分设计成一个整体——如果是铁制需要焊接50~60个部件,而碳纤维复合材料制只需焊接3个部件即可,生产效率大大提高。

    轻量化对于提高车辆的加速性、控制稳定性、噪音、振动,碰撞时减小惯性和制动距离都有着积极的作用。

    当然,尽管碳纤维材料有着众多优点,但是由于汽车整体结构、工艺的复杂性以及各车体部位功能的不同,即使汽车轻量化已成未来发展趋势,包括钢材等金属材料,在今后的一段时期内仍然难以被完全替代。

 艰难量产

    现在,仍然是碳纤维材料商用化的起步阶段。

    从日本广岛县西南部的大竹市,到德国东部的莱比锡有多远,期间还要在美国西雅图的摩西湖、德国的瓦克斯多夫和兰茨胡特工厂,进行3次停留,才能将碳纤维这种材料完整地呈现在一辆i系列车型。

    为什么碳纤维在汽车上的大批量使用会如此周折?因为从成本到生产周期、生产工艺,以及市场的竞争压力,远没有生产一辆内燃机汽车或者在原车型上研发新能源汽车容易或者有迹可循。

    碳纤维的生产起点是聚丙烯腈制成的一种纤维,这种成分在羊毛织物上也有出现,它的制造过程很不简单:

    纤维要在不同的温度和压力下进行工艺制造,之后将纤维的各种构成要素通过气化剔除,只剩下几乎由纯碳组成的7微米的纤维,然后将单个纤维捆绑成纤维束或粗纱,粗纱经过加工成为特殊未经织造的纤维织物,再把纤维织物进行尺寸切割,从而获得立体轮廓,接着将树脂原料高压注射到预成型件内部,再对之进行硬化,然后采用水射流切割机进行最后的加工。

    在这个过程中,如何确保碳纤维的稳定形状,并以最大精确度结合在一起是关键。

    碳纤维有非:玫奈锢硖匦缘囊幻,也有需要小心翼翼进行加工的一面。它的韧性和强度之所以这么高是因为每一缕碳纤维是由5万根单个纤维组成的。由于纤维的走向、角度、松紧、结成的层数经过人为的设计之后,会表现不同的性能,这样就增加了设计的难度和复杂性。

    目前宝马使用的是树脂传递模塑(RTM)进行高压树脂注射技术,也称为浸渍。脂浸渍纤维是一个非常复杂的工艺流程,充满了各种互相矛盾的要求。例如,一方面树脂必须在最快的时间达到材料的各个区域,浸渍每根纤维;而另一方面,在树脂浸渍所有材料后需要尽快硬化。

    在宝马总部慕尼黑东北65公里的德国的兰茨胡特工厂,碳纤维强化塑料(CFRP)车间拥有大约200名员工,从事材料、工艺开发以及高科技超轻碳纤维强化塑料材料的制造。

  兰茨胡特创新及科技中心(LITZ)在早期阶段即积极参与新车研发的过程,它作为电动交通和轻质车身结构的技术支持中心,在遍布14个国家的25家制造和装配工厂的宝马集团生产网络中发挥着重要的作用。

    过去的十年中,这家工厂已在碳纤维强化塑料材料专有的生产工艺、有效加工及优化生产周期方面取得丰富的经验,2012年3月,在CFRP车间,同属于Project i的瑞哈特(Andreas Reinhardt)称,这使得大批量、具有经济效益的生产宝马i车型使用的碳纤维车身部件变成可能。

    宝马的兰茨胡特工厂,2012年的春天刚刚将每天M3车型碳纤维车顶的生产数字从50个提升到70个,要知道2003年M3碳纤维车顶首次批量生产当年,一共只生产了1200个车顶。

    碳纤维部件的成型时间,以前需要两个小时,现在宝马能够控制在10分钟内。这已经是很大的进步。

    瑞哈特说:“碳纤维从原料到零部件,是从一个简单的部件然后一步一步过渡来的,这个过程相当复杂。现在因为这种部件要制成成品或加工的时间还是特别长,需要要把时间压下来。”

    影响碳纤维量产的原因正在逐渐减少。目前来看,虽然它的价格依然是同等钢材的20倍左右,并且随着波音和空客对碳纤维的巨大需求,导致碳纤维的需求量以每年10%上下的速度递增(2011年的全球销量为4.4万吨)价格也跟着不断上涨。

    不过,瑞哈特说,宝马i系列产品用的纤维,成本可以控制在传统碳纤维材料的一半左右,因为它不是航天航空用的纤维,所以不需要那么高标准的抗撕裂性。

    而同时宝马集团已经发展出分离生产废料回收成工业等级质量原料的做法,此系统在世界上尚为首次使用,使大量的碳纤维废料能够重返生产链中。

    随着碳纤维材料价格的进一步下降和回收技术的确定,预计未来其应用将从传动轴、车身、刹车片和引擎盖等推广到汽车的其它部件和结构材料,并从豪华车型普及到大众车型。

    你追我赶

    用碳纤维武装的宝马i系列产品,让宝马有可能成为新能源汽车市场的先行者,它的背后,其实也是一场原料供应商之间的较量。

    如同宝马碳纤维材料的合作伙伴是三菱丽阳和德国SGL一样,奔驰、丰田和斯巴鲁汽车背后是日本东丽,通用汽车背后则是日本帝人,而福特的结盟对象是陶氏化学。

    尤其是碳纤维行业的顶级制造商日本东丽,这或许可以让奔驰等企业享受到更大规模产能和先进技术带来的成本优势和产品优势。

    2009年初,东丽决定在欧洲建立一个碳纤维增强塑料研发地,从事欧洲本地区的碳纤维增强塑料的研发和生产。2011年,它的碳纤维产能即为1.79万吨/年。

    众所周知,三菱丽阳要在2015年才能实现1.38万吨/年的规划产能,这也将影响各自结盟的汽车企业推出的新能源产品的未来售价和市场竞争力。

    对于成本控制,在2010年底,东丽向雷克萨斯LFA汽车提供的引擎罩和车顶中使用的碳纤维,以及斯巴鲁跑车可选装的碳纤维车顶时,丰田就表示,“已经研发出新的生产技术,这将极大地削减钢铁和碳纤维的成本差距”。

    从今年开始,东丽将向奔驰供应超过1万辆汽车使用的碳纤维合成塑料,然后逐渐扩充至每年2~3万辆,相信随着供应量的增大,成本将会随之下降。

    但是宝马为什么选择三菱丽阳,而不是东丽?

 2011年5月德国政府宣布在未来的十数年关闭境内核电站,转向风力发电。我们知道,55米以上风电叶片的关键部位必须要用碳纤维复合材料,一组叶片大约需要用碳纤维复合材料几百到一千多千克,风电叶片显然是未来碳纤维市场的主要增长方向。

    而为德国风电提供碳纤维的企业正是三菱丽阳,三菱丽阳并且为此启动了2700吨生产线。如果宝马参与到这种量级的碳纤维需求中,或许可以帮助自身降低采购成本。

    同样在忙碌的还有大众,在去年3月,大众购买了宝马目前大量持股的德国碳纤维企业SGL的股份,成为其第二大股东,以期分享技术成果,这让人回忆起当年这两家汽车公司争夺英国豪车品牌劳斯莱斯时的针锋相对。

    世界知名碳纤维材料提供商的日本帝人,正在将碳纤维材料合成的时间从5分钟缩短至1分钟,这或将是革命性的技术突破。通用汽车正在与其合作,设计了2015年和2020年产品计划。

    如果福特与陶氏化学的结盟顺利的话,从2015年开始起福特新车将大量采用碳纤维零部件,在2020年大幅推进车辆轻量化,新款轿车及卡车将采用轻质材料,减重幅度将在113.4~340.2公斤,满足2025年美国市场售出新车平均燃效值54.4mpg(英里/加仑)的要求。

    尽管如此,宝马对于使用碳纤维材料的i系列产品看起来还是非常具有信心。

    宝马Project i产品概念经理克里斯蒂安说:“我们现在还不能公布价格,但是可能不会像你想象的那么遥不可及,应该不会是一个非常超乎想象的结果。因为宝马投入了很多精力和资源开发这个车系,我们未来面对的并不是一个小众群体,我们希望将来它是一个不断增长的业务。”

 

 

文章来源:网络
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