編者按：本文內(nèi)容來自寶鋼集團(tuán)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(diǎn)：

• 汽車輕量化的意義；

• 碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)狀；

• 汽車廠商如何獲取碳纖維復(fù)合材料；

• 復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)汽車四大工藝的顛覆。

對(duì)于整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)而言，影響汽車未來發(fā)展兩個(gè)非常大的因素：

一是越來越嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)；

二是對(duì)于科技創(chuàng)新的無限追求。

這兩點(diǎn)比較迫切的，壓在汽車廠商頭上的應(yīng)該是環(huán)保法規(guī)。中國(guó)現(xiàn)在的環(huán)保法規(guī)，已對(duì) 2020 年有一些明確的碳排放的指示。

較之中國(guó)而言，歐洲的法規(guī)更加嚴(yán)苛。對(duì)于這一點(diǎn)，原來在 2020 年達(dá)成的碳排放，因?yàn)檎麄€(gè)歐洲汽車廠商的反對(duì)，所以推遲了一年，讓 95% 的新車在 2020 年，實(shí)現(xiàn) 95 克/千米碳排放；100% 的新車要在 2021 年實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)?；谶@一點(diǎn)，促使歐洲汽車廠商開始思考如何達(dá)成這樣的目標(biāo)。

歐洲汽車廠商面對(duì)這樣的問題，他們采取了什么措施？

汽車發(fā)展的四個(gè)方向（以通用汽車全球研發(fā)總監(jiān)的版本）：輕量化、電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。這是電動(dòng)汽車，尤其對(duì)自動(dòng)駕駛和智能電動(dòng)汽車而言的四個(gè)基本點(diǎn)。

目前，傳統(tǒng)的燃油車規(guī)模非常龐大，電動(dòng)車占有率非常少。想實(shí)現(xiàn)碳排放的標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)路徑來實(shí)現(xiàn)：

• 車身輕量化；

• 發(fā)動(dòng)機(jī)小型化；

• 最可行、經(jīng)濟(jì)化的應(yīng)該是混合動(dòng)力。

我們以寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)為例，之前寶馬 N20，N200 這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)非常先進(jìn)。但是從寶馬 i3 開始，寶馬開始使用它的 B 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，開始慢慢實(shí)現(xiàn)小型化。

汽車輕量化：復(fù)合材料的應(yīng)用

應(yīng)用于汽車輕量化的復(fù)合材料，尤其是先進(jìn)復(fù)合材料，是指用碳纖維等高性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。

復(fù)合材料的原型可以從最早的，我們祖先從原始社會(huì)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(gè)先進(jìn)的、兩種材料相互復(fù)合的一種新材料，我們稱之為“高性能的復(fù)合材料”或“先進(jìn)復(fù)合材料?！彼泻芏鄡?yōu)點(diǎn)。包括高強(qiáng)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(shè)計(jì)等特性。尤其是性能可設(shè)計(jì)，這是顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)材料的。

上圖是我們?cè)跉W洲高性能跑車使用碳纖維的開發(fā)案例。我們重點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(gè) 100 年汽車開發(fā)之路，它的車身結(jié)構(gòu)大量地使用了復(fù)合材料。當(dāng)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(qiáng)鋼、超高強(qiáng)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?cè)O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)參與的有：菲亞特 940 平臺(tái)包括基于這個(gè)平臺(tái)的阿爾法羅密歐，大眾汽車三個(gè)平臺(tái)的輕量化開發(fā)以及寶馬集團(tuán)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(huì)移植到未來寶馬全新三系上。

上圖是我們?cè)?2013 年開發(fā)的經(jīng)典案例。

大眾高爾夫 Plus 這款車，它當(dāng)時(shí)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(fù)合材料實(shí)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(dāng)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(shí)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(mèng)想客機(jī)的一些超輕量化設(shè)計(jì)，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(dǎo)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(dòng)機(jī)、六速手自一體變速器的超級(jí)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(yàn)，把復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)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(gè)零件，取代了傳統(tǒng)的 48 個(gè)零件。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們嘗試了各種復(fù)合材料的全新工藝，包括 RTM 模壓成型、數(shù)控纏繞驗(yàn)證了復(fù)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。

碳纖維復(fù)合材料現(xiàn)狀

碳纖維分為原絲和碳絲，原絲是就相當(dāng)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(yīng)商。其中，東麗公司收購(gòu)美國(guó)卓爾泰克，主要是為了布局低成本的汽車和風(fēng)電領(lǐng)域。

上圖是國(guó)內(nèi)和國(guó)際主要的一些碳纖維企業(yè)的列表（不完全統(tǒng)計(jì)）。包括一些新興碳纖維公司，例如浙江精功集團(tuán)，河北康得新，這是未來國(guó)內(nèi)非常龐大的汽車碳纖維和零部件的供應(yīng)商。未來會(huì)為寶馬 i3 國(guó)產(chǎn)化做原材料的零部件供應(yīng)準(zhǔn)備。

碳纖維的產(chǎn)量其實(shí)非常低，相當(dāng)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(guó)目前實(shí)際產(chǎn)能將近 1 萬噸，但實(shí)際產(chǎn)量只有 3000 多噸。所以基本上國(guó)內(nèi)碳纖維的現(xiàn)狀就是，實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)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(guó)液燃?xì)膺@種氣瓶的增長(zhǎng)以及海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)。

尤其是馬上應(yīng)對(duì)整個(gè)汽車市場(chǎng)，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(duì)碳纖維的需求量實(shí)際是非常龐大的。所以，在 2020 年全球碳纖維的需求量可能實(shí)現(xiàn) 13 萬噸。

上表格是第三方的預(yù)測(cè)，美國(guó)復(fù)合材料預(yù)測(cè)和咨詢公司在去年碳纖維產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上做了一個(gè)詳細(xì)預(yù)測(cè)。全球碳纖維市場(chǎng)分為消費(fèi)品和體育休閑，航空航天和工業(yè)。其中工業(yè)包括汽車風(fēng)電等其他具體需求。

汽車廠商如何獲取碳纖維復(fù)合材料

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(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼鐵和鋁合金的產(chǎn)量。

所以基于這一點(diǎn)，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(shí)候采取的做法是收購(gòu)了德國(guó)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(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)下游產(chǎn)業(yè)鏈的控股，這一點(diǎn)也是被很多汽車廠所接受和學(xué)習(xí)的。

這當(dāng)中有一個(gè)故事：2001年寶馬和大眾公司一項(xiàng)研究項(xiàng)目：未來什么技術(shù)突破會(huì)改變汽車的現(xiàn)有格局？當(dāng)時(shí)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(huì)與鋁合金持平，碳纖維復(fù)合材料尤其它的可設(shè)計(jì)性和模塊化，會(huì)大大的會(huì)或者徹底顛覆整個(gè)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(gòu)買西格里 16% 的股份來對(duì)抗大眾汽車所購(gòu)買的 10% 股份，從而保證其在位于德國(guó)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(gòu)買了西格里的 27% 的股份，令寶馬對(duì)這家公司控制力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

這也是為什么大眾汽車的碳纖維開發(fā)經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于寶馬公司，但現(xiàn)在對(duì)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(gè)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(gòu)，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(duì)外公布兩家公司會(huì)在底特律建立一個(gè)技術(shù)中心，共同開發(fā)熱塑性復(fù)合材料成型工藝。

德國(guó)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(gè)這樣的聯(lián)盟，成立一個(gè)合資公司，開發(fā)一些汽車零部件復(fù)合材料。

另外就是福特和陶氏化學(xué)，陶氏化學(xué)開發(fā)的碳纖維歷史很長(zhǎng)，后來通過收購(gòu)阿克薩進(jìn)入了碳纖維原材料供應(yīng)領(lǐng)域。陶氏化學(xué)和福特也形成了這樣的聯(lián)盟，專門用于低成本碳纖維復(fù)合材料的零部件的開發(fā)和設(shè)計(jì)。福特汽車的目標(biāo)是在 2020 年新開發(fā)的汽車的重量要減輕 340 公斤。

碳纖維原材料制作商的布局

碳纖維是一個(gè)非常重要的國(guó)家戰(zhàn)略。

日本東麗株式會(huì)社（Toray，簡(jiǎn)稱東麗）、帝人集團(tuán)旗下的東邦人造絲（TohoTenax，簡(jiǎn)稱東邦）和三菱麗陽株式會(huì)社（Mitsubishi Rayon，簡(jiǎn)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(chǎng)份額。

根據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局《產(chǎn)業(yè)專業(yè)分析報(bào)告——高性能纖維》一書中的統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)碳纖維生產(chǎn)工藝領(lǐng)域申請(qǐng)量進(jìn)入全球排名前10位的都是日本申請(qǐng)人，而 CFRP 領(lǐng)域申請(qǐng)量排名前 10 位的有 9 位都是日本申請(qǐng)人。所以這一點(diǎn)不管是研發(fā)能力還是產(chǎn)業(yè)化能力，日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于全球任何一個(gè)國(guó)家。

應(yīng)對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模對(duì)碳纖維的需求，原材料制作商也做了一個(gè)積極的布局。

東麗集團(tuán)

•  2013 年 3 月收購(gòu)日本賽車設(shè)計(jì)和制造商童夢(mèng) Carbon Magic 公司； 

• 7 月買入美國(guó)汽車碳纖維部件供應(yīng)商 Plasan Cabon Composites 公司 20% 的股權(quán)（是美國(guó)唯一的豪華轎車 CFRP 車體面板一級(jí)供應(yīng)商，同時(shí)自身擁有可將 CFRP 部件的生產(chǎn)成型時(shí)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(gòu)美國(guó)碳纖維生產(chǎn)商卓爾泰克； 

三菱麗陽 

• 2012 年 11 月完成收購(gòu)日本 CFRP 零件制造商 Challenge 公司和德國(guó)多軸向織物制造商 TK Industries 公司；

• 12 月與韓國(guó) SK Chemicals 公司建立了工業(yè)應(yīng)用 CFRP 預(yù)浸料生產(chǎn)同盟；

• 2013 年 2 月成立新公司整合其在美國(guó)的碳纖維業(yè)務(wù)；3 月兼并三菱化學(xué)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(guó)能源企業(yè) PTT 就 CFRP 業(yè)務(wù)簽訂 MOU；

三菱麗陽則與寶馬和西格里集團(tuán) 3 方合作，在 2014 年寶馬 i3 系列純電動(dòng)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(yīng)用邁出了重要的一步。這款車的市場(chǎng)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(guó)際上主要的碳纖維的市場(chǎng)上的報(bào)價(jià)。

工藝的顛覆

我們講的「顛覆」其實(shí)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(huì)有很大的變化。

• 沖壓會(huì)被復(fù)合材料成型中的模壓和鍛造工藝所替代；

• 未來整車不會(huì)有太多的焊接，除了熱塑性復(fù)合材料會(huì)用超聲波做一些焊接外，焊接基本上會(huì)被膠接、鉚接這樣的工藝所替代；

• 由于復(fù)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(huì)很低，像某些注塑件，其涂裝溫度只有 85 度；

• 復(fù)合材料成型，整車模塊化以后，其總裝生產(chǎn)線長(zhǎng)度要求會(huì)大幅度減少，因?yàn)檎囍挥袔资畟€(gè)模塊，車的組裝節(jié)奏將會(huì)變得非?？?。這對(duì)于總裝線的投入成本會(huì)大幅度下降；

所以說，新材料尤其是復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用會(huì)降低整個(gè)汽車制造商的準(zhǔn)入門檻，因?yàn)樗旧贤度氲馁Y金量不會(huì)特別龐大。簡(jiǎn)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(fù)合材料車身的話，1 億歐元就差不多了。

對(duì)于汽車零部件復(fù)合材料的成型，我們大致分為兩個(gè)領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)的工藝也有所不同：

• 一個(gè)是小批量定制化的超跑和賽車市場(chǎng)；

• 另一個(gè)是大規(guī)模量產(chǎn)的乘用車和商用車市場(chǎng)。

例如，跑車和賽車市場(chǎng)比較成熟的工藝是基于航空航天領(lǐng)域的工藝，但這個(gè)工藝很難用于規(guī)模量產(chǎn)的乘用車和商用車，對(duì)應(yīng)的工藝我們有快速上升的 IRTM、HP-RTM 或者是復(fù)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(shè)計(jì)中心和數(shù)字化制造中心，整個(gè)過程是數(shù)據(jù)點(diǎn)和數(shù)據(jù)面?zhèn)鲃?dòng)和流動(dòng)的過程。

復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性是它最大的亮點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)改變制造格局。我們傳統(tǒng)金屬零部件在制造的時(shí)候，非常嚴(yán)苛按照結(jié)構(gòu)、組織、性能做設(shè)計(jì)和選材。但復(fù)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(shí)現(xiàn)人為可設(shè)計(jì)性。

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