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发布时间:2023-03-09 17:03:17

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“黑色黄金”—解码汽车轻量化的王者之材

  • 分类:焦点聚集
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  • 发布时间:2022-09-27 19:43
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【概要描述】可分为PAN基、沥青基、粘胶基碳纤维,PAN基是当今世界碳纤维发展的主流,占碳纤维市场的90%以上。碳纤维复合材料(CFRP)的密度约为1.6g/cm³,不足钢密度的1/4,同时拥有优异的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性,主要应用于车身构件、刹车泵、轮毂、传动轴等部分。

“黑色黄金”—解码汽车轻量化的王者之材

【概要描述】可分为PAN基、沥青基、粘胶基碳纤维,PAN基是当今世界碳纤维发展的主流,占碳纤维市场的90%以上。碳纤维复合材料(CFRP)的密度约为1.6g/cm³,不足钢密度的1/4,同时拥有优异的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性,主要应用于车身构件、刹车泵、轮毂、传动轴等部分。

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引言

 

 

  轻量化是汽车发展的大势所趋,轻量化能够降低汽车油耗、提升续航里程。各大汽车制造商纷纷加快轻量化改革,在汽车制造中寻求更为轻量的材料与工艺。

  这其中轻质新材料的应用是汽车实现轻量化的关键,如使用结构更轻的铝合金、高强度钢、镁合金、碳纤维复合材料对传统普通钢结构进行代替等。今天为大家介绍的就是非金属材料之王——被誉为“黑色黄金”的碳纤维。

  碳纤维简介

  碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。

  可分为PAN基、沥青基、粘胶基碳纤维,PAN基是当今世界碳纤维发展的主流,占碳纤维市场的90%以上。碳纤维复合材料(CFRP)的密度约为1.6g/cm³,不足钢密度的1/4,同时拥有优异的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性,主要应用于车身构件、刹车泵、轮毂、传动轴等部分。

  由于价格较高,目前主要应用在部分高端车型,下图是采用了CFRP的奥迪车厢后部和地板中央。

 

 

  碳纤维优势

  01.车身轻量化

  碳纤维密度小,比低碳钢结构减重50%,比镁/铝合金结构减重30%。

  02.颠覆生产流程

  模压和粘结工艺代替冲压和焊接,节约生产线及模、夹具的投入。

  03.集成度高

  可设计性强,实现流线型曲面成本低,可减少零部件种类和工装投入。

  04.汽车安全性

  汽车轻量化后重心下降,提升操作稳定性,碰撞吸能能力为钢的6-7倍,铝的3-4倍。

  05.汽车舒适性

  更高的震动阻尼,对汽车整体降噪效果提升显著,舒适性更佳。

  06.汽车可靠性

  碳纤维高的疲劳强度(可达70%-80%),使车身可靠性有较大提升。

  碳纤维应用

  碳纤维复合材料凭借自身多种优势,被广泛应用于汽车工业领域,其中车身结构占35%、底盘部件占20%、转向及悬挂系统占17%、覆盖件占10%、内饰件占18%。

  车身构件是汽车中运用碳纤维复合材料最多的地方,主要包括引擎盖、车架、车顶框架以及 A/B/C/D 立柱等部分。在相同结构强度条件下,采用碳纤维复合材料制作汽车零部件,其质量可减轻 50%,对于汽车的动力学性能具有重要提升作用。

 

 

  轮毂是维持汽车正常运转的关键部件之一,而碳纤维复合材料可有效满足轮毂的实际需求,有利于实现汽车轻量化。英国 Kahm公司利用碳纤维复合材料制成的 RX-X型高级汽车专用轮毂质量仅 6kg,具有高速行驶 以及降低车轮径向惯性力的作用。

  传动轴为保证汽车的稳定运行,要求有良好的传动能力、耐疲劳性等优势。而碳纤维复合材料独特的各向异性、比强度高等特点可将传动轴的质量减至原来的一半以上。与传统金属材料相比,其扭矩力可达到钢材的170%以上。

  碳纤维行业

  01.市场规模

  2021年全球碳纤维的需求量为11.8万吨,对比2020年的10.69万吨,同比增长10.4%。预计2025年全球碳纤维需求量将达到20万吨。在汽车行业,采用碳纤维的车型越来越多,尤其是新能源汽车,其中电池盒(尤其是底盖),有望成为碳纤维的重大需求品种,但材料成本高是碳纤维复合材料在汽车工业中大范围应用的主要障碍。

  02.企业代表

  以东丽为代表的日资企业在国内市场占据30%以上份额,地位牢固。美国Hexcel、台塑、德国SGL(英德)、土耳其DOWAKSA,在汽车、风电及压力容器等领域有较好的业绩。随着国内龙头企业规模化生产能力逐渐形成,加上日本企业在低端产品市场的刻意打压,缺乏核心技术的中小企业将面临更大的生存压力,行业整合将加速到来。

  03.未来发展

  根据我国汽车轻量化技术路线图及发展目标,到2025年,在2015年基础上进一步减重20%,对轻量化材料的使用也将逐步由高强度钢、铝合金逐步扩大至镁合金、碳纤维等,最终实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用。根据路线图,至2025年,碳纤维复合材料用量将占到车重的5%,市场规模接近600亿元。

 

 

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