據(jù)悉，2023年CFRP的市場估值預(yù)計將達到80億美元。一旦價格成本大幅下降，這種新型復(fù)合材料勢必會在主流汽車市場站穩(wěn)腳跟，未來發(fā)展?jié)摿缀醪豢晒懒俊?/div>
按照目前趨勢來看，今后5年CFRP會大量出現(xiàn)在一些主流汽車品牌的長青車型上，而處于整個價值鏈上的公司都應(yīng)該找準自己的位置，以便在接下來的車身材料“變革”中獲利。不過，從城市化、車聯(lián)網(wǎng)以及自動駕駛技術(shù)的長期發(fā)展大趨勢來看，碳纖維要主宰整個汽車市場，還需假以時日。
此外，CFRP的研究人員需要加快創(chuàng)新的步伐以降低碳纖維材料高昂的使用成本，這也是為什么這種材料目前僅限在航空業(yè)、運動器材制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，因為它們都屬于價格不敏感領(lǐng)域，但在競爭激烈的汽車市場，顯然一切都得“錙銖必較”。
換句話說，對生產(chǎn)碳纖維材料的供應(yīng)商來講，必須在商機來臨時做好準備。一旦主流汽車市場轉(zhuǎn)型，對以CFRP為主的高性能材料的市場需求勢必會大幅上漲。
富士經(jīng)濟調(diào)查了碳纖維復(fù)合材料和相關(guān)零件、裝置等11個品種的世界市場，按汽車和飛機等用途分析了其動向，并總結(jié)了報告書《碳纖維復(fù)合材料（CFRP/CFRTP）相關(guān)技術(shù)、用途市場展望》。
目前CFRP市場主要用于飛機和風力發(fā)電葉片。特別是材料單價高的飛機用途占據(jù)了市場的過半。預(yù)計到2025年汽車用途、壓力容器用途將大幅度增加，以數(shù)量為基礎(chǔ)，將成長為與飛機和風力發(fā)電葉片相當?shù)氖袌觥?/div>
CFRTP的靜電部件、滑動部件用途的增長帶動了市場的擴大。2020年以后，由于LFT-D和連續(xù)纖維的熱壓成形等的采用擴大，汽車用途大幅增加，預(yù)計2025年在數(shù)量上超過靜電部件、滑動部件用途成為最大用途。
將樹脂浸漬在碳纖維中的中間基材分為在連續(xù)纖維中浸漬熱固性樹脂或熱塑性樹脂的預(yù)浸料/層壓材料和將作為非連續(xù)纖維的短纖維/長纖維與熱塑性樹脂復(fù)合而成的顆粒。
在碳纖維的世界市場中，在CFRP中，PAN基碳纖維的用途平均含有55%左右。CFRTP主要采用短纖維/長纖維作為填料，因此目前面向CFRP的占市場的90%，但預(yù)計2025年以后，在汽車用途中開始采用連續(xù)纖維， CFRTP的應(yīng)用將進一步擴大。
圖1 CFRP車頂
在備受關(guān)注的汽車領(lǐng)域上，為了應(yīng)對汽車的油耗限制，作為輕量化材料，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將以歐洲為中心進一步擴大，特別是在電動汽車、插電式混合動力車及皮卡卡車和高級轎車等市場，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將快速增加。CFRP今后隨著RTM成形和SMC成形等技術(shù)改良的推進，市場有望擴大。
CFRTP能夠比目前的注塑成型提高強度的LFT-D成型將在歐洲得到實用化，準結(jié)構(gòu)零件用途將增加。此外，預(yù)計到2025年連續(xù)纖維層壓CFRTP的骨架、結(jié)構(gòu)部件用途將增加，并逐漸取代CFRP。
03 豐田普銳斯PHV混動汽車
豐田在其新款插電式混合動力車"普銳斯PHV"尾門內(nèi)側(cè)的骨架部分采用了碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。通過由現(xiàn)行款的鋁合金變更為RTM（樹脂傳遞模塑）成刑的CFRP，將尾門質(zhì)量減輕了3kg。
圖2 豐田普銳斯PHV混動汽車CFRP尾門
圖3 豐田普銳斯PHV混動汽車CFRP尾門
新款普銳斯PHV與舊款相比，后懸掛加長80mm。這樣不但確保了配備現(xiàn)行款2倍容量（8.8kWh）的鋰離子電池的空間，還確保了可放進兩個高爾夫球袋的行李艙容量。
如果尾門材料依然采用鋁合金，車輛后部會變重，因此新一代車型將材料改為RTM（樹脂傳遞模塑）成型的CFRP。片狀中間材料是從其他樹脂廠商處采購的，RTM成型由豐田完成。
通過采用CFRP，與利用鋁合金制造相同形狀的產(chǎn)品時相比，尾門重量可減輕3kg。不過，新款車加長了后懸掛，因此尾門的形狀比現(xiàn)行款要大，所以實際重量與現(xiàn)行款的尾門基本相同。
04 三菱化學碳纖維復(fù)合材料SMC片材
三菱化學碳纖維復(fù)合材料SMC片材用于豐田雷克薩斯新款轎跑內(nèi)板。
三菱化學旗下的碳纖維復(fù)合材料SMC材料被豐田公司選中，用在2017年3月最新發(fā)布的新型雷克薩斯豪華轎跑LC500和LC500h上，用于車門內(nèi)板和后備箱內(nèi)板的生產(chǎn)。
由三菱化學開發(fā)的SMC片材是一種CFRP中間材料，是將碳纖維切成數(shù)厘米長之后浸于樹脂中得來。SMC經(jīng)過快速加工（通常在2-5分鐘）之后，通過模壓工藝可以獲得生產(chǎn)所需的零部件。與預(yù)浸料成型工藝相比，SMC工藝具備復(fù)雜部件的成型優(yōu)勢，從而賦予了工程師更加靈活的產(chǎn)品設(shè)計能力。
圖4 豐田雷克薩斯中CFRP部件
此次，三菱化學的SMC片材能夠獲得豐田的青睞，得益于下列幾點優(yōu)勢，包括實現(xiàn)了大幅減重、性能的大幅提升，復(fù)雜部件生產(chǎn)能力的顯著提高。此次采用三菱化學的SMC片材，是豐田公司的第二次嘗試。三菱化學方面表示，今后還將繼續(xù)推廣旗下碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖5豐田雷克薩斯中CFRP部件
05 CFRP發(fā)動機罩及油盤
德國的化學公司BASF，作為美國能源部（DOE）的多材料輕量車體（MMLV）實證試驗事業(yè)的一環(huán)，與福特、蒙塔普拉斯合作，開發(fā)了使用與汽車車體輕量化相關(guān)的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的前部發(fā)動機罩及結(jié)構(gòu)用油盤。
圖6 CFRP發(fā)動機罩
BASF將以前用鋁鑄件制的福特增壓發(fā)動機的前發(fā)動機罩和結(jié)構(gòu)用油盤，換成用長碳纖維（LCF）聚酰胺復(fù)合材料，實現(xiàn)了每臺發(fā)動機約1.8kg的輕量化，其中發(fā)動機罩的重量減輕了23%、結(jié)構(gòu)用油盤的33%的重量。
BASF公司（美國）的營銷經(jīng)理斯科特·施利克說，關(guān)于這次的試制開發(fā)，“在處理像碳纖維一樣的最新復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，看到了有關(guān)設(shè)計和加工的新技術(shù)課題”。同時他還補充說：“為了解決現(xiàn)在和將來的課題，我們致力于很多新的輕量素材和輕量化技術(shù)。通過與福特的合作，我們推動了這些解決方案的前進。”
BASF與聯(lián)合團隊緊密合作，實施了有限元分析（FEA），在性能和重量兩方面對零件進行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。并且，BASF開發(fā)了新的LCFPA66熱塑性樹脂復(fù)合材料Ultramid（r）XA-3370，成功地解決了了機械特性和加工性的最佳平衡。同時，為了保持試制零件的成形品質(zhì)，也進行了加工及機械設(shè)備的支持。
06 CFRP輪轂
Rapiit株式會社的熱塑性碳纖維復(fù)合材料（CFRTP）輪轂與同尺寸的鋁制輪轂相比，可以實現(xiàn)46%的輕量化。由于CFRTP能夠?qū)崿F(xiàn)短時間內(nèi)低成本成形，因此各公司都在積極進行研發(fā)。現(xiàn)在多用于齒輪等滑動部件、自動售票機、IC托盤等靜電部件，預(yù)計2025年以后，CFRTP將在量產(chǎn)車上大規(guī)模得到應(yīng)用。
如果比鋁合金輪轂的重量減輕一半的話，每輛車安裝4個，將對汽車輕量化有很大的貢獻。此外，由于輪轂的輕量化，減輕了彈簧下的重量，從而改善了輪胎對路面的追隨性，對加速性能和油耗等也會帶來積極的效果。在此基礎(chǔ)上，在制造成本上能改善的話，其應(yīng)用范圍將迅速擴大。
對于CFRP輪轂來說，輪輞部分和輻條部分所要求的強度不同。因此，日立金屬公司正在摸索根據(jù)不同部位的需求改變素材等方法，采用了鋁合金和碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的融合，同時實現(xiàn)了強度和輕量化的兼顧。
圖7 Rapiit公司CFRP輪轂
當問到Rapiit公司和日立金屬公司關(guān)于產(chǎn)品化的目標時，回答是2025年。如果實現(xiàn)了這一點，目前僅限于保時捷等部分高級跑車的CFRP輪轂，在不久的將來會廣泛應(yīng)用到量產(chǎn)車中。
圖8 日立金屬公司的鋁合金/CFRP輪轂
07 結(jié)束語
隨著各國能源政策的緊縮以及對碳排放益愈嚴苛的控制,汽車行業(yè)對輕量化碳纖維復(fù)合材料的興趣也水漲船高。但受制于高昂的使用成本和較長的生產(chǎn)周期，碳纖維復(fù)合材料的使用目前僅局限于少量高端豪車領(lǐng)域。近年來,受益于生產(chǎn)工藝的進步,逐漸開始有汽車生產(chǎn)商愿意嘗試將其應(yīng)用到量產(chǎn)車上。
