幾十年前，就有專家曾預言碳纖維復合材料將會取代金屬用來制造汽車結(jié)構(gòu)件?，F(xiàn)在這個預言已逐漸成為事實。碳纖維復合材料（CFRP），憑借其質(zhì)量小，強度高、剛性高，良好的耐蠕變與耐腐蝕性的特點吸引了法拉利、寶馬、蘭博基尼、瑪莎拉蒂、雷克薩斯等眾多豪華轎車廠商的垂青，碳纖維復合材料已經(jīng)成為各廠家出奇制勝的法寶。

碳纖維是一種具有類石墨結(jié)構(gòu)的人造纖維材料,作為高端原材料在工業(yè)和生活中有非常廣泛的應(yīng)用，由于碳纖維復合材料具有質(zhì)輕、比強度高、設(shè)計自由度高、集成性強等優(yōu)點，碳纖維復合材料逐漸成為汽車輕量化材料的新寵。

通常情況下，車身自重約消耗70%的燃油，因此降低汽車油耗的首要問題就是減輕汽車自重。日本的碳纖維制造協(xié)會曾經(jīng)做過一個關(guān)于碳纖維生命周期的測試，采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量，不僅燃料應(yīng)用效率極大提高，而且間接地降低了二氧化碳排放，作為環(huán)保材料的碳纖維受到全世界的關(guān)注。圍繞“碳纖維汽車”，全世界的汽車企業(yè)展開了激戰(zhàn)，國際碳纖維巨頭也紛紛擴能，搶占這一具有巨大潛力的市場。

中國新材料技術(shù)協(xié)會會長、全國特種合成纖維信息中心主任羅益鋒認為，今后CFRP(碳纖維增強復合材料)需求增長最快的將是汽車工業(yè)，預計到2020年的消費量將接近于航空航天與軍工領(lǐng)域(約23000噸)。而我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)由于自身實力上的差距，目前鮮少涉足汽車用領(lǐng)域，唯有跨越式發(fā)展才可能把握住“汽車機會”。

國外車用碳纖維復材發(fā)展迅速

近年來，碳纖維復合材料在汽車上的應(yīng)用部位不斷擴大。2010年豐田上市的跑車雷克薩斯LFA全面采用CFRP制造車體，成為了關(guān)注的焦點，但其價格也創(chuàng)下了日本國產(chǎn)車中最高的3750萬日元。其后，寶馬集團通過開發(fā)多種技術(shù)提高生產(chǎn)效率，終于將CFRP成功地應(yīng)用于量產(chǎn)車。

寶馬的碳纖維原絲供應(yīng)商是日本三菱麗陽。自2012年以來，三菱麗陽不斷擴大碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，收購了日本CFRP零件制造商Challenge公司等多家企業(yè)，并計劃2014年度以后增加美國工廠的設(shè)備，將年生產(chǎn)能力在現(xiàn)有約1萬噸的基礎(chǔ)上擴大到2萬噸，將向作為主要客戶的寶馬汽車公司(BMW)擴大供貨。

寶馬公司還與汽車碳纖維生產(chǎn)商SGL Carbon(SGL)合作計劃投資逾1億歐元，將碳纖維產(chǎn)量從每年3000噸提高到6000噸，用來滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車的市場需求，并同時應(yīng)用在預計將于明年底上市的寶馬7系車上。

日本東麗集團于2013年9月斥資近700億日元，收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司(Zoltek)，藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應(yīng)商，將產(chǎn)品全球份額提高到30%。而全球第二大碳纖維廠商日本帝人則與美國通用汽車在碳纖維技術(shù)利用方面展開了合作，預計2014年將在美國新建工廠，并面向量產(chǎn)車供應(yīng)碳纖維。

碳纖維應(yīng)用汽車行業(yè)存在諸多難題

雖然碳纖維作為一種輕量化的材料在汽車上有著廣泛的應(yīng)用前景，但想要在汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還存在諸多技術(shù)難題。

設(shè)計能力：碳纖維復合材料可設(shè)計性強，零部件集成設(shè)計、碳纖維復合材料鋪層設(shè)計能力（包括鋪層層數(shù)、角度、方式）等都需要大量的經(jīng)驗積累，才能最大限度的發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)勢。

材料選擇：根據(jù)編織方式的不同（如平紋，斜紋，多軸向），每個牌號的碳纖維織物性能各有差異，因此，在滿足安全性能的前提下，選用何種牌號何種編織方式的碳纖維織物都是需要我們進行大量實驗來決定。

價格降低：相對于傳統(tǒng)的鋁材，復合材料的成本較高，需通過碳纖維規(guī)?；纳a(chǎn)及應(yīng)用，才能降低碳纖維價格。

零件加工工序：碳纖維通常經(jīng)過編織-鋪貼-與樹脂浸潤-高溫成型，耗費大量勞力且生產(chǎn)效率較低，還需進一步優(yōu)化工藝或研究新的工藝，縮短加工周期。

材料連接：碳纖維復合材料屬于脆性材料，機械連接會產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成多種形式的失效，需要充分考慮復合材料連接部位的力學分布情況，設(shè)計連接位置及強度，另外碳纖維具有導電性能，與金屬部件連接會產(chǎn)生電化學腐蝕，造成結(jié)構(gòu)失效，需要研究合適的膠接或機械連接材料，達到最好的裝配性能。

材料回收：碳纖維復合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎進行回收，不環(huán)保而且資源浪費，需要在回收熱固性樹脂的同時，最大限度的保持纖維強度，將碳纖維進行回收利用。

產(chǎn)業(yè)銜接：產(chǎn)、學、研結(jié)合不夠緊密，沒有明確定位、合理分工，基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機銜接不夠.企業(yè)規(guī)模小而分散，輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后。

強強聯(lián)手研發(fā)已然成為行業(yè)主流

因為需求增加，在汽車行業(yè)的應(yīng)用成為各大碳纖維廠商加緊研發(fā)的重點，相關(guān)碳纖維復合材料生產(chǎn)技術(shù)不斷獲得新的突破。

碳纖維是將丙烯等纖維在無氧狀態(tài)下“蒸烤”炭化制成。把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才能成為CFRP。飛機等使用的CFRP在成型時，要在專用釜中加熱加壓，使構(gòu)件硬化。這樣做雖然可以獲得極高的強度，但成型需要若干小時，而且成本高昂。寶馬i3使用的CFRP采用了無須加壓加熱的新工藝——RTM(樹脂傳遞模塑)，即把預成型的碳纖維布放入模具，高壓注入樹脂，使纖維與樹脂結(jié)合，可在10分鐘以內(nèi)成型。

為實現(xiàn)汽車車輪的的輕量化和高強化，三菱麗陽與車輪生產(chǎn)廠家ENKEI公司共同開發(fā)CFRP與鋁合金相粘接的車輪，CFRP壓縮成型時間可縮短至10分鐘左右。日本CFRP生產(chǎn)廠家UCHIPA公司導入了CFRP自動化生產(chǎn)線，包括熱固性樹脂預浸料壓制成型、熱塑性樹脂RTM成型和熱塑性樹脂預浸料壓制成型，共3種成型方法，并與蘭博基尼公司在名古屋大學內(nèi)設(shè)立研究所，批量生產(chǎn)汽車部件和無人直升機葉片等。

日本東麗、豐田和東京大學等已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)全面采用碳纖維的汽車，推進加工技術(shù)等的研究，預計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應(yīng)用。

目前，不少汽車生產(chǎn)工廠直接與碳纖維制造商合作以便制造可用的零部件。如贏創(chuàng)同江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)與帝人集團東邦特納克斯(Toho Tenax)共同研發(fā)CFRP；荷蘭皇家曇卡草坪(TenCate)與日本東麗達成了長期供應(yīng)協(xié)議；東麗與戴姆勒(Daimler)達成共同研發(fā)協(xié)議，為梅賽德斯—奔馳研發(fā)CFRP部件。

國內(nèi)碳纖維及車用碳纖維復材發(fā)展現(xiàn)狀

我國碳纖維消費量大,進口依賴度高,碳纖維產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了產(chǎn)品從無到有的階段,目前產(chǎn)品規(guī)模和質(zhì)量都有待進一步改善。全球產(chǎn)能一半以上都集中在日本和美國,我國的產(chǎn)能占比十分有限。2014年全球碳纖維產(chǎn)能約14.3萬噸左右,我國產(chǎn)量僅3200噸。從需求角度看,我國碳纖維消費量很大,消費規(guī)模僅次于美國和西歐,占到全球比重的23%,企業(yè)對進口的依存度很高。對目前的碳纖維產(chǎn)業(yè)來說,技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)能增量都刻不容緩。

據(jù)了解，目前在碳纖維領(lǐng)域走在前頭的主要為日本的三家企業(yè)，包括三菱麗陽、東麗公司以及帝人公司，這三家公司基本壟斷了全球60%的碳纖維的供應(yīng)。國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有中石油吉林碳纖維廠、中石化、中國航天、威海拓展等。

“碳纖維在民用和軍用領(lǐng)域的需求每年都在增加，國內(nèi)產(chǎn)線也一直在上，但是真正能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定化生產(chǎn)的沒有幾家。而以最早做碳纖維的吉林化纖為例，雖然這些年公司也一直在發(fā)展，但和日本相比，兩者的碳纖維發(fā)展水平至少還相差30年左右?！睒I(yè)內(nèi)專家表示。

雖然我國碳纖維技術(shù)與國外差距較大，但我國車用碳纖維復材領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。2014年5月，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學研究所等單位聯(lián)合承擔的“碳纖維增強熱塑性復合材料結(jié)構(gòu)件成型技術(shù)研究”項目研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)碳纖維復合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)碳纖維復合材料汽車部件的自動化制備，效率達到56件/天，并分別采用APA6及PCB噸熱塑性單體經(jīng)原位聚合成型制備出大尺寸復合材料汽車底板。

2015年2月，由煙臺鼎立汽車部件有限公司自主研制的我國第一臺碳纖維復合材料車身，通過國家汽車技術(shù)檢測中心的檢測，車身強度完全符合甚至超過國家檢測標準。這臺車身與普通用鋼材制造的傳統(tǒng)大型客車相比，總體重量減少了40％—60％，因此在消耗同樣油量或電量的情況下，車輛可多行駛150公里，經(jīng)濟效益顯著。由于碳纖維抗拉強度高達3500MPa以上，是鋼材的5—10倍，因此較傳統(tǒng)車型也更加堅固安全。據(jù)了解，這種碳纖維大客車車身生產(chǎn)線將于今年在該公司正式投產(chǎn)，預計年產(chǎn)量1萬臺，年可實現(xiàn)銷售收入30億元。

隨著我國汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復合材料的不斷研究和應(yīng)用，輕質(zhì)、高強的碳纖維復合材料應(yīng)用成本下降，碳纖維復合材料零部件的應(yīng)用會越來越廣泛。

國產(chǎn)碳纖維企業(yè)如何抓住“汽車機會”？

我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)上大大落后于日美企業(yè)，中國碳纖維復合材料主要用于體育休閑、建筑補強等中、低端市場，鮮少用于汽車工業(yè)。中國復合材料集團公司董事長張定金表示，盡管汽車行業(yè)中大規(guī)模使用碳纖維還存在眾多技術(shù)難題，但碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

“碳纖維復合材料是汽車輕量化最好的方法之一”這一觀點已成為業(yè)界不爭的事實，在汽車上的應(yīng)用使碳纖維復合材料開始從軍用轉(zhuǎn)向民用。在汽車輕量化蓬勃發(fā)展之下，國產(chǎn)碳纖維企業(yè)如何抓住“汽車機會呢”？下面三點意見或許可以作為國產(chǎn)碳纖維企業(yè)發(fā)展的參考。

企業(yè)要圍繞碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈為出發(fā)點

碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)鏈每個環(huán)節(jié)的技術(shù)的關(guān)聯(lián)度是非常緊密的，可以說是環(huán)環(huán)緊扣，比如：如市場上沒有優(yōu)質(zhì)的、大批量和低成本的原絲，要想單獨建一個大型的纖維碳化廠可謂是“無米之炊”；而當碳纖維絲束獨立存在時卻是“英雄無用武之地”，只有與樹脂基體結(jié)合后才能充分發(fā)揮出其優(yōu)異的力學性能和功能；即便是同樣品質(zhì)的碳纖維，如在復合材料中的排列方式不一樣，其各自復合材料的總體性能差異就很大。

碳纖維如與性能不匹配的樹脂復合，也不可能成為高性能的復合材料；即或所有基礎(chǔ)材料都是高品質(zhì)和相匹配，但加工成型的設(shè)備和工藝不對，也不可能生產(chǎn)出高品質(zhì)和高性能的復合材料……

在整個碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域，無論是發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，還是發(fā)展復合材料下游產(chǎn)業(yè)，企業(yè)的決策者應(yīng)秉承系統(tǒng)論的思維與戰(zhàn)略尤為重要。盲目跟風去發(fā)展碳纖維，就很容易誤入迷途。同理，不對國內(nèi)外碳纖維有清晰的認識，對這個行業(yè)缺乏了解，盲目發(fā)展高性能復合材料，也會陷入被動。

總之，要想在汽車應(yīng)用上實現(xiàn)突破，我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)還需注重與樹脂供應(yīng)商、中間產(chǎn)品生產(chǎn)商和設(shè)備制造商的合作，緊緊圍繞碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈來發(fā)展生產(chǎn)。

需從源頭來控制碳纖維復合材料低成本化

由于碳纖維的生產(chǎn)成本居高不下，不僅企業(yè)普遍虧損，許多車企都“望洋興嘆”。國際上業(yè)界有一句流行的話：從原材料到碳纖維，價格從1變到3；但把碳纖維加工成復合材料，價格可從3變到10。這句話表達了兩層含義：從碳纖維到復合材料，增加的附加值更多；碳纖維在復合材料中的成本是約20％～300％。但必須指出，所謂低成本高性能復合材料不是指絕對的低成本，必須要強調(diào)高性能價格比，而且要強調(diào)系統(tǒng)下的比較成本優(yōu)勢，比如汽車用碳纖維復合材料，不光要計算其零部件本身的成本，更要計算組合安裝成本以及節(jié)能減排和綠色環(huán)保效應(yīng)帶來的綜合效益。否則，只計算零部件的絕對成本，高性能復合材料肯定比傳統(tǒng)或常規(guī)的復合材料高出很多。

從結(jié)構(gòu)復合材料的設(shè)計開始，就必須充分考慮成本因素，如果設(shè)計師在各個環(huán)節(jié)缺乏相對精確的許用值，不斷加大安全系數(shù)，設(shè)計出的復合材料零件比金屬零件還厚重，那低成本就根本無從談起。

對于高性能復合材料，成本不僅可以控制，還可以設(shè)計。有大量原材料和成型工藝的排列組合可供設(shè)計師選擇，不同的材料工藝組合就有不同的成本。所以，高水平復合結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員，不光是優(yōu)秀的技術(shù)人員，也應(yīng)是精確的成本核算師。

差異化發(fā)展掌握核心技術(shù)實現(xiàn)短期超越

國際上碳纖維的新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，而且朝生產(chǎn)高效化、品質(zhì)超高性能化和成本下降的趨勢發(fā)展。超級碳纖維的出現(xiàn)，打破了以往碳纖維是脆性材料的舊觀念，可拓展到防彈等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；相對廉價的碳芯-碳化硅纖維(C-Si碳纖維)的出現(xiàn)，將進一步拓展碳纖維在高端和一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，新型CFRP快速成型固化劑的出現(xiàn)，可使碳纖維增強熱固型樹脂的成型時間縮短至1分鐘以內(nèi)，從而進一步拓展在尖端領(lǐng)域和一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

碳纖維技術(shù)缺乏創(chuàng)新，引進設(shè)備投資居高不下，也是造成我國碳纖維生產(chǎn)成本高的一個重要原因。在與國外差距越拉越大之下，我國碳纖維企業(yè)要在“汽車領(lǐng)域”大有作為的話，應(yīng)走跨越式發(fā)展碳纖維和CFRP的道路，堅持差異化發(fā)展道路，堅持自主創(chuàng)新，以研發(fā)行業(yè)最先進的技術(shù)為突破口，并率先為汽車行業(yè)所用。

技術(shù)創(chuàng)新離不開人才，據(jù)了解，目前我國在碳纖維領(lǐng)域相關(guān)研發(fā)人員也很缺乏，國內(nèi)做碳纖維的研究人員主要集中在航空軍工領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域的則基本沒有。面對這種現(xiàn)狀，我們應(yīng)大力發(fā)展人才戰(zhàn)略，除了學習別人的先進技術(shù)，也要把軍工領(lǐng)域的專家、技術(shù)逐步過渡轉(zhuǎn)移到汽車行業(yè)上來，只有這樣，我國的碳纖維企業(yè)才能在短期內(nèi)超越群雄。