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《产业用纺织品》
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价格指数信息
原料价格高昂困扰汽车轻量化
时间:2017年10月31日

1月20日,我国首辆具有核心技术自主知识产权的碳纤维新能源汽车在江苏盐城奥新工厂正式下线。该车使用全碳纤维材质乘客舱设计,通过覆盖件与内板件粘合形成结构强度功能、优化集成零件模块,整车零部件数量减少至传统汽车零部件的40%,一次能跑440公里,最高时速达110公里,每百公里耗能低于10度电。降低电动汽车成本的同时提高电动汽车的动力性和续航里程,真正实现节能减排。

汽车轻量化,是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车整体质量,从而提高汽车动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。在汽车快速轻量化的背景下,新能源汽车概念迅速崛起。中国汽车工业协会最新公布的数据显示,2014年新能源汽车生产78499辆,销售74763辆,比2013年分别增长3.5倍和3.2倍。

碳纤维复材“众望所归”

实现轻量化,发展新能源汽车,碳纤维复合材料被寄予厚望。碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度,是现有制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料,因此成为汽车轻量化的理想材料,特别是在电动碳纤维车辆的应用空间更加广阔。

中机系(北京)信息技术研究院产业规划所研究员毋剑波指出,减重、节油和环保是汽车产业重要的效益指标,碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘质量减轻40%~60%,相当于钢结构的1/3~1/6,因此碳纤维在新能源汽车领域的应用引起了世界各国政府和相关企业的重视。举例来说,美国每年投入约2亿美元执行汽车车体轻量化的5年发展计划;日本的日产汽车和本田汽车也将与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料。据测算,到2019年汽车产业的碳纤维需求量有望增至9300吨。

北京中材汽车复合材料有限公司总工程师高国强表示,碳纤维复合材料在汽车中应用的前景可期,车用需求将有望显著提升,特别是豪华车和超豪华车辆细分市场。目前,不少代工工厂不仅与一级供应商合作,还与碳纤维制造商合作以便制造可用的零部件。如赢创同江森自控、雅各布塑料以及东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料;荷兰皇家昙卡草坪与日本东丽公司达成了长期供应协议;东丽与戴姆勒达成共同研发协议,为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件。

大量普及仍“任重道远”

对于我国而言,汽车轻量化的意义更加重大。一方面,我国是汽车消费大国,另一方面,我国政府明确承诺,到2020年,实现单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%,这为碳纤维复合材料汽车及其零部件发展提供了巨大的市场。

那么,汽车要实现“碳纤维化”,路还有多远?高国强表示,国内新能源汽车,尤其是碳纤维汽车的大量普及,仍有很长一段路要走。

高国强认为,碳纤维汽车普及难度大的首要问题是成本太高。例如,全碳纤维车身及底盘雷克萨斯汽车售价为280万元人民币,这几乎是一辆法拉利458和一辆路虎揽胜价格的总和,远远超过普通客户的承受范围。“只有当碳纤维价格下降至70元~100元/千克时,才会具有一定的市场竞争优势。”高国强说。

此外,作为一种完全有别于金属的新型材料,碳纤维复合材料汽车零部件的开发涉及结构设计、铺层设计及强度设计等多个方面,离不开大量的计算和经验数据的积累。而整个车体结构开发则涉及原料、中间产业、零件生产商及整车制造多个领域,上下游协调难度更是不可小觑。因此要实现复合材料汽车零部件的规模化生产,还需要制订相应的各种标准规范,包括材料的检验和测试标准以及生产工艺规范等。

总体来讲,碳纤维复合材料车身结构是一个非常复杂的系统工程。目前,国外很多整车厂及协作厂已建有完整的复合材料工艺体系和设计体系,相比之下,国内的汽车企业在此方面还处于一个空白。随着复合材料在汽车工业应用的日益增多,建立专业的研发团队和制定相应的材料规范和工艺规范已成为国内汽车整车厂商的当务之急。

可喜的是,一些国内企业在轻量化方面已经开始起步。常州神鹰碳塑复合材料有限公司投资3.3亿元,在常州武进经济技术开发区建设年产20万件碳纤维轿车顶棚板、引擎盖、保险杠生产线;长城汽车、奇瑞汽车也与国外企业开展合作,推进轻量材料的应用。此外,宝马i3、i8等系列碳纤维车辆顺利进入国内市场,也为国内碳纤维汽车市场注入一剂活力。

应用难,症结在哪?

从碳纤维基本原料到最终应用于汽车工业,大概需要经过6个过程,即碳纤维产业——中间材料产业——设计开发产业——零部件制造产业——整车设计和制造产业——最终用户,不同产业分属不同领域,亦有各自的归口单位,除自身缺陷外,上下游需求不统一问题同样不容忽视。

从碳纤维产业到中间材料产业

  ·应用目标未细分,产品定位趋同化

  ·性能以国外产品性能为依据,未考虑具体应用需求

  ·标准级碳纤维快速纺丝和碳化技术尚未突破,综合成本高

  ·高级别碳纤维大批量生产技术有待验证

  ·产能过剩,开工不足

  ·国外产品低价竞争

从中间材料商到设计开发产业

  ·大部分树脂体系不能满足快速固化成型的需求

  ·大丝束和大克重比预浸料等低成本材料尚未形成大规模化应用

  ·设计、分析和仿真用材料数据非常少

   从设计开发到零部件制造商

  ·缺乏设计、分析和仿真所需可靠的材料和工艺数据

  ·不能准确、完整的定义荷载和环境条件要求

  ·汽车复合材料结构损伤模式和实现准则难以确定

  ·汽车复合材料结构试验方法、盘踞和实验准备缺乏

  ·既懂汽车又懂复合材料设计的人才稀缺

从零部件制造到整车制造

  ·缺乏碳纤维复合材料零部件快速生产制造关键技术

  ·制造装备落后,尚不能进行自动化大批量生产

  ·复合材料零部件制造商大多未进入汽车行业质量体系(TS16949)

  ·制造工程师和技术工人严重缺乏

  ·生产线建设投资巨大,投资者谨慎,无法打破产能约束瓶颈

  ·传统零部件制造产业仍然具有极大的竞争优势

  ·超强刚和镁铝合金等新型金属材料也在抢占结构轻量化市场

从整车设计和制造到最终客户

  ·使用碳纤维复合材料为客户带来什么不清晰,应用定位不准

  ·法规和规范不能覆盖或适用碳纤维复合材料的特性

  ·缺乏整车整体开发设计所需的总体数据

  ·缺乏知名的高端品牌

  ·缺乏精通复合材料的工程技术人员

案例分析

在汽车轻量化的今天,宝马i3作为全球首款大批量使用碳纤维的车型,自上市便受到市场的广泛关注。本期,我们通过分析i3的车身结构,碰撞试验、销量及客户反馈,侧面了解碳纤维汽车现状及未来趋势。

i3车身上共有34个碳纤维复合材料零部件

13个  一体化树脂传递模塑零部件(48种组成)

2个  树脂传递模塑与泡沫夹芯材料的编织结构

19个  一体化纤维模压零部件

 

i3电动车2014年全球销量预计达1.1万辆

2014上半年宝马i3电动车在全球销量共计5396辆,仅6月份就售出1241辆。目前,宝马i3电动车全球销量还没有完全统计出来,但根据宝马官方预计,2014全年宝马i3电动车销量有望突破1.1万辆。宝马集团预计中国市场将在5年内跃居全球最大的电动汽车市场,相关设施建设与政府政策推广都将得到推进。

同等价位宝马i3与奥迪Q5各项性能指标对比

结果分析

根据欧洲新车安全评鉴协会(E-NCAP)对宝马i3与奥迪Q5两款车的碰撞试验对比可以看出,宝马i3的碳纤维车身和电池在碰撞测试中表现良好,车辆对假人的保护比较全面。而奥迪Q5在碰撞中均出现了不同程度的损伤。此外,宝马i3所使用的热塑性塑料材质的车身覆盖件拥有较好的韧性,即便是像可变形移动壁障侧面碰撞那样强烈的撞击,其表面也不会有明显的褶皱出现,这在日后用车过程中倒是可以降低车辆的维修成本。

用户点评

Q5用户代表黄先生:Q5强化钢车体对人体保护作用属于中上级别,尽管油耗偏高,但不担心电量不足的问题。

i3用户代表杨小姐:碳纤维车身结实耐撞,对车内人员保护力度高,但随着时间推移,电池蓄电能力下降不可避免。

解读车用碳纤维使用误区

 

1 超级跑车及民用汽车所用都是碳纤维

解析关键:错把碳纤维与碳纤维增强复合材料混为一谈

产生这一误区的主要原因是听闻的习惯性描述:很多超级跑车使用了碳纤维。实际上,几乎所有高性能车型使用的“碳纤维”都是碳纤维增强复合材料,强调的关键点是复合工艺而不是碳纤维本身。可以把碳纤维与碳纤维增强复合材料理解为面粉与干粮的关系:基础原料相同,但添加成分和制作方法其实是明显不同的。即所有人都知道碳纤维原材料,但是根据需求生产出高性能碳纤维复合材料才是难点和关键。

2 提到碳纤维就认为是一种高级材质

解析关键:碳纤维也有高低档之分 主要与制造工艺相关

事实上,碳纤维只是广义上物质界定,根据应用需求衍生出的复合类材质其实超级多,分类的维度也很多,比如可以按原丝类型分、物理性能分、应用功能分、制造方法分等等,相应的就有了高低档次之分。这当中,用聚丙烯生产的碳纤维产量最多(约占市场的95%左右),它的碳化得率约为50%~60%左右,而以沥青纤维为原料,碳化得率能达到80%~90%,同时成本还更低,也是目前积极发展的车用碳纤维类型。

另一个决定碳纤维用途和档次的问题,就是制造工艺。不同烧制温度会直接影响产品的成本,从而不同碳纤维类材料之间的差价可能在几倍甚至几十倍上下。高温烧制往往也意味着大量能源的消耗。

3 认为碳纤维材质与凯夫拉材质是同类

解析关键:两者物理特性、知识产权等都有本质性区别

碳纤维是一种纤维状的碳材料;而凯夫拉纤维材质则是美国杜邦公司对芳纶纤维材料产品的品牌名,它的化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺,凯夫拉的模量数值要高于碳纤维类材质。凯夫拉材质会用在普通防弹盔甲甚至是坦克的防弹装甲中,这当中的很重要的原因就是凯夫拉材质的韧性更佳,可以利用更好的塑性变形来吸收外部冲击能量。而碳纤维增强复合材料是碳纤维的实际应用,两者相互依存但又不在同一层面;同时碳纤维类材质也有好坏高低之分,只是更多时候我们在性能车上见到的都属于高端产品。

2015年新能源汽车十大趋势

1月21日,赛迪智库装备工业研究所所长左世全在2015中国新能源汽车年会上,发布2015年新能源汽车十大趋势。

1.销量持续爆发增长,充电桩依旧困扰。产销量或将达到30万辆。然而,尽管充电设施缺乏的问题将得到缓解,但是仍就难以满足新能源汽车发展的需求。

2.市场壁垒将被打破,倒逼机制已经形成。充电设施缺乏和地方保护新能源汽车发展的关键问题将在2015年得到较大程度缓解。2015年还将有更多城市加入机动车限购行列,政府对于各车型油耗标准也将提高,新能源汽车、启动新能源汽车市场的愿望变得更加迫切和现实。

3.插电式混合动力引领市场,微型车或将逆袭。2015年,插电式混合动力汽车依然是经济实用的新能源汽车产品。同时,随着知豆、奇瑞eQ等微型新能源汽车上市,首次实现全成本核算上远远低于传统燃油汽车。

4.高端市场呈现激烈竞争,新品倍出。2015年高端市场将呈现群雄并起的态势。宝马i8、奥迪R8 e-tron以及比亚迪“汉”将陆续上市。新能源汽车品牌效应有望逐步形成,其中消费者对自主品牌的信心或将得到确立。

5.中级别纯电动车型难挑市场大梁,出现分化。技术升级、产业链整合将成为2015年中级别纯电动汽车市场成败的关键。现有的品牌和产品也将在这一年发生分化。

6.新型电池等技术加速产品化,但难以形成颠覆。新型锂离子电池、金属空气电池,以及碳纤维车身等技术2015年在研发和产业化方面将进一步取得重大进展。然而,真正颠覆性产品的产业化和工业化尚需再等几年。

7.产业链整合加速,新能源汽车成本有望继续降低。目前,我国部分新能源汽车相关产业,已经出现低端重复建设的问题。2015年新能源汽车相关产业加速产业链整合,将促进产业优胜劣汰的进程,相关设备、材料成本或将出现一定幅度的下降,新能源汽车成本有望继续降低。

8.非汽车企业进入,车网结合形成鲶鱼效应。2015年,新能源汽车产业和产品将与互联网思维和互联网技术结合得更加紧密,为实现智能生产和智能汽车打下基础。

9.新能源汽车后市场逐渐成熟,电池回收机制亟待建立。新能源汽车在质量、维修方面暴露出的诸多问题也将成为大众焦点和产业危机导火索。同时,随着新能源汽车数量的增加和时间的推延,建立有效可行的新能源汽车电池回收再利用机制势在必行。

10.自主品牌寻求国际合作,海外市场拓展加速进行。2015年,中国新能源汽车竞争优势将逐渐突显,并打开海外市场。同时,外资企业来中国合资生产新能源汽车及其核心部件的步伐也将加快。2015年,我国新能源汽车产业的规划和发展路线的顶层设计将更加完善,科研机制改革和产业链整合将成为自主品牌发展的根基。

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