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一文看懂碳纤维在汽车轻量化领域应用
日期:2019-10-09文章来源:新材料在线作者:新材料在线

采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。

2017年1月1日起,全国开始实施更加严格的国Ⅴ排放标准,对汽车的排放量提出了更高的要求。而在2020年1月1日起,欧盟范围内所销售的95%新车的二氧化碳平均排放水平必须由目前的130g/KM减少到95g/KM以下。在当前的形势下,汽车节能减排成为行业的发展趋势。

目前汽车轻量化途径有研发使用轻质的材料、设计优化结构、使用轻量化制造技术。采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。2015年国务院发布的《中国制造2025》中已明确将碳纤维及其复合材料汽车零部件技术作为节能与新能源汽车领域的重要发展方向。

碳纤维用于汽车轻量化的需求

2015年全球碳纤维汽车市场需求量达到了0.87万吨,预计到2020年将超过2万吨,未来五年年均增速高达21%,将成为增长最快和需求最大的领域之一。

 

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2011-2016年全球汽车领域碳纤维需求量

资料来源:赛瑞研究

碳纤维用于汽车轻量化的优势

碳纤维及其复合材料在汽车轻量化领域的优势突出表现在以下方面:

 

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碳纤维复合材料在汽车领域的应用优势

资料来源:玻纤情报网《从国内外专利大数据分析CFRTP在汽车上的应用及趋势》

而目前碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用主要集中在赛车、超跑等豪华轿车,对于民用型轿车的应用相对较少,制约碳纤维在汽车轻量化领域大规模应用的主要因素以及未来发展方向为:

 

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碳纤维复合材料在汽车领域应用难点及未来发展关键技术

碳纤维在汽车领域应用具体案例分析

碳纤维复合材料目前已经在高端车、超跑、赛车、改装车、限量版车型以及少量的电动车上开始大量应用。

目前,碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用主要分布在汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等等。

碳纤维复合材料在汽车的具体应用

 

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数据来源:赛瑞研究

世界上主要的汽车厂商与碳纤维厂商之间也建立了很多合作,共同推进碳纤维复合材料在汽车轻量化领域的应用。

汽车厂商与碳纤维企业之间的合作

 

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资料来源:赛瑞研究

(1)碳纤维复合材料在汽车车身的应用

碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%-60%,相当于钢结构质量的1/3-1/6,目前赛车和部分改装车大多选用碳纤维复合材料车身,在降低重量的同时,因复合材料碰撞时减少了碎片的产生,从而提高了安全性。

碳纤维复合材料在汽车车身的应用实例

 

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资料来源:赛瑞研究

 

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图片来源:宝马官网

(2) 碳纤维复合材料碳纤维在汽车轮毂的应用

碳纤维复合材料的使用使得轮毂质量得到降低,有助于减少车轮转动惯量,使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。

碳纤维复合材料在汽车轮毂中的应用实例

 

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资料来源:赛瑞研究

(3) 碳纤维复合材料碳纤维在汽车刹车、传动系统的应用

碳纤维复合材料制动盘可以在50m内将车速由300KM/h降50Km/h。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温,且性能稳定。而碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

碳纤维复合材料在汽车刹车、传动系统的应用实例

 

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资料来源:赛瑞研究

 

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图片来源:Toray官网

(4) 碳纤维复合材料碳纤维在汽车内饰、门窗的应用

碳纤维复合材料具有较好的吸振效果,对撞击有较大的缓冲作用,且减少撞击碎片的产生,提高了安全性。碳纤维内外饰材料的使用,除了汽车轻量化,还简化零件制造工艺,降低零件加工、装配、维修费用,降低生产成本。

碳纤维复合材料在汽车内饰、门窗的应用实例

 

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资料来源:赛瑞研究

 

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图片来源:Toray官网

(5) 碳纤维复合材料碳纤维在汽车进气系统、发动机领域的应用

碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻重量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料易加工成各种曲面形状,且表面较为光滑,可有效提高进气效率。而碳纤维良好的高温性能使其在发动机领域得以应用。

碳纤维复合材料在汽车进气系统、发动机领域的应用实例

 

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资料来源:赛瑞研究

 

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图片来源:Toray官网

碳纤维用于汽车轻量化的专利分析

碳纤维复合材料在汽车领域的应用越来越广泛,相应的专利申请量也随之增长。

 

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汽车用碳纤维复合材料专利申请地区分布

资料来源:专利分析可视化

从图中可以看出,日本专利数目为4176项,占比高达40%以上。欧洲和美国紧随其后,中国以1133项位居第四,但是与日欧美之间仍然还存在一定差距。

 

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全球专利申请技术构成分布图

资料来源:专利分析可视化

从图中可以看出,汽车用碳纤维复合材料专利申请主要集中在结构设计和在汽车部件方面。

 

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汽车用碳纤维复合材料领域在结构设计领域专利分布

资料来源:《国家知识产权局全球车用碳纤维复合材料专利分析报告》

 

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汽车用碳纤维复合材料领域在成型工艺领域专利分布

资料来源:《国家知识产权局全球车用碳纤维复合材料专利分析报告》

 

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汽车用碳纤维复合材料领域在汽车部件领域专利分布

资料来源:《国家知识产权局全球车用碳纤维复合材料专利分析报告》

从图中可以看出,东丽、丰田、宝马、日产、戴勒姆在三个领域的专利数目均处于前列,属于产业链的原料、复合材料供应商,汽车部件以及整车厂商。

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