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​汽车轻量化发展趋势分析-先进复合材料应用占比将持续增加

来源:中欧 SENIA

2023-07-06

        1)复合材料用于汽车的优点制件的比强度、比疲劳强度和比刚度高。减轻汽车质量,提高经济性。复合材料一般能减轻质量35% ,从而有助于节约能源;


        加工速度快,能在生产中节省成本。在初级阶段,由于原材料成本和制造成本均很高,加之生产效率低、质量稳定性差等缺点,汽车复合材料并不被汽车工业所看好,因此一般只被用于小批量的、质量要求不高的非结构件产品。随着复合材料技术的不断进步以及生产自动化程度的不断提高,复合材料零部件的产量呈增长之势。零部件一体化。结构整体性好,可用模具。一次成型法来制造各种构件,从而减少了零部件的数量及接头等紧固件,可节省原材料、工时和模具费用,降低制造成本,缩短开发周期。

        可设计性强。复合材料是一种“可设计”的材料,即通过改变纤维或基体,可以在极大范围内设计材料的性能。但是,以往用复合材料制造汽车零部件的过程却经常使好的设计无法实现,或不能以合理的成本制造出来。例如,纤维在树脂基体中得不到准确排列或均匀分散,以及材料的局部力学性能和化学环境不能有效控制,造成制品的材料特性呈分散性大的缺点等,这些都是汽车工业所不能容忍的。近年来,随着一些相关的设计和开发软件技术的进步,汽车复合材料的设计和制造变得更具科学性。通过汽车复合材料产品设计软件、仿真模拟软件和有限元分析软件等,对提高汽车复合材料产品的质量、缩短成型周期以及降低生产成本等发挥了重要作用。

        目前,PAM-RTM成型工艺计算机模拟分析软件己得到了广泛应用,它能够对RTM生产过程中树脂的流峰、温度、压力场以及固化过程进行模拟预测,从而帮助获得合理的注射方案并缩短生产周期。轻量化材料作为新能源汽车材料中的关键材料,能够有效提升汽车的整体性能,实现新能源汽车的技术突破。在新能源汽车的研发上,能量消耗是目前面临的主要技术问题,通过车体重量降低、储能容量扩大等方式可以有效降低能耗,但是目前新能源车主要使用电池材料,该材料的能量储存性较低、储存时间短,技术上的难题在短时间无法突破。

        为此,轻量化材料的诞生,使得新能源车可以通过降低自身重量来实现性能的提升。这一材料的应用不仅能够节能减排,而且对于汽车的稳定安全性也十分有利,同时目前可以利用的轻量材料类型较多。所以,从新能源汽车发展趋势来看,轻量化复合材料是重点研究对象。

        2)先进复合材料是新能源汽车轻量化的必然选择先进复合材料与钢车身经济规模选择;先进复合材料投资成本、制造成本和维护成本最低;先进复合材料性能最佳,减重效果最好;先进复合材料可设计性、可制造性和工艺多样化是金属材料所无法比拟的。

        3)新能源汽车先进复合材料轻量化前景光辉灿烂由于高燃油效率和低碳排放量的规定,全球汽车行业对先进复合材料取代金属的需求正在日益增长;碳纤维和先进复合材料成本大幅下降已指日可待;先进的大批量汽车先进复合材料零部件生产工艺技术和生产线装备陆续开发成功并投入生产;“双积分”政策和“双停”时间表的制定将推动我国新能源汽车的大发展,汽车先进复合材料轻量化前景光辉灿烂。

        汽车行业复合材料发展到第三阶段我国汽车行业复合材料应用主要经历三个阶段,第一阶段为在简单的非结构件上应用复合材料,第二阶段为在复杂的结构件上应用复合材料,满足其强度高、集多种功能于一体的特点,第三阶段为在汽车各零件中大面积使用复合材料,方便整车回收。

        汽车产量的回升带动了复合材料需求的增加2016-2021年,我国汽车产量呈波动走势,自2018年后,我国汽车产量快速下滑。一个是受到国内产业结构整改和新能源汽车补贴下滑的影响,另一个受到全球整体汽车行业萎靡的影响。2020年汽车产量下滑至2522.5万辆,较2019年同期下滑1.93%。2021年,我国汽车产量达到2608.2万辆,产量有所回升,也带动了汽车用复合材料需求的增加。


        复合材料在汽车行业的应用较为广泛复合材料在汽车整车中的应用较为广泛,应用于底盘、车身、保险杠、汽车内外饰等。


        节能减排和经济趋势推动复合材料在汽车行业的应用目前,环境问题和经济趋势推动复合材料在汽车行业的应用,在双碳政策的指引下,复合材料的使用可以通过减少车辆的重量来减少CO排放;同时,减少车辆的重要可以一定程度的节约油耗。

           汽车行业复合材料未来发展趋势 轻量化材料的应用占比将持续增加

        汽车轻量化是我国汽车行业的主要发展趋势,政策推动汽车轻量化发展,《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中提到,要求加强新材料技术的布局,大力支持碳化硅功率器件、轻量化材料、低成本稀土永磁材料等研发,来支持新能源汽车的发展;同时,性能推动汽车轻量化发展,轻量化有利于降低汽车整备质量,减少燃油消耗;轻量化能够一定程度上增加新能源车续驶里程,因此新能源车对轻量化要求更高。根据Lucintel披露的数据,预计到2025年,汽车的轻量化材料的应用占比将超过47%。

复合材料在汽车上的应用案例

BMW i3

NIO ES6

        碳纤维材料在新能源汽车领域中的应用展望

        目前中国正在大力推进新能源汽车的发展,但是限于充电设施不完善、电池续航里程短、电动车售价偏高等问题,制约着新能源汽车的推广及普及。未来更好的推广新能源汽车,除了要加快充电桩等配套基础设施的建设之外,有效降低新能源汽车整车成本、提高整车续航能力,已成为当下新能源车生产企业急需解决的问题。

         而实现新能源汽车的轻量化,最佳的方式就是合理使用碳纤维材料。实验表明,采用碳纤维材料替代现有的钢制车身,可以有效降低60%以上的重量,续驶里程相应的提高20%以上。中国正在大力推进新能源汽车的发展,所以碳纤维材料在新能源汽车领域中的应用前景非常广阔。

        其实碳纤维材料除了在新能源汽车领域前景广阔之外,在传统汽车方面更有着宽泛的应用。碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。

        当前阻碍碳纤维材料在新能源汽车领域中得到大范围普及运用的关键点在于材料成本、加工工艺以及材料回收再利用等方面,相关情况的存在不仅影响到使用碳纤维材料的新能源汽车的市场价格,也会对新能源汽车的高速连续性生产造成一定影响。

        不过结合节能环保角度来看,碳纤维材料作为汽车轻量化发展的重要组成内容,在我国新能源汽车发展过程中,碳纤维材料也将会得到进一步应用和普及,所以必须要对相关技术及问题进行针对性研发及突破。据科学研究预测,在2022年,碳纤维材料在新能源汽车领域中的需求量将会进一步增加,预计超过2150t,此后碳纤维材料的应用范围也会进一步拓展,预计在2030年,碳纤维材料的使用量将会占据汽车总自重的5% 以上,可以为碳达峰以及碳中和提供重要支持。

        碳达峰作为碳中和的前置条件,只有达成碳达峰的目标,才能够在后续发展过程中实现碳中和。我国碳达峰时间越早,那么碳中和目标的达成时间越早、难度越低,反之则时间越长、难度越大。总体来说,碳达峰与碳中和之间不仅是前后关系,更是手段和目的之间的关系,所以必须要对碳达峰时间进行有效控制,而汽车轻量化发展作为节能减排的重要手段,必须要推动相关技术的快速发展。

        总而言之,无论从性能还是环保角度出发,汽车轻量化都已成为一种必然趋势,而采用碳纤维材料是汽车轻量化的必由之路。





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