汽車(chē)輕量化之路：復(fù)合材料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

張蔭楠

摘要：近年來(lái)，世界各國(guó)燃油經(jīng)濟(jì)和排放量等不斷嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車(chē)制造業(yè)提出更高要求，汽車(chē)輕量化勢(shì)在必行。復(fù)合材料是最為重要的輕量化材料之一，在汽車(chē)工業(yè)中具有令人期待的發(fā)展前景。本文主要探討了在需求強(qiáng)勁的汽車(chē)輕量化市場(chǎng)推動(dòng)下復(fù)合材料面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上從多材料結(jié)構(gòu)的“智慧輕量化”、低成本復(fù)合材料制造技術(shù)、綠色纖維復(fù)合材料和復(fù)合材料的回收利用等方面討論了汽車(chē)用復(fù)合材料的發(fā)展方向和面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)輕量化；CFRP；多材料結(jié)構(gòu)；低成本；綠色復(fù)合材料；回收再利用

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Lightweight of Automobile： Opportunities and Challenges of Composites

Abstract： In recent years， the Corporate Average Fuel Economy （CAFE） standards and EmissionCompliance have put forward higher requirements on the automobile industry，and lightweighting has become imperative forvehicle design. Composites， which are one of the most important lightweight materials， have exciting developing prospects in automobile industry. This paper mainly discussed the opportunities and challenges of composites in automotive lightweighting under astrong demand. On this basis， the “intelligent lightweighting” based on multi-material structure， low-cost composite manufacturing technology， green fiber reinforced composites and reusable/recyclable technology were investigated to discuss the developing directions of composites and problems confronting automobile industry.

Key words： lightweight of automobile； CFRP； multi-material structure； low-cost； green composites； reusable/recyclable technology

2020 — 2025年，燃油經(jīng)濟(jì)和排放標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)對(duì)全球汽車(chē)制造業(yè)提出更高的要求。美國(guó)國(guó)家高速公路管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）已經(jīng)在著手對(duì)乘用車(chē)及輕型載貨汽車(chē)公司平均燃料經(jīng)濟(jì)性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改革，2015年CAFE標(biāo)準(zhǔn)要求汽車(chē)制造商燃效值達(dá)到35.5英里/加侖，這一指標(biāo)到2025年將逐步飆升至54.5英里/加侖，幾乎是當(dāng)前的 2 倍。歐盟的汽車(chē)二氧化碳排放量限制標(biāo)準(zhǔn)則要求乘用車(chē)二氧化碳排放量從目前的130 g/km減少到2020年的95 g/km。

面臨燃油經(jīng)濟(jì)和排放量的兩拳重?fù)?，汽?chē)行業(yè)輕量化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行。研究顯示，汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6% ～ 8%；而汽車(chē)整車(chē)重量每減少100 kg，百公里油耗量可降低0.3 ～ 0.6 L。目前輕量化技術(shù)主要有兩個(gè)方向，一是汽車(chē)結(jié)構(gòu)和材料加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，二是使用能夠滿(mǎn)足要求的更輕質(zhì)的替代材料。其中，輕量化的替代性材料是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的前景最為可觀的輕量化技術(shù)，復(fù)合材料作為其中的主要替代材料之一，將面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

汽車(chē)市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，復(fù)合材料面臨原料、產(chǎn)業(yè)鏈整合等方面的壓力

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是汽車(chē)工業(yè)輕量化道路上的主要材料之一。據(jù)歐洲知名咨詢(xún)公司SAM Research預(yù)測(cè)，全球碳纖維需求量到2020年將超過(guò)16萬(wàn)t，其中汽車(chē)輕量化領(lǐng)域?qū)⒊蔀樵鲩L(zhǎng)最快和需求最大的領(lǐng)域之一。日本金沢工業(yè)大學(xué)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年全球汽車(chē)市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)，2025年全球汽車(chē)產(chǎn)量將達(dá)到1.5億輛，這將是復(fù)合材料邁進(jìn)汽車(chē)輕量化市場(chǎng)的大好機(jī)會(huì)。

以寶馬為例，僅7系列每年碳纖維零部件的需求量就高達(dá)約100萬(wàn)個(gè)。目前寶馬已經(jīng)擁有年產(chǎn)約7.5萬(wàn)個(gè)碳纖維零部件的生產(chǎn)線，但還遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足其自身需求。如果全球銷(xiāo)售的9 000萬(wàn)輛汽車(chē)（2015年全球汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)測(cè)值）中有10%采用碳纖維零部件，則每年其需求量將高達(dá)1.35億件。以碳纖維使用量計(jì)，如果每輛車(chē)使用20 kg碳纖維，則車(chē)用碳纖維的年需求量將高達(dá)18萬(wàn)t。而目前全球碳纖維所有應(yīng)用領(lǐng)域的用量約為 8 萬(wàn)t/a。如此算來(lái)，以目前 3 倍的碳纖維生產(chǎn)能力才能滿(mǎn)足全球汽車(chē)市場(chǎng)需求，這對(duì)于碳纖維材料的生產(chǎn)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

除了碳纖維的供需壓力，車(chē)用復(fù)合材料還面臨整合產(chǎn)業(yè)鏈的壓力。復(fù)合材料汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，而整個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)則涉及原料、中間產(chǎn)業(yè)、零件生產(chǎn)商及整車(chē)制造多個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)調(diào)難度較大，而金屬零部件則相對(duì)簡(jiǎn)單的多。解決這一矛盾的方法：一是把將生產(chǎn)技術(shù)內(nèi)部化，二是與原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商建立緊密合作。

目前，不少車(chē)企不僅與汽車(chē)零部件供應(yīng)商合作，還與碳纖維材料制造商建立合作關(guān)系以為其開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的新型碳纖維產(chǎn)品。如日產(chǎn)汽車(chē)、本田汽車(chē)與東麗公司聯(lián)手開(kāi)發(fā)汽車(chē)車(chē)體用新型碳纖維材料，贏創(chuàng)同江森自控、雅各布塑料、東邦特納克斯公司共同研發(fā)碳纖維增強(qiáng)塑料輕質(zhì)材料，東麗與戴姆勒達(dá)成共同研發(fā)協(xié)議為梅賽德斯-奔馳研發(fā)碳纖維復(fù)合材料部件等。

其中，寶馬汽車(chē)早在2009年就與德國(guó)的西格里碳素公司（SGL）合作，成立了專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)碳纖維汽車(chē)配件的合資公司，并在2014年宣布擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，追加投資 2 億美元將碳纖維產(chǎn)量提升 3 倍。2015年初，該項(xiàng)目在摩西湖工廠完成擴(kuò)建，碳纖維的年產(chǎn)能由原來(lái)的 2 條生產(chǎn)線3 000 t，提升到 6 條生產(chǎn)線9 000 t，摩西湖工廠也因此成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)基地。

從碳纖維原絲到汽車(chē)零部件，寶馬已經(jīng)通過(guò)外部合作構(gòu)筑了車(chē)用復(fù)合材料零部件的完整產(chǎn)業(yè)鏈：SGL和日本三菱在大竹的合資公司負(fù)責(zé)為其生產(chǎn)聚丙烯腈（PAN）原絲；位于美國(guó)華盛頓州摩西湖的SGL汽車(chē)碳纖維公司將PAN原絲轉(zhuǎn)化為碳纖維；位于德國(guó)瓦克斯多夫的第二個(gè)合資工廠將碳纖維加工成不同類(lèi)型的編織材料；這些碳纖維織物被運(yùn)往蘭茨胡特和萊比錫的寶馬工廠，用于生產(chǎn)汽車(chē)零部件。除寶馬之外，SGL公司稱(chēng)其正在與其他多個(gè)世界著名車(chē)企討論碳纖維的供應(yīng)，包括奧迪、蘭博基尼、通用汽車(chē)、特斯拉等。

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)量持續(xù)增長(zhǎng)，2015年增速達(dá)到4.7%，新能源汽車(chē)領(lǐng)域表現(xiàn)搶眼，2015年產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)美國(guó)而一躍成為全球最大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)。雖然如此，受到碳纖維生產(chǎn)能力、價(jià)格及高檔汽車(chē)自主研發(fā)能力限制，我國(guó)CFRP在汽車(chē)輕量化方面的應(yīng)用非常有限。2015年由奧新新能源汽車(chē)公司研制的我國(guó)首輛碳纖維新能源汽車(chē)的成功下線，使得我國(guó)正式步入了CFRP汽車(chē)市場(chǎng)。另外，康得新、海源機(jī)械、博云新材等幾家公司也宣布開(kāi)展汽車(chē)輕量化復(fù)合材料的研制。其中，康得新在河北廊坊建設(shè)的年產(chǎn)5 100 t高性能碳纖維的生產(chǎn)基地目前已完成百?lài)嵵性嚕A(yù)計(jì)將于今年年中投產(chǎn)，為我國(guó)汽車(chē)用T700碳纖維的生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

多材料結(jié)構(gòu)的“智慧輕量化”成為主要趨勢(shì)

CFRP具有高比模、高比強(qiáng)、耐疲勞、耐腐蝕、整體成型以及性能可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)良特性，是汽車(chē)輕量化高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的首選，但是由于其價(jià)格居高不下，也促使傳統(tǒng)鋁、鋼生產(chǎn)商重新研究和開(kāi)發(fā)更輕的合金。根據(jù)汽車(chē)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)Duckers的調(diào)研，北美、歐盟、日本單車(chē)用鋁量分別高出中國(guó)47%、24%、15%，且仍在持續(xù)增長(zhǎng)。早在1994年，奧迪就開(kāi)始研制輕量化的鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，奧迪A8L和奧迪A2鋁制車(chē)身都采用了其新一代全鋁車(chē)身框架（ASF）。2015年福特推出的F-150皮卡也采用新型鋁合金，福特聲稱(chēng)通過(guò)在主體和部分結(jié)構(gòu)使用鋁合金，汽車(chē)重量減輕超過(guò)318 kg。通用汽車(chē)緊隨福特之后，也與輕型鋁合金供應(yīng)商簽訂訂單，預(yù)計(jì)到2018年將其皮卡生產(chǎn)線由鋼材轉(zhuǎn)換到鋁材。

另外，隨著近年來(lái)工程塑料硬度、強(qiáng)度、拉伸性能等性能的不斷提升，安全性得到進(jìn)一步保證，工程塑料也成為汽車(chē)輕量化關(guān)注的重點(diǎn)材料之一。據(jù)報(bào)道，截至2020年，全球汽車(chē)塑料市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)期可達(dá)13%。目前已有不少轎車(chē)的塑料用量超過(guò)120 kg，德國(guó)奔馳高級(jí)轎車(chē)的塑料用量甚至高達(dá)150 kg，國(guó)內(nèi)一些轎車(chē)的塑料用量也已經(jīng)達(dá)到90 kg。其中，聚酰胺（PA）材料主要應(yīng)用于動(dòng)力、底盤(pán)零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車(chē)塑料用量的20%；聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和熱塑性聚酯等材料主要應(yīng)用于電子電器零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車(chē)塑料用量的15%；改性聚苯醚和ABS工程塑料及其合金材料主要應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾和零部件，隨著車(chē)型檔次的提高，用量比例也在逐漸增加。

輕型合金、工程塑料等輕量化替代材料的不斷更新和優(yōu)化在一定程度上削弱了CFRP的成本/效益優(yōu)勢(shì)，使CFRP在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，但CFRP在安全性和輕量化方面仍保有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。不可否認(rèn)的是，無(wú)論是鋁合金、工程塑料還是復(fù)合材料，在未來(lái)的發(fā)展中都不可能孤軍奮戰(zhàn)。早在2012年就有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，材料的混合使用將成為全球汽車(chē)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，判斷任一材料能否成為汽車(chē)輕量化主流材料的標(biāo)準(zhǔn)成為“能否以可承受的成本進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)”。在這樣的判斷標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)多種材料搭配使用，以更低成本達(dá)到最大限度輕量化要求的“智慧輕量化”將成為汽車(chē)輕量化的主要趨勢(shì)。這也將使目前僅限于超級(jí)跑車(chē)、高端汽車(chē)應(yīng)用的CFRP有可能進(jìn)入普通汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)。

奔馳C級(jí)和奧迪A6系列均已推出采用鋼、鋁混合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。寶馬i3電動(dòng)商務(wù)車(chē)以全碳纖維的車(chē)身框架帶領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入了CFRP汽車(chē)領(lǐng)域，i8也沿用了這一結(jié)構(gòu)；近來(lái)，該公司積極推行“多材料”結(jié)構(gòu)，2016年推出的最新 7 系列車(chē)型將碳纖維材料與鋼、鋁合金有效結(jié)合制造出更輕、更堅(jiān)固的車(chē)身框架。車(chē)身中仍大量采用CFRP，包括車(chē)門(mén)檻梁和護(hù)欄、后行李架，以及車(chē)頂縱梁/前橫梁結(jié)構(gòu)、車(chē)身B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐的加固，但是車(chē)門(mén)飾板、行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等部件恢復(fù)使用鋁合金。混合材料結(jié)構(gòu)使得最新 7 系列的重量比上一代車(chē)型減輕了130 kg，甚至比全鋁車(chē)身的奧迪A8還要輕90 kg。

在“智慧輕量化”背景下采用CFRP的多材料結(jié)構(gòu)汽車(chē)不僅有寶馬，2015年奔馳SKL 200碳纖維限量版汽車(chē)，其內(nèi)飾也采用了大面積碳纖維零部件。澳大利亞福特也宣布將在近期發(fā)布的新型高性能轎車(chē)FalconXR6 Sprint車(chē)型上應(yīng)用100%CFRP的進(jìn)氣管，重量?jī)H為235 g，是塑料進(jìn)氣管重量（438 g）的將近一半。寶馬還計(jì)劃將碳纖維的應(yīng)用于更多車(chē)型，例如未來(lái)X5及 6 系等車(chē)型都有望大量使用碳纖維，以便全面減輕車(chē)身重量。

降低車(chē)用CFRP的制造成本，仍是行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)

CFRP是材料輕量化進(jìn)程中最成功的代表，但是由于碳纖維及其復(fù)合材料的高成本限制了其在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。目前，商業(yè)級(jí)的碳纖維主要為PAN基碳纖維，其高成本問(wèn)題主要集中在較高的PAN 原絲生產(chǎn)成本（占總成本的51%）和較長(zhǎng)的生產(chǎn)流程。因此，降低車(chē)用CFRP成本的主要路徑是降低碳纖維原絲成本，尋求低成本纖維生產(chǎn)工藝以及低成本的CFRP制備工藝。

目前，國(guó)外碳纖維生產(chǎn)商已經(jīng)致力于開(kāi)發(fā)低成本碳纖維制造技術(shù)，并尋求PAN以外更低成本的原料來(lái)制備碳纖維。日本三菱和東麗公司開(kāi)發(fā)的大絲束碳纖維是低成本制造技術(shù)的典型代表，美國(guó)也已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的碳纖維制備技術(shù)。在低成本原料方面，美國(guó)、日本等碳纖維主要制造國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出包括聚烯烴類(lèi)聚合物、木質(zhì)素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸等在內(nèi)的低成本代替材料。2015年瑞典研究機(jī)構(gòu)Innventia和Swerea SICOMP也聲稱(chēng)開(kāi)發(fā)出了世界首創(chuàng)技術(shù)，可以基于100%軟木木質(zhì)素前體制造出重約1.8 g的編織CFRP層壓板。并表示，這種材料可用于生產(chǎn)重量輕、燃油效率高的汽車(chē)零件，但是其制造方法與其他使用木質(zhì)素替代前體的研究相同，還處在實(shí)驗(yàn)室階段，進(jìn)入生產(chǎn)線還需時(shí)日。

除纖維成本外，車(chē)用復(fù)合材料最大的挑戰(zhàn)是汽車(chē)行業(yè)高效率的生產(chǎn)預(yù)期，其中成型樹(shù)脂是決定復(fù)合材料生產(chǎn)效率的最主要影響素之一。由于優(yōu)異的粘合強(qiáng)度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，環(huán)氧樹(shù)脂通常是汽車(chē)復(fù)合材料生產(chǎn)商的首選。通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)“瞬間固化”（能夠流動(dòng)和徹底浸潤(rùn)纖維預(yù)制件，并在5 min之內(nèi)固化）的環(huán)氧樹(shù)脂及其配套的預(yù)成型和成型設(shè)備，從而開(kāi)發(fā)高效、低成本的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)成為降低車(chē)用復(fù)合材料成本的主要手段之一。

2015年，美國(guó)Hexion（瀚森）和Dow Automotive Systems（陶氏汽車(chē)系統(tǒng)）先后推出了 2 種可60 s“瞬間固化”的環(huán)氧樹(shù)脂。其中，瀚森針對(duì)樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）和液體壓縮成型（LCM）工藝推出EPIKOTE TRAC06170環(huán)氧樹(shù)脂與EPIKURE TRAC06170固化劑，僅需20 s樹(shù)脂注入時(shí)間（RTM或LCM）和40 s固化時(shí)間就可完成復(fù)合材料成型；而陶氏推出的用于LCM工藝的VORAFORCE樹(shù)脂，可以直接將樹(shù)脂均勻地涂敷在干的纖維預(yù)制件上，并通過(guò)壓強(qiáng)使樹(shù)脂織物在厚度方向上均勻浸潤(rùn)。陶氏還宣稱(chēng)已經(jīng)與德國(guó)KraussMaffei公司和意大利Cannon SpA公司合作開(kāi)發(fā)出僅需要15 ～ 20 s涂敷樹(shù)脂及30 s固化，總制造時(shí)間小于60 s的復(fù)合材料制備工藝。但是該工藝由于很難提供復(fù)雜零件的成型模具，對(duì)于LCM成型的部件則僅適合相對(duì)平坦或輕微輪廓部件的制造，相比之下，RTM是該樹(shù)脂最好的選擇。

2015年底，Gurit UK（英國(guó)固瑞特）也推出了“瞬間固化”環(huán)氧樹(shù)脂，但不同于其他針對(duì)RTM或濕壓縮成型工藝開(kāi)發(fā)的樹(shù)脂，其樹(shù)脂配方主要用于成套預(yù)浸料和熱進(jìn)/熱出沖壓成型（hot-in/hot out press molding）工藝。雖然該工藝固化周期需要 5 min，但報(bào)道稱(chēng)其制造的部件表面可達(dá)A級(jí)，無(wú)需模具后處理。

今年3月，Huntsman Advanced Materials （亨斯邁先進(jìn)材料）公司也宣布推出了一款快速固化的環(huán)氧樹(shù)脂。在此之前，亨斯邁商業(yè)化的，固化時(shí)間為 2.5 min的環(huán)氧樹(shù)脂的解決方案已經(jīng)用于生產(chǎn)寶馬i系列高纖維含量的復(fù)合材料零部件，而此次推出的快速固化環(huán)氧樹(shù)脂不僅具有更快的固化速度，而且具有更高的玻璃化溫度（Tg），可承受高達(dá)150℃的工藝條件。據(jù)亨斯邁介紹，該樹(shù)脂在140℃下僅30 s就可固化，這使得1min內(nèi)的復(fù)合材料成型工藝成為可能。為此，亨斯邁還開(kāi)發(fā)了與該樹(shù)脂配套的動(dòng)態(tài)流體壓縮成型（Dynamic Fluid Compression Molding，DFCM），該工藝可以省去高壓注塑工藝，而且在很多情況下也可省略纖維預(yù)浸料工藝。與常規(guī)濕發(fā)壓縮成型（Wet-Compression Molding，WCM）相比，該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以減少層壓板層間縫隙，復(fù)合材料孔隙率低于1%，性能可媲美高壓的RTM工藝，且高達(dá)66%纖維體積含量（FVC）的復(fù)合材料可以在沒(méi)有特殊處理的條件下實(shí)現(xiàn)。

綠色纖維復(fù)合材料面臨發(fā)展契機(jī)

相比碳纖維，天然纖維由于綠色可持續(xù)、成本低廉、重量較小以及原材料供應(yīng)充足等優(yōu)點(diǎn)，其復(fù)合材料將在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。江森自控早在50多年前就開(kāi)始對(duì)天然纖維復(fù)合材料進(jìn)行研發(fā)，目前已經(jīng)成為歐洲最大的天然纖維車(chē)門(mén)板制造商之一。其與福特汽車(chē)和世界最大的林業(yè)產(chǎn)品公司惠好合作開(kāi)發(fā)的以植物纖維為基礎(chǔ)，可再生、能替代現(xiàn)在玻璃纖維復(fù)合材料汽車(chē)配件的復(fù)合材料已經(jīng)獲得成功。這種被稱(chēng)為纖維素增強(qiáng)聚丙烯（Cellulose Reinforced Polypropylene，CRP）的新型材料，已經(jīng)在2014款林肯MKX上應(yīng)用。惠好還表示，植物纖維與很多不同種類(lèi)的聚合物的兼容性都非常好，下一步計(jì)劃將合成物從聚丙烯擴(kuò)展到一系列的碳?xì)浠蚍翘細(xì)浠衔锏木酆衔锷稀?/p>

雖然目前天然纖維復(fù)合材料較多用于汽車(chē)內(nèi)飾，但是可以預(yù)見(jiàn)，其在汽車(chē)零部件中的用途將會(huì)不斷拓寬。發(fā)動(dòng)機(jī)罩下蓄電池保護(hù)外殼和支架、散熱風(fēng)扇外罩、車(chē)輪罩、密封條載體等都可采用天然纖維復(fù)合材料，而且在越大的組件上使用天然纖維復(fù)合材料，帶來(lái)的輕量化效果越明顯。日前，BASF（巴斯夫）就與汽車(chē)零部件制造商IAC合作開(kāi)發(fā)了據(jù)稱(chēng)是世界上第一個(gè)完全采用天然纖維制成的復(fù)合材料車(chē)頂結(jié)構(gòu)件。該復(fù)合材料采用了巴斯夫水基低排放的粘合劑來(lái)替代酚醛樹(shù)脂，具有良好的耐熱性和環(huán)境友好性。該材料將用于梅賽德斯奔馳最新的E級(jí)車(chē)系列，并于今年4月在歐洲發(fā)售。

車(chē)用復(fù)合材料回收再利用迫在眉睫

隨著近年來(lái)CFRP在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的迅速擴(kuò)大，一些CFRP汽車(chē)產(chǎn)品逐漸進(jìn)入報(bào)廢期，CFRP廢棄物的回收再利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。加之歐盟報(bào)廢車(chē)輛指令（ELV）自2015年起回收指標(biāo)再加碼，要求每年每輛報(bào)廢汽車(chē)的平均重量中至少有85%可重復(fù)使用或可再利用，并且已經(jīng)建立了金屬材料、純塑料、非晶材料的回收跟蹤記錄。如何由廢CFRP回收碳纖維，開(kāi)發(fā)大規(guī)?；厥仗祭w維的連續(xù)化、低成本和低能耗的回收生產(chǎn)線，已經(jīng)成為各大應(yīng)用CFRP的汽車(chē)廠商不得不解決的難題。

日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和對(duì)CFRP的回收利用技術(shù)早有研究。日本通產(chǎn)省2006年就基于課題“碳纖維再生技術(shù)的實(shí)證研究開(kāi)發(fā)”建立了中試廠，并將其作為日本碳纖維制造商協(xié)會(huì)（Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn.，JCMA）的活動(dòng)內(nèi)容，積極從事基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)，成功開(kāi)發(fā)出可控制回收碳纖維（RCF）長(zhǎng)度，并可除去金屬雜質(zhì)和樹(shù)脂殘?jiān)康偷脑偕祭w維技術(shù)。日本碳纖維再生工業(yè)公司也創(chuàng)立了熱解法由廢CFRP回收碳纖維的獨(dú)有技術(shù)，并成功運(yùn)用于汽車(chē)部件。德國(guó)CFK Valley e.V. 與Karl Meyer AG合作，于2007年就建立了名為CFK Valley Recycling的產(chǎn)業(yè)化RCF生產(chǎn)線，目前已經(jīng)具有1 000 t/a的回收碳纖維生產(chǎn)能力。2011年，德國(guó)金屬回收生產(chǎn)商ELG Haniel也通過(guò)收購(gòu)英國(guó)Recycled Carbon Fibre及其商業(yè)化的回收工廠，進(jìn)軍RCF市場(chǎng)。另外，美國(guó)MIT LLC公司也于2009年就建立了商業(yè)化的RFC生產(chǎn)線并成功用于汽車(chē)零部件生產(chǎn)。

雖然目前RCF的市場(chǎng)應(yīng)用還相對(duì)滯后，但是隨著研究的深入和技術(shù)水平進(jìn)步，一些可產(chǎn)業(yè)化回收技術(shù)聲稱(chēng)RCF的機(jī)械性能已經(jīng)可達(dá)到原生碳纖維水平，且長(zhǎng)纖維的再生也可能實(shí)現(xiàn)。日本日立化成公司2014年發(fā)布的一份報(bào)告指出， JCMA回收廠聯(lián)合東麗株式會(huì)社、日本帝人集團(tuán)和日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社，已擴(kuò)充了不需要預(yù)粉碎就可進(jìn)行熱解過(guò)程的RCF生產(chǎn)技術(shù)。在此之前，JCMA已經(jīng)擁有1 000 t/a的RCF生產(chǎn)能力，該新增的新工藝具有60 t/a的回收能力，甚至可以回收連續(xù)纖維以及排列不連續(xù)RCF（例如取向排列與隨機(jī)排列）。RCF可節(jié)省20% ～ 40%的成本，隨著這些新技術(shù)的發(fā)展和成熟，在不久的將來(lái)就可能開(kāi)發(fā)出能夠滿(mǎn)足航天用纖維性能的RCF產(chǎn)品。

對(duì)于寶馬i3和i8，人們更多關(guān)注的是其垂直整合供應(yīng)鏈的發(fā)展戰(zhàn)略，但在高調(diào)的宣傳背后，寶馬也開(kāi)始在i3和i8的車(chē)頂以及i3的后排座椅結(jié)構(gòu)中重新使用廢棄循環(huán)利用的材料。SGL汽車(chē)碳纖維公司已經(jīng)通過(guò)收集i系列汽車(chē)CFRP機(jī)織和針織預(yù)成型件廢料獲得RCF?；厥盏腞CF制成絎縫非織造材料后用于生產(chǎn)i3和i8車(chē)頂和后座的CFRP。可以明確的是，目前CFRP的回收再利用已經(jīng)可以解決技術(shù)問(wèn)題，面臨的主要問(wèn)題還是產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)應(yīng)用。如何將RCF與汽車(chē)制造供應(yīng)鏈無(wú)縫銜接以滿(mǎn)足汽車(chē)制造企業(yè)的需求仍然是最主要的問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)：化壓力為動(dòng)力，尋求競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用具有令人期待的發(fā)展前景，但其批量化應(yīng)用仍然面臨技術(shù)、成本、供應(yīng)鏈、回收再利用等問(wèn)題。汽車(chē)行業(yè)對(duì)成本/效益要求較高，成本較高且工藝復(fù)雜的復(fù)合材料要想在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域獲得長(zhǎng)足發(fā)展，在其輕量化的天然優(yōu)勢(shì)之下，還必須不斷在低成本、高效率、環(huán)?？苫厥盏确矫婕哟笱邪l(fā)投入，尋求競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。相比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，我國(guó)對(duì)車(chē)用復(fù)合材料的研發(fā)相對(duì)不足，開(kāi)展車(chē)用復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在我國(guó)逐步掌握碳纖維制造技術(shù)、復(fù)合材料制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，以需求強(qiáng)勁的汽車(chē)市場(chǎng)和日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力為動(dòng)力，開(kāi)展車(chē)用復(fù)合材料研究已經(jīng)勢(shì)在必行。