全产业链协作应对汽车轻量化变革
■ 宋廷瑞
在汽车轻量化变革的大潮中，碳纤维复合材料正扮演着越来越重要的角色。全球知名汽车和碳纤维生产商加强上下游合作，以提升自身竞争力，占领技术制高点，掌握市场话语权。对于国内生产商而言，在汽车轻量化对于碳纤维需求的强大驱动下，改变设计理念、降低碳纤维材料生产成本、注重全产业链协作是当务之急。
标准趋严，轻量化提速
近年来，国际上关于汽车燃油经济性以及排放标准不断趋严。在美国，国家公路交通安全管理部门（简称NHTSA）和环境保护部（简称EPA）正在对“公司平均燃油经济（简称CAFE）标准”进行修订，修订后的标准将在2017-2025年间执行。CAFE标准是美国政府针对所有被售卖到美国的轿车和卡车而设立的汽车燃油效率标准。这一被提议的“2017-2025标准”，要求汽车的燃油效率要有大幅度的提升。
在欧盟国家，负责制定和颁布大多数欧盟工业管理法规的欧洲委员会目前正专注于解决“直接降低轿车和卡车排放”的问题。目前对乘用车的CO2排放限制是130克/千米，但到2020年，这一数字将降低到95克/千米。而该委员会正在为2020年之后制定的法规，则对此作出了更多的承诺。
为汽车减重，无疑是节油减排最为直接的方法之一，也深受汽车生产商的追捧。
主机厂纷纷联姻碳纤维公司
碳纤维复材，在汽车轻量化大潮中扮演着重要的角色。虽然曾有公司预测，碳纤维复材零部件的制造成本将和铝合金零件相当，但碳纤维产业和金属不同，来源较为单一，对于汽车主机厂而言，如何获得可靠的碳纤维来源这一点至关重要。随着碳纤维产业的不断发展与扩大，注重与下游企业合作，不断开发新的市场，以下游应用带动上游的发展，是碳纤维企业选择的发展之道。因此，知名汽车生产商开始与碳纤维制造商联姻。
2009年，汽车制造商宝马集团和碳纤维制造商西格里集团采取了跨产业链的整合方案，组建了西格里汽车碳纤维公司。该公司在美国华盛顿州摩西湖启用了一个产能为3000吨的碳纤维工厂，这一产能将服务于宝马。这些纤维将被大量用于一些大型部件，包括乘员舱以及其他的底盘结构件，这是碳纤维复合材料首次在量产化的乘用车上被用于底盘结构件。
大众汽车在2012年2月份收购了西格里（SGL）汽车碳纤维公司的8.18%股权，宝马目前持有西格里18.4%股权，2012年曾两度收购其股权。另外宝马继承人苏珊娜（Susanne Klatten）已经拥有SGL多达29%的股权，成为最大的单一股东。
另外，福特汽车公司和陶氏化学汽车部门于2012年4月组建了团队，共同开发具有成本效益的碳纤维复合材料结构，以帮助福特汽车公司实现“到2020年，将新开发汽车的重量减轻340千克”的目标。
通用汽车公司与碳纤维生产商帝人公司于2011年底对外公布达成战略合作伙伴关系，两家公司在美国底特律附近建立了一个技术中心，以充当这项工艺的研发平台。随后，帝人公司公布已成功掌握以世界最快速，即在60 S之内成型的量产技术。
东丽买入Plasan Carbon Composites公司股份，确保了东丽通往美国汽车制造商的分销渠道，进一步提高其在美国汽车市场的参与度。东邦与美国通用自2011年起就展开了稳定的合作关系，在欧洲和美国建立了公司和销售中心，瞄准汽车市场投入大量资金，并出资建立了复合材料应用中心。
挑战真正的“60s工艺”
满足轿车或卡车高产量生产要求的生产节拍，通常被公认为是“每分钟一个部件”，这是汽车OEMs在金属冲压生产中保持了几十年的生产循环周期。理想状态下，汽车制造商更欢迎一种真正的“60s工艺”，而这是复合材料行业目前还不能够承诺的，特别是热固性复合材料，因为此类材料不可避免地要花费足够的时间来交联固化，碳纤维复材零部件的产能还需要进一步提升。
宝马公司主导的i项目大量使用高压树脂传递模塑成型技术(HPRTM)工艺（详见图1），现阶段能够满足年产5万辆车的产能。实际上，2015年宝马i品牌车型的全球总销量为29513台，其中i3最畅销，其销量为24057台，销量占到了全部销量的八成；i8的销量为5456台。
现在，随着欧盟公布一系列针对汽车环保和可回收的法规要求，如国际报废车辆指令（ELV）、RoHS指令和REACH法规，其他国家也相继颁布类似法规。今后汽车公司的材料标准有望更加完善，从过去过分追求材料高强度、高韧性，逐渐转变为考察材料的综合性能。一些新的检验手段不断出现，如气味试验、冷凝试验、甲醛及总可挥发物含量等，实施这些措施的结果是汽车内饰材料更加环保，当然也对生产制品的各个环节进行控制及原材料选用均提出了更高要求。热塑性复合材料较热固性复合材料相比，可以回收再利用与相对简单的成型工艺，越来越被市场接受和需求。
碳纤维+汽车的关键所在
目前，意大利的CANNON ，德国的迪芬巴赫与克劳斯玛菲、舒勒，法国的PEI 等都可以提供碳纤维零部件HP-RTM工艺完整的生产线，但我国基本上只能依靠进口，国内设备制造厂商还有较长的路要走。
碳纤维复材在汽车行业应用的最大障碍不是来自与材料或加工工艺相关的因素，而是来自设计方面。Dodworth Design公司首席工程师Antony Dodworth曾指出：“大多数的汽车材料应用是受刚性要求的驱使，因此可能就是剖面尺寸的问题，以及尽可能多地将剖面尺寸整合到每个部件当中。而新的材料和工艺开启了新的设计可能性，由此而带来的挑战就是，要求制成的结构可以实现自动化生产，同时材料的特性能满足自身需求。”
所以，碳纤维在汽车产业的应用，观念的转变很关键。在整车企业开发一款新车时，工程设计公司需要召集原材料及设备供应商共同进行结构设计优化、材料选型，并进行反复测试和修正。从业者需要树立逆向观念，即从零部件的性能来决定组织结构，进而确定材料型号。
此外，成本偏高也影响碳纤维复材在汽车上的应用。现在碳纤维在汽车行业量产车上面应用最理想的是大丝束，例如48K或者50K。目前国内暂无企业可以稳定供货。
东丽认为，近年来，由于风力发电市场迅速增长，而且未来大丝束碳纤维在汽车领域的应用也将越来越多，预计到2016年年初大丝束碳纤维将面临供应短缺局面。为了迎合市场对大丝束碳纤维需求的快速增长，卓尔泰克计划到2020年将大丝束碳纤维产能从目前的1.3万吨倍增至2.6万吨，卓尔泰克还将分期继续扩大其墨西哥工厂的生产能力。
国内碳纤维企业必须要抓住汽车轻量化和新能源汽车这一波汽车产业变革，利用其庞大需求的牵引力，争取以稳定的订单保证稳定的开车时间，积累技术基础，进而改进生产工艺或者设备，进一步降低生产成本，提高产品性能。
随着欧洲汽车轻量化进程推进，以奥迪、宝马、奔驰、凯迪拉克等高端汽车轻量化的车型陆续上市，国内合资品牌车厂将承受巨大压力。例如国内很少主机厂掌握了铝合金的压延成型，更不用说碳纤维的成型技术。所以，现在需要全产业链协作来应对这次汽车变革，否则5年后，我国将会又一次失去汽车产业。