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复合材料在汽车制造业的回顾与展望

浏览次数: 日期:2015年3月2日 08:47

1、汽车工业的现状

    作为世界上最大的工业领域,2010年的汽车行业的工业产值达到9000亿欧元,销售车辆5500-6000万辆。

    按照车辆销售价格,分成四个不同级别:豪华车、高端车、中级车和入门级车辆。目前的销售价格,豪华车>7.5万欧元,高端车>2.5万欧元,中级车>1.5万欧元,入门车<1万欧元。

    按照区域主要分成西欧,东欧,北美,拉丁美洲,日本和其他亚洲国家等

    豪华车的品牌有劳斯莱斯、宾利、法拉利、阿斯顿-马丁、BMW7系和8系、梅赛德斯S系列、奥迪A8等。

    高端车品牌有BMW、梅赛德斯、Audi等。豪华车和高端车具有全球性市场的特点,通常在产地国生产,全球市场销售。

    中级车和入门级车辆具有很强的区域性,一般采用本土化生产,设计和品牌推广也是主要针对本土开展。

    在中国,中低端品牌有国产奇瑞、上汽等,属于区域性的品牌。Tata在印度处于领先地位,而在其他地区,市场就很有限。但是西方的中级车品牌,例如大众、GM、PSA在新兴市场占据很重要的位置,销售也在不断增加,但在低端市场,往往比不上本土竞争对手。

    近几年,全球汽车工业的发展主要源于新兴市场产量的激增,尤其是中国。中国不再简单的作为西方的世界工厂,过去取得的经济成就也带动了国内消费和服务业的 兴起。汽车消费的发展就是一个强有力的佐证。世界上,几乎所有的汽车公司都在中国开设了本土工厂,这些合资工厂并非为了降低西方消费者的成本,而是为了满 足中国消费者对汽车的需求。

    汽车工业的发展,曾经是西方战后的方格布经济恢复的象征,如今也成为中国等新兴国家经济实力的表现。预计,到了2015年,世界上每两部汽车,就有一部在亚洲制造,即使不包括日本。中国生产的汽车比北美、日本和德国加起来的产量还要多。

2. 60年来汽车复合材料发展缓慢

    复合材料在汽车领域已经有了一段很长的历史,可以追溯到1950s,主要用于汽车非结构部件,例如硬质车顶。 从70/80年代开始,越来越多的采用热塑性 复合材料生产汽车内饰以及用热固性复合材料制造次结构件,例如保险杠的梁。由于复合材料具有很多优点,如:设计灵活、容易成型、轻质、耐腐蚀等,虽然原材 料和工艺成本高于钢材和铝,在汽车领域还是获得了一些应用。喷漆以后钢汽车部件的成本大约是3-4欧元/公斤,复合材料次结构件的成本大约是8-10欧元 /公斤。

    汽车复合材料已经不再是一个小众市场。相对于复合材料的其他应用领域,汽车领域已经是其最大市场,大约占体积的20%,销售额的18%。如今,世界平均每 辆乘用车,复合材料约占总重量的6%。具体随汽车的级别、地区和部件有所不同。对于所有级别的车辆,仪表板等内饰件,75%的车辆采用了复合材料,但是对 于结构部件,仅仅在高端车型中有所应用。例如汽车的底盘,只有豪华车中的10%左右采用了复合材料。总的来说,复合材料的用量豪华车大约是15%,高端车 大约9%,中级车6%,入门级车辆4%。另外,对于新兴市场中级车和入门级车辆,复合材料的用量通常比发达国家市场同级别车型低1%。最近,复合材料的回 收越来越引起人们的关注。热固性复合材料比热塑性相比,回收的难度要大很多。所以,在现有的复合材料应用的基础上,有采用热塑性取代热固性树脂体系的趋 势。

3. 2010年-2015年的趋势

    近期,汽车整车厂对复合材料的兴趣不短切毡断增加。这主要源于不断严格的排放法规(将来CO2排放超标罚款)以及增加的燃油成本,这些都可以通过复合材料轻量化来实现。复合材料可以减轻重量,进而降低碳排放,抵消增加的材料费用和工艺成本。

    欧洲议会2013年4月24日通过一项法律草案,要求到2020年在欧盟出售的新汽车平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克减少到95克。对于那些计 划生产二氧化碳排放量超标车的欧盟厂商,草案提出了补救措施,即这些厂商必须同时生产每公里二氧化碳排放量不足50克的超清洁汽车。具体规定如 下:2013年至2015年每生产1辆这样的超清洁汽车,最多可生产3.5辆超标车;2016年至2023年可生产1.5辆超标车;2024年以后可生产 1辆超标车。

    尽管整车厂对复合材料的兴趣有所增加,但是减少碳排放和燃油消耗的方法不仅仅是车辆减重。最经济的方法是提高燃油利用率,这可能是整车厂的首选,特别是对 于中级车和入门级车辆,因为这两个级别的车辆,发动机排量常常不是购买的主要考虑因素。对于现有复合材料和金属在成本上的差距,需要一段时间,通过技术进 步来弥补。例如,对于底盘这样的结构部件,加工好的钢结构的成本大约是3-4欧元/公斤,但是碳纤维环氧复合材料结构的成本(基于现有材料和工艺技术)高 于30欧元/公斤。

    不同的整车厂家最终会获得不同的解决方案,这些方案能够达成目标的程度也会有所差异。总的来看,汽车复合材料用量的增加,主要集中在量产车车身的三个领 域:汽车底盘,车身覆盖件和次结构部件。 这三个方面可以大幅度的提高汽车复合材料的用量。底盘的重量约占总重量的25%,是最具减重效率的部件。但是,按 照预计,量产车领域的汽车复合材料用量的突破不会在2015年以前出现。在2015年前的这段时间,汽车复合材料部件的用量会有少量增加,成本会有所降 低,复合材料制造厂家和整车厂对复合材料的材料聚力复材和工艺进一步熟悉;同时,复合材料开始用于一些高端车型的旗舰项目,例如德国的BMW的i3、美国的 Telsa电动汽车以及英国的Axon插电式混合动力汽车。

    到2015年,汽车复合材料的用量会达到200万吨,增长主要来源于汽车产业的自然增长(年产量增加6%)和已经采用了复合材料的汽车部件的市场份额的增加。

4.2015-2020年的趋势

    2015年以后,随着碳排放法规(2020年生效,并逐步严格)的临近,碳纤维成本的降低以及快速固化环氧树脂的出现,加上工艺和自动化设备的不断成熟, 例如针对热固性复合材料快速制造开发的HP RTM(高压树脂转移模塑)工艺和热塑性复合材料层板热成型自动化设备的研发,到2020年,碳纤维复合材料的综合性价比会优于金属,取代金属材料,用于 量产车的底盘制造,并涵盖大多数的高端车型和少量的中级车。下面分别对HP RTM工艺和热塑性层板的解决方案做详细介绍。

5.热固性复合材料高压RTM工艺

    航空工业采用树脂传递模塑成型工艺(RTM),进行大型高强度结构件的生产,降低工艺成本。在汽车的制造过程中,也有采用RTM工艺进行零部件的生产,主要目的是为了达到更好的表面质量,但是只用于小批量生产的顶级轿车中。

汽车复合材料的发展,结合了化工、机械制造以及汽车复合材料设计,从经济结构来看, 最新突破应该源于德国。德国的工业结构结合了大多数的豪华汽车和高端 车,另外朗盛、巴斯夫等世界顶级化工企业以及精密的机械制造厂家,例如迪芬巴赫公司和克劳斯玛菲等。随着碳排放法规的不断临近,复合材料在汽车行业的突破 会在2015年以后时间,欧洲汽车行业也会是先进材料的倡导者和先行者。热塑性复合材料和热固性复合材料不存在谁替代谁的问题,因为他们的各方面的性能都 有所差异,快速成型和自动化都是共同的发展方向。最终汽车结构的优化一定是和金属类似,建立在多材料体系基础上的混合结构,例如包覆模塑工艺成型的部件。

 

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