中航工业复材李宏运:复合材料引领汽车轻量化

邱锴俊

电动化、智能化、轻量化——汽车三大趋势中,前二者是热点话题,轻量化相对冷清,产业进展也不为外界熟知,因此,第一电动网“公开课”栏目,邀请到了中国轻量化领域的领先企业——中航复合材料有限责任公司(下称中航工业复材)副总经理李宏运授课,介绍复合材料的特性及应用前景,以及在汽车特别是新能源汽车上的应用与挑战。(本期公开课时间:9月19日下午2时-5时,地点北京,报名通道即将开启。提前报名,请发送姓名、电话、单位、职务至qkj@d1ev.com)

在公开课开讲之前,第一电动网前往位于顺义航空产业园的中航工业复材,对李宏运副总经理进行了专访。李宏运认为,复合材料是推广新能源汽车应用的一把金钥匙。复合材料的技术和工艺已经足以规模化应用,并且轻量化能弥补动力电池能量密度的不足,续航里程得以延长,因此复合材料与新能源汽车的结合是大有裨益的。

李宏运

中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运

复合材料破解里程难题

在中航工业复材官网的产品列表中,最大个的一个是电动大巴整体车身。

这是中航工业复材目前在汽车轻量化上集大成的一个样板——电动大巴车身。采用复合材料之后,大巴纯车身减重2.4吨,如果再与有轻量化的电机、电控、电池的整车厂家合作,整车能减重5吨多,达到8.5吨左右。只装载3吨左右的电池,一次充电的行驶里程就可以到500公里。

当前电动大巴里程不足,解决之道往往是加电池,这就造成了死循环:里程不够——加装电池——车重增加——续航变短。李宏运认为,复合材料的应用能够平衡各种约束,是打破上述循环的利器。

“以12米电动大巴为例,整备质量13.87吨,动力电池质量3.2吨,纯电续航里程300公里。”李宏运说,“如果要做500公里的车,要再装上五六吨的电池,一是车变重了,电耗更大;二是车内空间全占了。但我现在的车身,减了2吨电池,续航里程也是500公里,空间也出来了——低地板或者是很大的行李舱,都没问题。”

那么成本会不会急剧上升?李宏运说,车身造价肯定会增加,复合材料车身可能会比铝合金车身要翻一倍,但是整车的成本并不一定增长很多。因为电池成本大幅下降,“电池一吨起码要20万吧。”

李宏运透露,应用这一车身的一款电动大巴目前在中国汽车研究中心测试,也会争取上工信部公告。

复合材料电动大巴车身

复合材料电动大巴车身

与航空复合材料技术同源

用复合材料替代钢材、合金钢,从而降低车辆的质量,提高效率节约能源,但前提是:复合材料能够替代钢材吗?

李宏运介绍说,碳纤维和树脂复合到一起的时候,树脂是基体,碳纤维是增强体,强度、轻量化表现都好很多。“我们T300级的碳纤维复合材料,是标准级的,不是最高档的,拉伸强度为3500 MPA,是钢的7-9倍。”

与此同时,碳纤维材料的密度是1.7g/cm3,做成复合材料以后的密度为1.5 g/cm3左右。而钢的密度一般要到7.8 g/cm3。“对汽车的减重效果非常明显,和一般钢件相比,减重超过50%以上。和铝合金相比,减重也要达到30%以上。”

李宏运介绍,复合材料在汽车上的应用是一个渐进的过程。“首先是在覆盖件上,四门两盖(四个车门,引擎盖和后备箱盖),是非承力结构。第二步要往次承力结构,像现在的宝马i3的车身结构。再往下发展就要用到主承力结构,包括传动轴、底盘,还有轮毂等。”

李宏运透露,该公司已经向某些国内知名车企交付了碳纤维前舱盖,也在和一汽、北汽等设计开发覆盖件,除了发动机盖、后备箱盖,还有装饰板、尾翼、前围、后围等。

中航工业复材的汽车用复合材料,并非无缘之木。此前,该公司在航空复合材料的研究应用上,已经多年。中航工业复材是中国航空工业集团公司所属企业,整合中航工业北京航空材料研究院(621所)和北京航空制造工程研究所(625所)复合材料专业后组建。该公司制造的航空复合材料,已经大规模应用于中国的航空领域。李宏运此前长期担任621所的技术带头人,是碳纤维材料航空应用研究的学术带头人之一。

复合材料汽车应用需“一条龙”

2013年7月,宝马正式发布首款量产电动车i3,除了电力驱动,大量运用的碳纤维材料也让世人一惊。其乘员座舱模块由全碳纤维复合材料制造,舱内也大量运用碳纤维复合材料,使得这款电动车的整备质量仅为1195公斤,续航里程可达160公里,百公里加速仅需7.2秒。

那么中国的车企能否也采用类似的材料和工艺来造车?李宏运表示,要如此大规模的使用碳纤维增强复合材料,涉及产业链上的各家企业。“必须是整车的制造商牵引,从设计开始,统筹考虑这个事情,后面像零部件制造领域的、材料领域的企业都得配合起来。”

“从设计技术、材料技术、制造和工艺装备以及考核验证上,中国的复合材料应用都存在很多的差距。传统汽车设计能力基本是以金属材料为基础的,对复合材料怎么去设计怎么应用,没有太多的概念。而复合材料的构件制造厂商,目前都不是批量化的水平,很多都是手工作坊式的在做。”

更大的问题是产业链关系。“复合材料制造和设计结合不起来。整个产业链上的衔接非常松散,各做各的。碳纤维想从材料一直做到车。做复合材料的企业也想恨不得全吃了。做汽车行业也想什么都做,但是产业链中间的结合,没有人做。”

中航工业复材目前具备零部件的设计能力,也有材料的研发和制造工艺。如果与汽车整车厂结合起来,能把这条产业链串起来。“如果说是一条龙的话,整车厂是龙头,复材公司要起到龙身的作用,下游的碳纤维厂家作为龙尾支撑,这样一条龙才舞得起来。”

中航工业复材目前已准备好了一个商业模式。李宏运介绍,“整车厂只需要将总体要求告诉我们,我们做设计,推荐材料,研发工艺,包括技术文件开发——这都是解决方案了。小批生产时,就在中航工业复材组建示范线,供几万件级的零部件。将来真的需要量产,比如说十万辆的车,就在示范线的基础上做成一套大的生产线。车企可以选择入股,或者购买外迁。”

目前中航工业复材已经在设计建设这样的生产线。该公司在复合材料中间材料上,已经有了产能准备,预浸料可年产300万平米,树脂可年产600吨。预浸料是树脂和纤维复合结合而成,是碳纤维部件的中间材料。

李宏运观察,中国车企对碳纤维复合材料技术和产业链的供应能力及成本比较担忧。对此,中航复材要扮演复合材料的高端技术研发领头人,推动复合材料应用,同时创新经营管理模式,实现产业跨越发展。“复合材料应用,不推是不进的。所以我们一定帮着应用行业解决技术问题,解决产业链上下游的衔接问题,解决产能问题,这是我们这个公司的一个战略。”

9月19日,中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运,将做客第一电动网“公开课”(http://www.d1ev.com/open/)栏目,讲授“碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用”。他将介绍复合材料的特性、应用前景,机遇和挑战各在何处,应用的实际案例和模式。

“公开课”将以线下沙龙的模式举行,还将录制影像资料,剪辑后发布在第一电动网官方网站和官方微信等平台,敬请关注。

附:李宏运简历

李宏运是中航复合材料有限责任公司副总经理,曾任航空621所副总工程师(非金属材料)等职务。2001年至2002年在国际知名的美国Delaware大学复合材料中心任高级访问学者。长期从事先进复合材料以及材料加工与制备研究工作,曾参加和负责过国家自然科学基金重大项目、国家973项目和863计划、预研、型号任务等的研究。

本期公开课信息:

主题:复合材料在新能源汽车轻量化上的应用与挑战

讲师:中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运

时间:9月19日下午14:00--17:00

形式:线下沙龙,地点北京,具体待定

规模:限50人

费用:免费

报名通道即将开启。提前报名,请发送姓名、电话、单位、职务至qkj@d1ev.com

作者:邱锴俊

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