汽車輕量化用碳纖維復合材料國內外應用現狀

劉萬雙 魏毅 余木火

摘要：在節能減排、開發清潔能源汽車的背景下，車用材料輕量化是目前全球汽車工業技術研發的主要目標之一。本文對國內外主要汽車制造商在汽車輕量化用碳纖維復合材料的應用現狀進行概述，指出了我國汽車輕量化技術發展存在的問題。

關鍵詞：汽車輕量化；碳纖維復合材料；高性能纖維

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A

Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad

Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.

Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber

目前，全球生產石油的70% ～ 80%被用作汽車燃油，減少汽車燃油用量是改善全球氣候問題的重要組成部分。世界多個國家和地區已經對汽車二氧化碳排放量進行了嚴格限制，我國也已頒布《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012 — 2020年）》，要求到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。

輕量化技術是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車續航里程最有效工程途徑之一。采用高性能纖維增強復合材料部分代替傳統金屬材料是目前汽車實現輕量化最有效的途徑。德國寶馬率先在i3、i8電動車、7系、5系等量產車中大量使用碳纖維復合材料（CFRP），輕量化效果顯著，掀起了一場汽車產業材料革新的浪潮。目前全球幾乎所有的汽車企業都制定了CFRP輕量化發展計劃。CFRP用于汽車輕量化的優勢主要在于：密度小，比強度、比模量高，輕量化效果明顯；集成度高，減少零部件數量；可設計、造型自由，實現流線型曲面的成本低；吸收沖擊性能是金屬的 5倍，提高碰撞過程人員安全性；減震性能好；顛覆汽車生產流程，采用模壓和粘結工藝代替沖壓和焊接。目前CFRP作為汽車輕量化結構材料替代金屬材料，其在性能上完全可以滿足要求，關鍵是批量生產技術和成本。基于最新的行業報告數據及實踐調研，本文將對國內外汽車輕量化用CFRP的發展現狀進行概述。

1 國外汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀

自1953年世界第 1 臺纖維增強復合材料汽車 ——GM Corvette制造成功以后，復合材料正式在汽車工業生產中登上歷史舞臺。發展至今，CFRP成為目前公認的汽車用復合材料未來發展趨勢。歐美日等發達國家汽車生產巨頭們一直是汽車輕量化用CFRP的引領者和推動者，下文將針對國外主要汽車生產商在CFRP應用技術方面的進展進行介紹。

德國寶馬公司是CFRP在汽車領域應用的先驅，其在2008年宣布把CFRP帶入汽車主流材料；2011年，法蘭克福車展首次發布i3電動概念車和i8混動概念跑車；2014年，批量化生產i3和i8系列純電動車在全球正式上市，為碳纖維產品在通用汽車領域的商業化普及應用邁出了重要的一步。i3和i8創新的車體架構由 2 部分構成：一部分是由鋁合金材料制成、驅動車輛的Drive模塊，集成了驅動系統、底盤、蓄電池、結構功能組件和防碰撞功能組件，另一部分是由CFRP制成、構成車廂主體的Life模塊（圖 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽車在丁格芬工廠正式投產，該車型所有創新都始終貫穿著車輛整體輕量化的概念，是寶馬核心產品中第一款實現將工業制造的碳纖維材料、高強度鋼材和鋁材完美組合應用到車身的車型。這種獨樹一幟的車身結構被稱為“Carbon Core高強度碳纖維內核”，不僅優化了車身重量，增強了車身的強度和抗扭剛度，還具有舒適的駕駛體檢。

寶馬公司還率先開啟了CFRP在汽車領域的全方位應用模式，包括：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、特殊動力傳動系統、座椅、座椅套墊、前擴散器、尾擾流板、后擴散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側裙、側格柵、車用箱包、導流罩、A柱、遮陽罩、散熱器面罩、側護板、低位踏板、副保險杠等外部和車身、內飾和外飾配件等系統。寶馬公司或將在未來 1 ～ 2 年內為旗下車型配備大量的碳纖維部件，特別是碳纖維輪轂，這將大幅度降低汽車的重量。寶馬公司的CFRP輪轂是與i系列汽車同時開發的，包括全碳纖維輪轂和碳纖維輪輞+合金輪輻的輪轂。全碳纖維輪轂的重量比鍛造合金輪轂輕35%，而合金+碳纖維輪轂比鍛造合金輪轂輕25%，這將顯著降低整車的重量，寶馬公司有望在 2 年內把這種輪轂推向市場。此外，全碳纖維制造的傳動軸還將作為單獨配件配備新寶馬M3和M4系汽車。寶馬還在大力宣揚他們的碳纖維材料二次利用，例如i3和i8汽車的邊角料可以用來取代傳統鋁鎂合金材料制作儀表板支撐結構、座架以及備用車輪。

在生產工藝方面，為降低CFRP零部件的生產成本以及提高生產效率，寶馬采用針對熱固性CFRP快速制造開發了高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM）工藝（圖 2）。該工藝首先將碳纖維織物進行初步的預成型，然后將碳纖維預制件放入到模具當中，在高壓狀態下將環氧樹脂注入模具當中，通過精準的溫度、壓力和時間控制，使碳纖維和環氧樹脂結合，并進行固化，最終形成具備優秀剛性的碳纖維板材。這個加工過程可以全程自動化進行，而高壓、高溫的處理過程僅需大約 5 min，傳統制造工藝則往往需要幾個小時。車身的組裝工藝采取模塊化連接，碳纖維部件的結合像堆砌模型一樣采用膠水連接（圖 3）。為了縮短固化時間，寶馬專門研發了特種粘合劑，在涂敷到車身部件之后僅90 s就可以接受加工，然后產生粘性，在經過1.5 h后就已經固化。這使得車身組件具有完全的剛性，制造速度比普通工藝提升10倍。整個過程全部為自動化操作，包括粘合劑的涂抹、部件的對接等，除了節約人力之外，也減少了粘合劑中的化學成分對工人健康的危害。

縱觀寶馬幾款碳纖維車身的生產過程，有幾個明顯的特點可謂貫穿始終。首先是顛覆傳統汽車生產流程，如果說福特創建流水線生產是汽車行業的第一次革命，那么“碳纖維+新能源”可能是第二次汽車革命，碳纖維生產的車身不需要傳統的沖壓、焊接、涂裝，變成了模壓成型、粘結、涂裝或塑料外殼；其次是高度的機械化，在整個生產過程當中，機器人的大量使用已經讓生產過程基本實現自動化，人工操作僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產效率，減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低；最后是環保與可持續發展的理念，寶馬大量使用可回收材料制造汽車部件，同時全面采用水電和風電等可再生能源。

除了寶馬，豐田、大眾、奔馳、現代等多家汽車制造商也都在開發汽車輕量化用CFRP，并應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。美國Morison公司為Dcna公司生產的CFRP汽車傳動軸（圖 4（左）），供通用汽車公司載重汽車用。福特1999 — 2004野馬載重車汽車也采用了CFRP傳動軸（圖 4（右））。采用CFRP可使原來 2 件簡化合并成 1個傳動軸，且與鋼材料相比，可減重60% ～ 70%。英國GKN技術公司也開發了CFRP傳動軸，重量減輕50% ～60%，抗扭性比鋼大10倍，彎曲剛度大15倍。

2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念車上第一次使用了碳纖維輪轂，但當時還是停留在概念階段。2009年，澳大利亞Carbon Revolution公司開發出了CR9“一體式”全CFRP輪轂，相比鋁合金輪轂，其重量減輕了40% ～ 50%，并且首次應用在Shelby Ultimate Aero跑車上。2012年該公司生產的CFRP輪轂成功地在保時捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在籌備為蘭博基尼、奧迪R8推出碳纖維輪轂。2015年初，美國福特發布了全新一代野馬Shelby GT350R汽車，其采用的碳纖維輪轂再一次引起了關注。以福特Shelby GT350R Mustang所裝備的碳纖維輪圈為例，將原本每個輪轂重14.98 kg的鋁合金材質換為8.17 kg的碳纖維輪圈后，全車減重27.24 kg，這將顯著地改善車輛的操控性能。另外，由于輪圈減重45%，輪圈+輪胎的轉動角動量能約降低40%，也改善了加速和剎車的效能。

2011年4月，比利時Solvay公司開發了一種全新輕巧的CFRP Polimotor四缸發動機缸體（圖 5）。被澆注的復合材料缸體是最終凈形狀，消除了二次加工的麻煩，且振動噪聲顯著減少，耐腐蝕。此外，和壓鑄工藝相比，模具工具成本減少50%。CFRP缸體比合金缸體重量輕20磅。第二代Polimotor全碳纖維發動機缸體項目在2015年有了新的進展，預計該發動機將于2016年預先應用于賽車、OEM汽車和卡車。該項目有望推動未來汽車領域的重大革新，使碳纖維發動機缸體有可能廣泛地應用于商用車。

日產汽車株式會社旗下的2014款GT-R跑車采用了三菱麗陽生產的碳纖維后備箱車蓋，該量產化車蓋以碳纖維和固化時間為 2 ～ 5 min的熱固性環氧樹脂為原料，利用三菱麗陽開發的預浸料模壓成型工藝生產。三菱麗陽稱該工藝將單個部件的生產時間縮短了10 min，更適合汽車部件的規模化量產，而且模壓成型的部件表面平滑，易于涂漆裝飾。

日本東麗與豐田合作開發的碳纖維增強熱塑性聚合物復合材料，可用作制造燃料電池反應堆框架（圖6），目前已應用于豐田燃料電池汽車Mirai中，這是世界上第一次將熱塑性碳纖維復合材料用于量產汽車結構部件。碳纖維增強熱塑性聚合物具有成型時間短的優點，與熱固性聚合物相比，生產效率更高，更適合大規模生產。

2015年東京車展上，雅馬哈展出了僅重750 kg的全新概念跑車SportsRideConcept（圖 7），該車身長3 900 mm，寬1 720 mm，高1 170 mm，超輕的車身得益于其iStream CFRP底盤。iStream碳纖維底盤由英國Gordon Murray Design公司開發，歷經 2 年時間，材質由最初的玻璃纖維轉變為碳纖維。iSteam采用了創新的“三明治”結構，蜂窩狀的內核被 2 片碳纖維板夾在中間。相比超跑所采用的碳纖維單體殼結構，iStream碳纖維底盤的生產周期更短，生產過程可實現全自動化，周轉時間僅為100 s，年產量可達1 000 ～ 350 000件。iStream碳纖維底盤同樣具有輕量化、高剛性的特點，相比寶馬7系僅關鍵部件為碳纖維材質，iStream碳纖維底盤的減重效果更加明顯。這項技術的出現，或將成為入門級跑車愛好者的福音。

韓國現代最新推出的Intrado燃料電池概念車同樣秉承了輕量化的設計理念，該車全車架、引擎蓋以及側板均采用CFRP制造，質量比傳統鋼板制造的汽車輕60%，大大提高了燃油效率，一次補充燃料可行駛644 km，百公里加速時間低于12 s。

2 國內汽車輕量化用碳纖維復合材料發展現狀

得益于國家“十五”和“十一五”863計劃碳纖維專項支持，我國碳纖維的產業化取得重大進展，通用型高強T300級碳纖維實現了產業化，T700級碳纖維實現了工程化，T800級碳纖維突破了關鍵技術，開始批量生產，高模型（M40）碳纖維也實現了關鍵制備技術的突破。國內相關碳纖維生產企業的大規模建設為汽車用CFRP的國產化和低成本化奠定了堅實的基礎，一大批企業開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應用研究。

江蘇奧新新能源汽車有限公司于2015年1月成功研發了我國首輛碳纖維新能源汽車（圖 8），并于2016年3月獲得中國汽車生產許可證。奧新e25緊湊型A級車，具有核心技術自主知識產權，采用CFRP車身（圖 9），輕量化效果明顯：百公里耗能低于10 kW·h，續航能力強，充一次電最長可行駛440 km，0 ～ 50 km/h加速僅需4.7 s。目前奧新建立了完整的CFRP車身及其零部件結構設計、制造與評價體系，創造了第一個 2 萬輛碳纖維純電動汽車制造工廠、第一條電動汽車鋁合金底盤機器人焊接線、第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產線 3 項中國第一。奧新正與東華大學等國內高校緊密合作，進一步優化零部件結構以及提高制造效率，研發自動化量產技術與裝備。

北京汽車在推動汽車輕量化用CFRP方面，成功研發了用于碳纖維發動機蓋覆蓋件及車身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV車型上，將會搭載碳纖維發動機罩蓋（圖 10），相比鋼質前機艙蓋可減重17 kg（50%）。BJ40車型使用了玻纖、碳纖混雜復合材料車頂蓋，較鋼制頂蓋減重48%。紳寶D60則采用了CFRP前格柵和尾翼，彰顯運動和時尚特性。

奇瑞汽車開發了一款CFRP電動汽車（圖11），該電動車是奇瑞首款采用PHEV（插電進行充電的混合動力汽車）的車型。其優勢在于采用CFRP部件后的車身僅重218 kg，相比金屬車身418 kg，車身減重48%。另外，CFRP部件的應用也顯著提高了汽車的抗沖撞性能和操控性。奇瑞汽車目前正努力解決該車型實現低成本、批量化生產所面臨著的諸多技術難題。

北京長城華冠汽車技術開發有限公司開發了一款名為前途（EVENT）的純電動跑車概念車。該電動跑車以節能、環保為設計出發點，產品集成了眾多汽車行業的前沿科技。長城華冠EVENT車體內外覆蓋件整體采用CFRP，在大幅度減輕車體重量的同時，產品的力學及安全性能也優于傳統金屬鈑金部件。該款車型目前已經在蘇州建設生產車間，預計2017年開始生產。

上海汽車公司自2008年起，先后承擔了多項國家級、上海市和地方的汽車輕量化項目，包括上海市科委科技創新計劃項目“新能源汽車CFRP典型部件的開發與應用”、上海市科委重點攻關項目“新能源汽車輕量化技術開發”、上汽 — 科委專項創新項目“輕量化技術在榮威E50純電動轎車上的應用研究”，為汽車輕量化技術方面的研究與開發積累了良好的基礎。

長安汽車開展了大量CFRP在汽車輕量化應用的探索工作，研發了準備在量產車應用的碳纖維傳動軸和后舉門。中國第一汽車集團公司開展了復合材料板簧、傳動軸和CFRP前后蓋的研究。復合材料傳動軸采用碳纖維增強環氧樹脂預浸料，經由卷搓/熱壓罐成型工藝制造，相比傳統金屬傳動軸，碳纖維傳動軸可減重40%，采用CFRP還可使原來由 2 件合并成 1 個單件傳動軸。CFRP前后蓋，采用T300碳纖維和環氧樹脂，經由RTM工藝制造，相比金屬材料可減重64%。

3 結語

CAFE（世界輕型車油耗及溫室氣體排放法規）的出臺促使全球各大汽車生產商在汽車輕量化技術領域加大研發投入。應用以碳纖維為代表的高性能纖維增強復合材料部分代替傳統金屬材料是實現汽車輕量化的最有效工程技術途徑之一。目前發達國家汽車生產商在汽車輕量化材料和應用技術領域處于絕對領先地位，雖然目前我國幾乎所有的汽車企業都制定了CFRP發展計劃，并與碳纖維企業建立聯盟，但仍面臨著一些發展瓶頸，如缺乏復合材料整車及零部件設計準則、評價標準與數據庫；缺乏復合材料零部件自動化量產技術與裝備；缺乏車用低成本碳纖維及其中間體材料產業鏈；缺乏碳纖維汽車維修、回收及循環利用技術體系等等。上述問題都是未來我國汽車產業輕量化發展亟待解決的關鍵環節。

參考文獻（略）