汽車輕量化進程中碳纖維復合材料（CFRP）技術應用現狀

冶存良 李紅娟

寧夏理工學院 寧夏石嘴山市 753000

1 引言

據統計2017年全國機動車保有量達到3.101億輛，其中汽車2.17億輛（含新能源汽車153.0萬輛），預計我國汽車保有量到2020年達到2.8億輛，2025年達到3.6億輛，而汽車保有量的峰值將會達到6億輛。這預示著我國汽車工業前景一片大好，但與此同時也會加劇能源消耗、環境污染和交通安全等重大問題的惡化。在當下國家大力倡導節能減排和低碳環保政策的強力驅動下，汽車工業想走上又好又快的綠色發展知道，除了另辟其徑發展新能源汽車，還須從汽車自身的設計、用料和制造工藝等源頭上找出路。

實驗證明，汽車整備質量減輕10%，油耗將減少6%～8%，排放性改善6%，制動距離降低5%，加速時間縮短8%，轉向力矩減少6%，輪胎壽命提高7%，材料疲勞壽命提高10%，CO2排放量降低8～11g/（100km）；對于純電動汽車，整車重量降低10%，平均續駛能力可以增加5%～8%[1]。

現代轎車所使用的傳統材料主要為鋼材、鑄鐵、鋁合金和塑料等。其中，鋼材占比約55%～60%，鑄鐵12%～15%，鋁占比8%～10%，塑料占比約8%～12%[2]。在滿足汽車的使用性能、安全性能和成本要求的前提下，采用輕量化新型材料，可以提高汽車的動力性、降低油耗、改善排放性，達到節能減排和低碳環保的目的。

采用輕量化材料并不是傳統意義上的偷工減料和零件減配，是在保證汽車行駛安全性基礎上，通過優化設計、采用輕質材料和改善制造工藝，以達到減輕車身自重的一種手段。目前，汽車上應用的輕質材料主要包括高強度剛、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復合材料（CFRP）和塑料等[3]。

其中，碳纖維復合材料（CFRP）具有很好的韌性和抗拉強度，其比強度（107cm）是普通鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃鋼的2～8 倍，比模量（109cm）是普通鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃鋼的3～5。而且，其密度在1.45～1.6g/cm3之間，不到鋼的25%，比鋁還要輕，它的應用可使汽車車身減輕質量30%～60%[4]。因此，如果不考慮成本問題，則碳纖維復合材料是汽車輕量化材料的絕佳選擇。

2 碳纖維復合材料（CFRP）的技術現狀

2.1 結構與特性

碳纖維復合材料根據原料不同可分為：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中PAN基碳纖維使用最廣，產量占比超過90%以上[5]。碳纖維復合材料“剛柔并濟”，兼具碳材料和纖維的雙重優良特性，具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的特性，其的高集成度性、使得在零部件制造過程中可以減少零部件數量；由于可設計和造型自由的特性，可降低流線型曲面配件的制造成本；高效率的抗震、吸收沖擊性能，可達到金屬的5倍，因此可提高汽車發生交通碰撞事故車上人員安全性；在各項力學性能方面，與輕質金屬合金材料相比（如高強度鋼、鋁合金、鈦合金和鎂合金），普通的碳纖維復合材料也遠遠優于它們。但是阻礙高端碳纖維復合材料發展的障礙是，目前其由于技術含量高、生產工藝極其復雜等原因，造成使用成本也水漲船高[6]。

2.2 碳纖維復合材料（CFRP）技術現狀

碳纖維復合材料技術和市場一直被日本和美國所占據，日本是碳纖維技術最發達的國家。日本東麗、東邦和三菱麗陽3家企業的碳纖維產量約占全球 70%～80%的市場份額。美歐企業以生產大絲束碳纖維為主，約占全球大絲束碳纖維產能的90%。日本和美國的碳纖維復合材料技術目前已經發展到第三代（業界沒有具體的科學界定，）其中，第一代的代表為日本東麗T300（抗拉強度3.5GPa，彈性模量230GPa）、美國郝氏AS4（抗拉強度4.4GPa，彈性模量231GPa）；第二代的代表為日本東麗T800（抗拉強度5.9GPa，彈性模量294GPa）、美國郝氏IM7（抗拉強度5.6GPa，彈性模量276GPa）；第三代的代表為日本東麗T1100G（抗拉強度6.6GPa，彈性模量324GPa）。2015 年 7 月，在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）大力資助下，佐治亞理工學院創新PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，模量實現大幅提升，超過了赫氏IM7 碳纖維。這標志著除了日本，美國是全球第二個掌握第三代碳纖維技術的國家[7]。

我們國家在碳纖維材料方面起步雖然較早，但發展速度較慢，直至近幾年，國內碳纖維產業才逐漸迅速發展。2009年，T300級碳纖維規模化生產成功，標志著我國完全掌握了第一代碳纖維技術；2012 年，T700級碳纖維試產的成功，預示著我國在第二代碳纖維材料技術上有所突破。但是尚未全面突破，如不及時跟進第三代碳纖維的技術開發，必將進一步拉大與日本和美國在碳纖維材料方面的技術差距。我國生產碳纖維的廠商有40余家，其中達到千噸級的不超過4家，碳纖維年總產能為2.5～2.6萬噸左右，實際年產量僅為1.3萬噸左右，開工率不到一半，大部分廠家的生產設備均處于閑置狀態。[8]。

2.3 碳纖維復合材料（CFRP）應用現狀

碳纖維復合材料（CFRP）的使用，可使車身、底盤減重50%以上，相當于鋼結構重量的1/3~1/6。用碳纖維復合材料（CFRP）所制的板簧，重量僅為14公斤，比傳統材料減重76%[6]。利用碳纖維制造的汽車傳動軸，除了可以減輕重量，由于其高效的吸能和減震性能，還可以降低噪聲污染和振動強度，起到很好的降噪和緩沖作用，保證了汽車整體工作的平順性。比如：英國GKN公司使用碳纖維增強塑料制造的傳動軸，可減輕重量50%~60%，比鋼軸的抗扭性高10倍，彎曲剛度高15倍[9]。

目前，碳纖維復合材料在汽車上的應用部件主要包括汽車車身、制動器襯片、座椅加熱墊、燃料貯罐、傳動軸、輪轂等部件，其次還包括汽車底盤、儀表盤、引擎蓋、座椅及座椅套墊、導流罩和A 柱等部位。但是，碳纖維增強復合材料在汽車中的應用仍然有限，僅在一些諸如F1賽車、高級乘用車、小批量車型上有所應用，如寶馬I3、通用的Ultralite 車身，福特的GT40車身等[4]。

利用碳纖維復合材料對汽車進行輕量化改進在國外已開始逐步推廣應用，以寶馬、奧迪、奔馳、福特、通用、豐田、日產、大眾等為代表的知名廠商已開始深入介入碳纖維產業，逐漸將碳纖維復合材料應用到旗下不同車型。康得復材與奔馳、寶馬、豐田、北汽、長安、蔚來等全球59家汽車企業建立合作關系，產品涵蓋汽年結構件、覆蓋件、汽車裝飾件、碳纖維白車身等應用。國內汽車工業應用碳纖維復合材料尚處于起步階段。2017年，北汽集與康得復材簽訂了中國首個碳纖維汽車部件量產訂單，成為中國碳纖維用于汽車輕量化實現量產的開端。以奇瑞、觀致、北汽集團為代表的國內汽車廠商已開始在其推出的新能源電動汽車上使用碳纖維復合材料[10]。

3 碳纖維復合材料應用于汽車工業的建議

（1）碳纖維復合材料廣泛應用于汽車輕量化進程難，主要由于開發技術和生產工藝復雜而導致成本太高，汽車廠家在成本與利潤大多選擇了后者。因此我國應及早進行前瞻性布局，將我國的相關頂尖科研機構匯聚起來，集中攻克關鍵技術，一旦技術成熟則成本問題就迎刃而解。

（2）新的工業產品問世給人類帶來便利的同時，也會帶來負面的結果。碳纖維復合材料在擁有大好應用前景的同時，也意味著在汽車報廢后會產生大量的復合材料垃圾，因此國家應該在研發的同時考慮到該材料后續的回收利用技術。

（3）加強尖端技術復合型人才培養機制。碳纖維技術的高技術屬性決定了專業化人才的重要性，是否擁有尖端核心技術人才直接決定著一個機構研發水平的高低。 由于碳纖維技術研發環節很多，應當注重復合型人才培養，以保證各環節研發的配合銜接。另外，完善對技術研發型人才的評價和待遇政策，同時大力引進國外先進人才等等，這將對我國的碳纖維研究的發展起到極大的推動作用。

4 結語

碳纖維復合材料由于其具有可塑性好、抗沖擊能力強、剛度高且輕質等優點，是汽車產業節能減排、低碳環保的絕佳選擇，也是提高新能源汽車續航里程最有效途徑之一。但是，由于生產工藝復雜、開發技術困難和行業評價標準不統一等原因，存在成本高、質量不穩定和量產困難等問題。因此，在國家政策扶持和引導下，集中精力、物力和財力攻克這些問題，既是碳纖維復合材料產業發展的關鍵，也是其廣泛應用于汽車輕量化的研發方向。