碳纖維增強復合材料的乘用車輕量化應用

姜子敬　楊文葉　宋杰　李文中　李振興　馬秋

摘 要：隨著汽車工業飛速發展衍生的環境、能源和安全問題日益突出，碳纖維增強復合材料以其優異的綜合性能和可設計性能在汽車輕量化技術領域脫穎而出，具有廣泛的應用前景。本文對碳纖維增強復合材料的特性、成型工藝和乘用車應用性能進行分析，并結合現狀問題提出了建議和措施。

關鍵詞：乘用車 碳纖維增強復合材料 技術進展

Lightweight Application of Carbon Fiber Reinforced Composite Materials for Passenger Cars

Jiang Zijing Yang Wenye Song Jie Li Wenzhong Li Zhenxing Ma Qiu

Abstract：With the increasingly prominent environmental， energy and safety issues derived from the rapid development of the automotive industry， carbon fiber reinforced composite materials stand out in the field of automotive lightweight technology due to their excellent comprehensive performance and design performance， and have a wide range of application prospects. This article analyzes the characteristics， molding process and passenger car application performance of carbon fiber reinforced composite materials， and puts forward suggestions and measures based on current issues.

Key words：passenger car， carbon fiber reinforced composite material， technological progress

1 前言

汽車工業的飛速發展在給人們帶來出行便利的同時，也衍生出了環境污染、能源緊缺、交通安全等諸多問題。有研究表明，乘用車的整備質量減少10%，燃油車油耗降低6%～8%，CO2排放量降低8～11g/（100km）;純電動汽車整車重量減少10%，續駛可增加5%～8%[1，2]。面對這些全球性的棘手問題，汽車工業在產業升級和綠色環保的戰略背景下探索出一條可持續發展路徑，即從汽車自身的結構設計、材料應用和工藝選擇等源頭挖掘輕量化技術。乘用車輕量化材料應用在不斷的探索和驗證過程中，從單一的普通鋼材，發展到現在的高強鋼、熱成型鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和高強纖維增強復合材料等多材料混合應用。其中，碳纖維增強復合材料以其優異的綜合性能、高比強度和比模量以及靈活的可設計性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強復合材料的密度僅為鋼材密度的20%，鋁合金密度的60%，其應用可使車身減輕30%～60%[3]。因此，碳纖維增強復合材料是汽車輕量化新型材料的最佳選擇。

2 碳纖維增強復合材料的技術現狀

2.1 結構與特性

碳纖維是將有機纖維在非活性氣體中進行高溫碳化，分離掉碳以外的元素后所得的纖維體材料[4]。碳纖維根據有機纖維原料的不同，可以非為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中PAN基碳纖維生產工藝難度低，品種多，價格適中，市場上90%以上的碳纖維是以PAN纖維為原料制成的PAN基碳纖維。[5]瀝青基碳纖維的導熱性高，拉伸模量高，抗沖擊性強，但制造工藝復雜，成本高，目前生產銷售的規模較小。膠粘基碳纖維耐高溫性高，但碳化率低，技術難度大，設備復雜，成本高，主要用于耐燒蝕和隔熱材料。[6]

碳纖維增強復合材料兼具有抗疲勞、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、低線性碰撞系數、優良的震動阻尼等特性。此外，碳纖維增強復合材料汽車零件設計集成度高，可減少分組成件數量;其可靈活設計和造型自由度高的特性，可降低流線型曲面配件的制造成本;碳纖維增強復合材料高效率的抗震、吸收沖擊性能，高達到金屬的5倍，可提高汽車發生交通碰撞事故車上人員安全性。但碳纖維材料成本高，工藝復雜，生產效率低等因素阻礙了其在汽車行業的大規模應用。

2.2 應用進展

由于碳纖維增強復合材料優異的綜合性能和顯著的輕量化優勢，國內外車企開展了大量的研究與應用。寶馬公司率先全面開啟碳纖維增強復合材料在汽車領域的應用。2013年寶馬i3車身碳纖維用量達到49.41%，2014年寶馬i8車身碳纖維用量43%，之后，其他汽車車企也相繼推出了碳纖維增強復合材料應用的車型，如表1。

國內碳纖維材料應用幅度比較高的車型集中在對輕量化需求更迫切的跑車上，為了降低碳纖維材料在汽車行業的應用成本，汽車企業也逐步從碳纖維、樹脂、工藝等方面加大研發投入，旨在推動碳纖維增強復合材料大幅度低成本應用，促進其在汽車構件的應用逐步從高端技術向大眾化應用轉變。

碳纖維增強復合材料常見的成型工藝如表2，不同成型工藝的成型速度、質量、成本和適用零部件特性相匹配。

2.3 性能研究

由于碳纖維是各向異性的材料，結構設計、纖維鋪層設計對零件性能的影響至關重要。碳纖維增強復合材料是一種可設計性很強的材料，可以通過纖維鋪層的方向和厚度、樹脂的浸潤和流動方式、成型工藝等設計滿足產品零部件在不用方向的力學性能要求，并且為造型件和功能件的模塊化設計提供基礎。奧迪A8局部碳纖維車身模塊采用HP-RTM工藝成型零部件，并通過結構膠及鉚接工藝連接，試驗證明整車扭轉剛度提升了33%。寶馬i3和7系頂蓋橫梁和上邊梁采用碳纖維3D編織技術成型，相比于鋼制零件減重45%，并且充分利用了碳纖維復合材料的各向異性特點和3D成型的閉合截面優勢，提高了車身的結構穩定性和抗頂壓能力。通過仿真及試驗驗證表明，碳纖維頂蓋橫梁的軸向抗壓強度相比于原鈑金橫梁提高了13%，抗彎強度提高了62%。

碳纖維增強復合材料零部件開發通常需要經過材料選型、鋪層設計、CAE分析、連接強度分析、失效分析和性能驗證的步驟。圖1所示車型頂蓋橫梁部分仿真分析案例。目前國內汽車上應用碳纖維零部件開發經驗和流程體系尚未完善，大多仍然是按照金屬材質件開發的流程，未能充分發揮出碳纖維材料的優勢。通過技術的深入研究和應用經驗的積累，碳纖維增強復合材料在汽車構件的應用會實現進一步的減重、降本和性能提升。

3 結論

碳纖維增強復合材料以其優異的綜合特性廣受車業的青睞，必然會成為輕量化新型材料應用的主流趨勢。現階段碳纖維材料的成本高、工藝復雜、生產效率低，開發經驗和能力不足，使其應用受到制約。因此，要推動碳纖維增強復合材料的大范圍應用，需要加大研發投入，積累正向集成式的碳纖維設計經驗，大力投入材料基礎性能研究，結構設計、工藝、生產一體式應用研究。此外，隨著碳纖維增強復合材料在乘用車上應用范圍的日益擴大，其回收再生技術的壁壘也在被攻堅突破，這將會進一步降低原材料的成本，碳纖維增強復合材料在乘用車上的應用也會迎來更光明的前景。

參考文獻：

[1]李紅娟. 汽車輕量化進程中碳纖維復合材料（CFRP）技術應用現狀[J].時代汽車，2018（6）：21-22.

[2]陳康達， 趙福全， 郝瀚， 等. 碳纖維復合材料在汽車輕量化上的應用現狀及發展前景展望[C]. 2018中國汽車工程學會年會論文集; 606-610.

[3]彭孟娜，馬建偉. 碳纖維及其在汽車輕量化中的應用[J]. 合成纖維工業，2018（02）：53-56.

[4]張婧，于今，熊磊，等.車用碳纖維復合材料性能及成形工藝[J]. 科技導報， 2016（8）：26-30.

[5]亓淑源. 碳纖維汽車件用RTM快速成形樹脂體系及復合材料研制[D]. 北京：北京化工大學，2018.

[6] 馮奇. 碳纖維復合材料汽車翼子板構件的設計及性能分析[J]. 上海塑料， 2019 （4）：58-64.