碳纖維復合材料在汽車上的應用概述

李志虎，賽影輝，王志超，張 寧，秦玉林

碳纖維復合材料在汽車上的應用概述

李志虎，賽影輝，王志超，張 寧，秦玉林

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

碳纖維復合材料具有密度小、模量高、比強度高等優點，是優異的輕量化材料之一。為探尋碳纖維復合材料在汽車上的應用趨勢，文章對近幾年碳纖維復合材料在國內外汽車上的應用情況進行了詳細分析，發現雖然碳纖維復合材料輕量化效果極佳，但存在成本較高、工藝復雜、效率低下等諸多問題，現階段還主要應用于國內外的高端車型。由于碳纖維復合材料具有炫麗的外觀，深受年輕人喜歡，以“運動套件”的形式開發碳纖維復合材料外飾件，是未來碳纖維復合材料在汽車上應用的主要增長點。

碳纖維復合材料；車身骨架；覆蓋件；外飾件

碳纖維復合材料是以樹脂、金屬及陶瓷等為基體，以碳纖維為增強體，采用先進復合材料成型方法制備的高性能復合材料。其中汽車用碳纖維復合材料通常以樹脂基碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP）為主[1]。CFRP具有密度小、模量高、比強度高等一系列優點，是繼高強度鋼、鎂鋁合金、工程塑料之后減重效果尤為顯著的輕質材料之一。因此，被廣泛地應用于航空航天、風力發電、休閑體育、軍事等領域[2]。

近幾年，隨著地球環境污染的日趨嚴重，“節能減排，發展低碳經濟”已在全球范圍內形成高度的共識。汽車輕量化可有效降低能源消耗，減少尾氣排放。由于新能源汽車電池的比能量相對于液體燃料差距甚大，因此，其輕量化更為重要和迫切[4]。CFRP作為一種優異的輕質材料，還具有耐高溫、耐腐蝕、減震等性能，其產品具有炫酷的外觀。因此，越來越受到汽車工程師的青睞。為了推進CFRP在汽車上的應用，近幾年許多高校、企業也都開展了CFRP在汽車上的應用研究[3-5]。

1 CFRP在車身骨架上的應用

由于密度小、模量及比強度高，CFRP往往適合于大型結構件的輕量化應用。作為整車質量貢獻最大的系統，車身骨架是CFRP輕量化最主要的對象，也是CFRP最早應用的地方。通用汽車公司早在1992年就開發了CFRP超輕車身骨架結構概念車，寶馬公司2013年上市的i3車身采用CFRP乘員艙，從而引發CFRP應用研究熱潮。自此，CFRP在車身骨架上的應用，逐漸由超級跑車向豪華車、新能源汽車等拓展。寶馬i3乘員艙共計由34個CFRP零件組成，其中13個零件采用整體成型（包含48個預成型體），實現了高度的集成化，如圖1所示。以i3 側面車身為例，共分成9個預成型體，再將9個預成型體通過樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Moulding, RTM）技術，組成側面車身內外板[6]。

寶馬i8、寶馬7系、雷克薩斯LFA、蘭博基尼AventadorLP700-4車身骨架結構件采用了大量的CFRP部件，奧迪A8的車身后座背板也采用CFRP。另外，奔馳、福特、豐田等國外主流車企，均有CFRP在車身骨架結構件上的應用研究和車型發布。

圖1 寶馬i3 CFRP乘員艙示意圖

輕量化是整車開發的主要目標之一，目前車型零部件的減重工作受到行業的重點關注。CFRP在車身骨架上的應用，減重百公斤左右（寶馬i3 CFRP乘員艙僅有148 kg，比鋼制車身輕57.6%，減重約200 kg），對所有的車型設計來說，都具有極大的吸引力。但由于CFRP成本較高，普通車型開發往往難以承受高昂的成本。

由于CFRP成本較高，工藝復雜、效率低，且在連接、電化學腐蝕、耐久變形等諸多關鍵技術上還未完全攻克，因此，國內目前尚無一體式CFRP車身骨架的量產應用案例。長安汽車開發了一款一體式CFRP車身骨架，是目前國內唯一的全碳車身骨架，該項目目前還處于開發驗證階段，如圖2所示。另外奇瑞開發的CFRP地板進行了整車試裝；眾泰開發的CFRP天窗加強板、頂蓋前頂梁、B柱中部支撐板、門檻外板、縱梁外板、中央通道加強板、翼子板等，已進行整車集成，但這些均處于開發驗證階段，并無量產計劃。

圖2 長安開發的CFRP一體化車身骨架

雖然國內主要主機廠都有CFRP車身結構件的應用研究，但基本是多處開花，鮮有結果。目前國內量產的CFRP車身結構件的代表車型僅有蔚來ES6、沃爾沃極星1等少數車型，其他車型尚未見量產報道。蔚來ES6量產CFRP件為后地板總成、座椅板總成、后地板橫梁總成（三個總成共4個碳纖維件），如圖3所示。沃爾沃極星1共有25個CFRP部件，除機蓋總成、左/右翼子板、左/右車門總成、尾翼、前唇等車身覆蓋件、外飾件外，另外包含左/右/中通道加強梁、A/C橫梁、側圍內/外板總成等多個車身結構件。

CFRP車身結構件，不僅成本高、技術難度也大，目前主要是高端品牌有量產應用，雖然國內外有大量的應用研究，但目前還主要以技術積累為主。國內CFRP在車身骨架結構件上的應用，還主要是以品牌宣傳為主，借CFRP提升車型品牌的影響力。

2 CFRP在車身覆蓋件及內外飾的應用

CFRP在國外車型外覆蓋件上的應用更為廣泛，特別是對于定位比較高的豪華車型。CFRP成本較高，因此，其覆蓋件往往是以高配選裝，或改裝的運動套件方式應用。CFRP運動套件的范圍比較廣，主要是覆蓋件及外飾件，包括前艙蓋、進氣格柵、車燈裝飾框、前唇、側裙、后視鏡、車門亮條、后擾流、尾翼等等。如寶馬、奧迪、奔馳、雷克薩斯、蘭博基尼等品牌的高端車型，除自己開發的CFRP覆蓋件及內外飾件外，市場上還有專門的CFRP件改裝。

CFRP同樣是國內車身覆蓋件及外飾件的應用研究熱點。國內基本所有主機廠都有CFRP在車身覆蓋件及外飾上的應用研究，且應用呈上升的趨勢。近幾年開發及應用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型有前途K50、吉利領克03+/05+、沃爾沃極星1、長城WEY VV7、上汽名爵MG6等，另外路特斯等車型已經在量產開發中。表1為近幾年開發及應用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型。

前途 K50是2018年上市的一款純電跑車，是國內唯一采用“全碳”車身覆蓋件（包括外飾件）的車型，全車共有29個CFRP零部件，除前后保險杠、側裙之外的全車其他29個覆蓋件均為 CFRP材料，總質量僅46.7 kg，比傳統金屬零部件減重40%以上[7]。

對于CFRP在覆蓋件及外飾上的應用，國內車型多數是以“運動套件”為宣傳亮點，主要以高配選裝的方式進行開發。另外，受國外車型售后改裝的影響，國內也有大量外飾件售后CFRP改裝的需求。

表1 應用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型

對于內飾件，鑒于碳纖維亮麗的外觀，能給整車帶來絢麗的風格，但多數車型是通過貼碳纖維膜的形式，對內飾進行改裝和宣傳。這主要是因為汽車內飾件主要采用聚丙烯（Polypro- pylene, PP）類塑料，CFRP在輕量化方面并無突出的優勢，相反還會帶來成本的暴漲，因此，通常采用成本較低的貼膜方式。

3 CFRP在底盤系統的應用

底盤零部件大多屬于“簧下質量”，其輕量化對整車性能的提升更為明顯[8]。但底盤零部件所處環境惡劣，且多屬于運動件，對耐久、疲勞、腐蝕等可靠性能要求更高。CFRP在底盤件上所受到的挑戰，往往比在車身結構件上更大。因此，無論是在國內，還是國外，CFRP在底盤件上的應用難度都極高。目前底盤上CFRP應用研究的零部件主要有傳動軸、副車架、控制臂、穩定桿、轉向節、輪轂、彈簧等。

傳動軸是汽車傳動系中傳遞動力的重要部件，它的作用是與變速箱、驅動橋一起將發動機的動力傳遞給車輪，使汽車產生驅動力。傳統的汽車傳動軸主要采用金屬材料，如優質碳素合金鋼40Cr、30CrMo、42CrMo等。使用CFRP代替原金屬材料制備的傳動軸，可在滿足傳動軸高強度、剛度和疲勞等要求外，實現大幅減重，并通過提高抗振性能、減少噪聲等實現降低傳動系統能量損失及整車重量。

碳纖維復合材料汽車傳動軸已在19世紀80年代通用汽車的載重汽車上得以應用，與鋼材相比質量減輕60%。隨著技術及生產設備的不斷更新提高，碳纖維復合材料傳動軸的生產及應用也在趨于規模化。英國GNK公司研發了碳纖維傳動軸并廣泛應用于Audi A4等車型；日本東麗公司生產的碳纖維傳動軸已廣泛應用于本田、寶馬、馬自達、奔馳等車企[9-10]，如圖4所示。

圖4 寶馬M3和本田謳歌CFRP傳動軸

副車架是車身與懸架連接的一個中間緩沖體，傳統的副車架大多是由鋼板經過沖壓、焊接而成。隨著輕量化技術的發展，近幾年逐漸向鋁合金副車架轉變。CFRP復合材料副車架，相對于鋁合金副車架，還有進一步的減重空間。福特和麥格納合作開發的CFRP副車架，應用在復合蒙迪歐上面，替代了傳統副車架45%的鋼制零部件，減重達34%左右[11]，如圖5所示。

控制臂有前控制臂和下控制臂等，其中前控制臂是懸架的向導和支撐，其變形影響車輪的定位，降低行車穩定性；下控制臂用來支撐車身，減振并緩沖行駛中的振動?？刂票郾倔w由通過板材沖壓成型的上臂體與下臂體扣合焊接而成，使控制臂本體內部為中空結構，目前控制臂常用的材料為 QSTE420TM、SAPH440等熱軋結構鋼。最近幾年的新車型開發過程中，輕量化鋁合金控制臂逐漸成為首選。相對來說，CFRP控制臂并不成熟，但由于其優異的輕量化減重空間，也進入了大量高校及主機廠的應用研究范疇。德國弗勞恩霍夫研究所開發了一種由碳纖維增強聚合物制成的輕量化控制臂，該控制臂與傳統金屬設計的控制臂相比質量減輕了35%，質量僅為2.1 kg[12]，如圖6所示。蔡茂等通過計算機輔助工程（Compu- ter Aided Engineering, CAE）分析，設計出的碳纖維復合材料控制臂，在剛度、強度等滿足要求的同時，比鋼制結構的控制臂減重45%以上[13]。

由于碳纖維材料價格較貴，碳纖維零部件設計技術要求較高，目前除雪佛蘭轎跑C7有應用報道外，還未見其他車型的量產應用或相關計劃，國內CFRP在底盤系統應用仍處于預研階段。

圖6 弗勞恩霍夫開發的控制臂和雪佛蘭C7控制臂

另外，國內外都有CFRP穩定桿、轉向節、輪轂、彈簧等底盤件的研究，但尚未見量產應用。其中連續玻璃纖維增強復合材料的板簧、螺旋彈簧已經在量產車型上應用，但CFRP的板簧、螺旋彈簧還僅在研究中。

4 CFRP在汽車上的應用趨勢

縱觀近年來CFRP在國內外汽車上的應用研究，可以發現輕量化是CFRP在汽車上應用的主要驅動力之一。但高昂的成本、高難度的開發技術等，并非一般企業所能駕馭。因此，雖然CFRP在車身骨架、覆蓋件、底盤件上有極好的輕量化效果，但也只有少數高端豪華車型有應用。國內少數車型開發CFRP車身骨架件、覆蓋件等，更多的是為了品牌提升和宣傳，而不僅僅是為了其帶來的輕量化效果。

碳纖維產品亮麗的外觀，是其應用更直接的原因。CFRP在汽車外飾零部件上的應用，直接給人以科技、動感、豪華的感覺，同時輔以“運動、時尚”的元素，可以更容易吸引年輕人。這也是近幾年CFRP大量以“運動套件”的形式，被許多主機廠進行開發和宣傳。同時在售后，一些車型的外飾件，大量以“運動套件”的形式投入市場。

2021年的上海車展也恰好印證了這種發展趨勢。據不完全統計，本屆車展共展示了14款CFRP零部件的車型，其中9款車型以外飾“運動套件”進行宣傳，約占80%以上。碳纖維車身（包括全碳車身和覆蓋件），共6款車型，約占46%。另外4款車型展示了CFRP內飾件，2款車型裝備了碳纖維輪轂，如表2所示。

表2 2021年上海車展裝備CFRP零部件的車型

5 CFRP在汽車應用上面臨的問題

CFRP具有密度小、模量高、比強度高等特點，是汽車輕量化的理想材料，這基本是汽車界的共識。但近幾年CFRP在汽車上的應用發展卻比較緩慢，主要是因為CFRP的應用還面臨著諸多的問題。

首先是CFRP的成本一直較高。在碳纖維原絲方面，常用的碳纖維預浸料基本都在100元/kg以上。表3為常用的碳纖維預浸料（CFRP原材料）及車身用鋼材的價格比較，可以看出，碳纖維預浸料的成本是鋼材的15倍以上，雖然CFRP的使用，能實現減重約40%，但總體來說，原材料成本遠超現有鋼材。

另外，CFRP制品的工藝復雜，且各工位很難實現自動化，需要大量的人力，且效率較低?？傮w來說，CFRP制品原材料成本高、工藝復雜、人工成本高，且消耗大量的動能，導致綜合成本極高，基本達到原有金屬件的10倍以上，因此，CFRP零部件在國內外汽車上仍難大批量的應用。

表3 常用的碳纖維預浸料及車身用鋼材的價格

工藝效率低下是CFRP難以大面積推廣應用的另外一個原因。以傳統的金屬沖壓件為例，一般為鈑金裁切-沖壓成型-包裝，工藝相對簡單。但是CFRP零部件則相對比較復雜，如圖7所示。

圖7 常見的CFRP零部件成型工藝過程圖

圖7中的各分步工藝，難以做到自動化成型，主要靠人工完成。以鋪層為例，傳統的手工鋪層，幾個工人要花2天左右才能完成一個件的鋪層。因此，整個成型周期較長，基本不能滿足汽車零部件的銷量需求。目前國內已經在向國外學習，開發機械化自動鋪層、一模多穴等工藝，提高成型效率，但總體來說，與傳統金屬成型效率還有較大的差距。

另外，CFRP零部件的應用還有諸多其他問題，比如：設計難度大，國內尚缺經驗豐富的設計師；國內汽車級的CFRP主要以進口為主，國內尚無質量穩定的CFRP原材料；CFRP回收比較困難，國內未形成可持續發展的CFRP零部件生態環境；CFRP零部件維修比較困難，往往某一部位損壞，就要對整個零件進行更換等問題?？傊祭w雖好，但大批量應用之路尚漫長。

6 結論

CFRP具有密度小、模量高、比強度高等優點，在汽車上具有廣闊的應用前景。但由于成本較高等因素，目前CFRP還主要應用于部分高端車型。

CFRP炫麗的外觀，深受年輕人的喜歡，許多車型以“運動套件”為宣傳點，在車型的高配或選配形式開發。在售后，外飾“運動套件”的改裝，在CFRP應用中占據較大的市場。

CFRP在汽車上的應用雖然有較好的前景，但還面臨著成本較高、工藝效率低、設計技術難度大、回收及維修困難等一系列問題亟待解決。

[1] 楊桂英,趙睿,肖冰,等.碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用[J].當代石油石化,2020,28(10):24-28.

[2] 馬曉坤,王瑞,侯建峰,等.基于汽車輕量化的碳纖維復合材料應用分析[J].化工新型材料,2020,48(11): 223-226.

[3] 史踐,唐義生,黃召玉,等.碳纖維復合材料和輕質合金在新能源汽車輕量化上的應用實踐[J].汽車工藝與材料,2021(12):7-11.

[4] 楊文葉,宋杰,史付磊,等.碳纖維復合材料汽車構件的設計開發[J].時代汽車,2021(24):130-131.

[5] 姜哲.某電動汽車典型碳纖維車身零部件優化設計[D].長春:吉林大學,2021.

[6] 劉麗媛,李志虎,熊健民.新能源汽車輕量化材料與工藝[M].北京:化學工業出版社,2020:240-241.

[7] 張靜.前途能否有前途？[J].汽車觀察,2016(6):116-117.

[8] 宋菲.前懸架外行看樣子內行看匹配[J].產品可靠性報告,2015(9):26.

[9] 鄭總政.汽車碳纖維復合材料混合傳動軸設計研究[J].科技與創新,2016(8):81.

[10] 范翰斌.基于模態應力恢復的汽車傳動軸疲勞壽命預測與研究[D].沈陽:東北大學,2014.

[11] 錢伯章.麥格納和福特團隊開發汽車用碳纖維支架[J].合成纖維,2017,46(4):46.

[12] 中國汽車材料網.2018汽車材料細分領域十大熱點新聞:車用碳纖維[EB/OL].（2019-01-11）[2022-12-20]. http://www.qichecailiao.com/news/show-20865.html.

[13] 蔡茂,高群,宗志堅.碳纖維麥弗遜懸架控制臂輕量化設計[J].機械設計與制造,2015(7):189-192.

Application Overview of Carbon Fiber Composite in Automobile

LI Zhihu, SAI Yinghui, WANG Zhichao, ZHANG Ning, QIN Yulin

( Chery Automobile Company Company Limited, Wuhu 241009, China )

Carbon fiber composite is one of the excellent lightweight materials with the advantages of low density, high modulus and high specific strength.The application situation of carbon fiber composite materials in automobiles at home and abroad in recent years. It is found that although carbon fiber composite materials have excellent lightweight effect, there are many problems such as high cost, complex process and low efficiency. At present, it is mainly suitable for application in high-end models at home and abroad.In order to explore the application trend of carbon fiber composites in automobiles,this paper analyzed the application situation of carbon fiber composites in automobiles at home and abroad in recent years.It is found that although the lightweight effect of carbon fiber composite was excellent, but it was mainly suitable for application in high-end vehicles for high cost,complex process and low efficiency. At present, it is mainly suitable for application in high-end models at home and abroad.Because carbon fiber composite had a dazzling appearance, it was popular with young people. The development of carbon fiber composite exterior parts in the form of "sports kit" would be the main growth point of the application of carbon fiber composite in automobiles in the future.

Carbon fiber composite; Body skeleton; Covering parts; Exterior trim parts

TB33

A

1671-7988(2023)03-136-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.026

李志虎（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向為新材料、新技術相關的汽車產品開發，E-mail: lizhihu@mychery.com。

蕪湖市科技計劃—重點研發項目（2021YF10）。