碳纖維增強復合材料（CFRP）在汽車業上的應用及面臨困難

劉昌，楊世文

前言

碳纖維是含碳量高于90%的纖維的總稱，它發展于20世紀60年代，是一種高科技新材料，是纖維狀的碳材料。碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、震動衰減性高、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能，具有其他常見纖維無法比擬的力學性能，特別是在 2000 ℃以上的高溫惰性環境中，是唯一能保持強度不下降的材料。復合材料是由兩種或多種材料組合成的一種新材料，它的性能不同于各組分性能并且通常其性能要優于各組分的性能。習慣上將復合材料各個組分材料分為基體材料和增強材料。其中，增強材料的化學成分可以是高分子聚合物、陶瓷或金屬，其物理形態可以是纖維狀或顆粒狀；基體材料可采用各種樹脂、金屬或者非金屬材料。在纖維狀增強材料中，根據纖維形狀和尺寸，可將纖維分為連續纖維、長纖維和短纖維。復合材料最為典型且應用較為廣泛的形式是以樹脂為基體材料，并采用纖維狀的增強材料，如圖1所示。

碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Poly-mer/Plastic )，簡稱CFRP，是一種以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥或橡膠等為基體所形成的復合材料。它既可作為承載負荷用的結構材料又可作為功能材料滿足一些功能性要求。因此，碳纖維被認為是高科技領域中新型工業材料的典型代表，為世人所矚目。從最初在航空航天及軍事工業等尖端領域的應用，到目前在民用領域，如體育休閑用品、交通運輸、醫療器械和土木建筑等行業的普及，碳纖維已經成為一種軍民兩用的高科技纖維材料。

1、CFRP應用于汽車業的意義

2014年末我國民用汽車保有量達到14476萬量，并且我國連續6年蟬聯世界汽車銷量冠軍。隨著越來越多的民眾購買私家車，我們“吃”的石油越來越多。數據表明：2013年7月中國已超越美國成為全球最大石油進口國。不堪重負的石油消耗，使得機動車的尾氣排放成為空氣污染主要的污染源，同時尾氣中的溫室氣體又導致了日益嚴重的全球變暖問題。將CFPR用于汽車上，一個最明顯的作用就是使汽車輕量化。一輛轎車每減重 100kg，每百公里燃油消耗就平均減少0.5L，二氧化碳排放也隨之減少500g。積少成多，對于車輛基數龐大的中國來說，這會明顯改善我國的惡劣環境情況。CFRP應用于汽車上得到的汽車輕量化還具有別的意義。可以降低油耗、減少污染，而且還賦予其他特性，有助于改善汽車的加速性和控制穩定性，并對汽車噪音、振動、碰撞時慣性和制動距離的減小都有著積極的作用。例如，用碳纖維復合材料制造的發動機部件和傳動軸，因具有高阻尼特性并降低振動、降低噪音而提高了乘坐舒適性能；碳纖維復合材料因具有良好的抗沖擊吸能性能，在汽車保險桿部位得到廣泛應用，大大提高了安全性。而這更促進了CFRP的研發熱潮。

2、CFRP 的特點

（1）比強度、比模量高。碳纖維復合材料的比強度是傳統金屬材料的2.4～5.8 倍，比模量也達到1.6倍以上（見表1），所以它能夠以同樣的單位質量獲得更高的承載能力，或者說以較小的質量達到同樣的承載能力。

表1

（2）可設計性好。CFRP可以根據不同的用途要求，靈活地進行產品設計。可以應用層合板結構，提高部件整體剛性，以達到最佳輕量化方案。

（3）各向異性。CFRP有著復合材料共有的特點，即各向異性，這個特點使其與可設計性好的特點相輔相成，能根據產品的受力情況合理布置碳纖維分布，實現各方向具有不同的力學性能，充分利用材料。

（4）零部件可一體化設計。鋼制薄板在沖壓成型時由于工藝原因導致外形及結構往往受到限制，而使用復合材料在成型時利用它的流動性， 比較易于制成各種形狀的曲面以達到一體化成型效果。

（5）良好的減震性。結構自震頻率與材料的比模量平方根成正比，所以CFRP有高自震頻率。同時CFRP的界面能很好的吸收震動能量，這就導致材料震動阻尼較高。

（6）耐腐蝕性能好。車上的許多零部件，都要承受機油、汽油等化學制劑腐蝕，以及高溫、嚴寒、霧霾等惡劣環境。這都使得傳統金屬材料壽命較短，但CFRP一般不存在生銹和腐蝕問題。

3、CFRP在汽車上的應用

較高的原材料成本在很長一段時間內制約了 CFRP在對成本較為敏感的汽車行業內的應用。復合材料起初僅限于對成本不敏感的賽車及跑車領域，通常利用復合材料制造車身覆蓋件以提高賽車及跑車的性能。如蘭博基尼 Aventador LP700-4 采用單體構造式車身，這種結構是構成該車的核心部件，如圖2所示。該單體式車身僅147 kg，車艙完全用CFRP制造而成，并配以硬殼式結構。在構造上可作為單一部件發揮作用，從而充分利用碳纖維強化材料的超強剛度，打造出高強度和高安全性能的乘員艙。近年來隨著復合材料成本的下降以及設計方法的改進，各大汽車廠商均加大了CFRP在其產品中的應用。CFRP常用于制造汽車車身、底盤、保險杠、驅動軸等部件。圖3所示為Lexus開發的高性能車LFA的車身示意圖。該車身主要采用CFRP和鋁合金，CFRP占車身重量的比重達65%，制成的乘員艙質量僅為193kg。大眾、奔馳等多家跨國車企都在開發汽車用CFRP，將其應用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。CFRP不久就會成為汽車輕量化主流材料。

與發達國家相比，我國汽車工業起步較晚，對碳纖維增強復合材料的研究應用也相對較晚，大部分的碳纖維原絲及織物都依賴于進口，大部分的實物生產應用都是在體育用品方面，汽車行業上的應用案例基本上為空白，大部分汽車廠商都未與CFRP企業同步聯手研發CFRP零部件。但是國內汽車廠商已經逐步認識到CFRP對車身輕量化的意義，并且在想辦法與國際接軌，爭取早日形成“碳纖維、復合材料供應商+零部件供應商+主機廠”的聯盟式產業化布局。并且已經有了“產、學、研”開發模式，如上海耀華大中新公司與交通大學，同濟同學合作開發了CFRP后尾門、電池盒上蓋、前保險杠、翼子板、發動機罩。而在電動車領域，我國也更多運用上了復合材料。榮威電動車型E50研究了采用碳纖維復合材料材質的發動機蓋。該零件可以減重多達4.6 kg，物料成本是普通鋼制發動機蓋8～10倍， 輕量化非金屬材料有效降低了車身的重量，這是保證電動汽車有效續駛里程的重要措施。

4、CFRP大規模應用遇到的困難

碳纖維增強復合材料具有質輕高強、可設計性好等一系列優點，在航空航天以及汽車領域都有廣泛的應用前景。但是目前針對CFRP在汽車業的批量使用還有一定的困難：一是其成本高，現在還只能在一些高級轎車上得到應用。為了降低成本，目前碳纖維生產廠家將目光投向了大絲束碳纖維的研發。二是碳纖維制品的生產制造技術具有一定局限性，缺乏快速大批量連接技術，生產周期較長，目前還難以實現大規模生產；此外維修人員已經對傳統金屬材料修理熟悉，但是碳纖維復合材料汽車與傳統汽車較大的差異性需要修復人員具有一定的專業基礎。而且碳纖維的無法降解性對它的循環利用性也是一個挑戰。

不過我國不僅是汽車產銷大國，同時也是復合材料產銷大國。隨著我國汽車工業的快速發展以及普通民眾環保意識、節能意識的增強，具有輕質高強的CFRP必將快速發展而成為輕量化主流材料。所以CFRP在汽車中的應用是必然的，前景必是廣闊的。

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