碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的應用

張立侃

（河北紅星汽車制造有限公司 054007t)

碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的應用

張立侃

（河北紅星汽車制造有限公司 054007t)

近幾年來，隨著低碳環保意識、高新技術的不斷發展，尤其是當前汽車輕量化的發展環境中，碳纖維復合材料（CFRP）憑借其超強韌性、能量吸收性能、輕柔性、結構穩定、耐腐蝕與耐高溫等特性，成為了當下新能源汽車產業的原材料首選，在新能源汽車上的應用日漸普及。本文將對碳纖維復合材料（CFRP）所具有的特性、及其在新能源汽車行業的運用情況進行了深入探討，力求為碳纖維復合材料（CFRP）的未來運用提供一定的參考。

碳纖維復合材料；新能源；汽車行業；應用

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，低碳節能、高效低成本已經成為各個行業市場競爭的必然選擇，低碳環保、節能減排也是當前政府非常重視與強調的，尤其是工業生產與汽車產業。在政府、社會相關宣傳與個人環保意識不斷提升的推動下，新能源汽車等相關領域不斷創新與發展，為新型低成本三維復合材料帶來發展契機。碳纖維復合材料不僅具有良好的性能，諸如：超強韌性、能量吸收性能、輕柔性、結構穩定、耐腐蝕與耐高溫等，在提升電動汽車性能方面具有不可替代作用，還能降低電動汽車車身的總體成本，非常有利于新能源汽車贏得消費者的青睞并搶占更多的市場份額。碳纖維復合材料在汽車車身中的運用已經成為世界各國爭相發展的一門關鍵技術，尤其是具有成熟汽車產業市場的歐美國家與日本，這些國家各大車廠在進行汽車生產的過程中都大量選用了碳纖維材料，實現優化車體結構、降低汽車車身生產成本以及提高汽車性能的目標。

本文將深入探討碳纖維復合材料的特性及其在新能源汽車行業運用現狀，結合碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的運用實例，分析碳纖維復合材料所具有的優勢，展望碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的運用前景。

1 碳纖維復合材料（CFRP）介紹

1.1 碳纖維復合材料概念

碳纖維（carbon fi ber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料[1]。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成的結構材料簡稱碳纖維復合材料。

1.2 碳纖維復合材料的特征

（1）超強抗拉彈性

碳纖維復合材料具有超強抗拉彈性，通常情況下高于3 500 MPa，這種強度是鋼鐵的7倍。另外，不但抗拉彈性遠遠高于鋼，其比模量也遠遠高于鋼。

（2）耐高溫、耐腐蝕

相較于其他的材料而言，CFRP具有輕量化、剛強、柔韌性外，還具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等超強性能。除此之外，獨特的碳結構讓其擁有大面積的整體成型特征，同時，它還擁有良好的穩定性與設計可塑造性，正是這些獨有的特征讓其可以在車輕量化實現線性增長[2]。

（3）能量吸收性能優越

優越的能量吸收性能是CFRP材料在新能源汽車中被廣泛運用的主要原因。CFRP材料是同類的鋼質零部件質量的一半不到，是同類鋁制零部件質量的70%左右，質量輕，還能抵抗更大的沖擊，足見CFRP材料的優越性。

1.3 碳纖維復合材料發展歷史與發展現狀

從20世紀70年代開始，CFRP材料開始受到世界各國相關研究人員的關注。在國內的發展起步相對較晚，但是經過30多年的不斷發展與創新，當下國內市場上已形成了一個比較完善的碳纖維復合材料產業鏈，碳纖維復合材料被廣泛運用到航空航天、汽車生產制造等行業。但由于CFRP材料價格較高，使得其在零部件上運用量不多，大部分是運用在輔料上，而不是主料上。另外，當前我國的CFRP材料研發能力有限，大部分的CFRP材料過于依賴進口。而相較于一般的常規材料而言，零部件的自動化、全體化、集成化可以實現減輕成品重量、降低車身設計成本、壓縮制造成本等車身制造目標，上述的三種優化比例可高達15%～30%。因此，提高運用CFRP材料的技術水平，對我國制造行業以及航天航空行業的快速發展具有不可忽視的重要作用。

2 碳纖維復合材料在新能源汽車行業的運用現狀

2.1 碳纖維復合材料在新能源汽車行業運用的必然性

任何事物的興起與沒落都是有道理的，是時代發展的結果。當前，面對人類生存空間環境的不斷惡化，世界各國開始強調節能減排與低碳生產，對于汽車行業來說，主要是致力于開發清潔能源汽車，碳纖維復合材料成為車用材料輕量化的主要目標。早在2009年，我國科研院所開始致力于碳纖維電動車的相關研究，經過8年的發展，取得了明顯的研究成效。而在國外，碳纖維復合材料在新能源汽車行業運用也得到了極大的重視。2010年，德國奔馳公司與日本碳纖維生產商東麗公司（TORAY）展開復合材料與新能源汽車的資源整合，共同投資建廠生產碳纖維汽車部件。2013年，德國寶馬汽車公司就開始瞄準碳纖維電動汽車的開發，投資了將近5億歐元進行電動汽車車身的開發與設計，成功將“全球首款量產全碳纖維車體汽車”推出市場，并在市場上取得了巨大的反響。此外，該公司還與德國碳纖維生產商SGL集團進行資源整合與開發，共同投資，在美國設立專門的碳纖維紗線生產基地。

近幾年來，在政府的各種宏觀調控政策的引導與規范下，新能源汽車的生產與制造更偏向于選擇CFRP材料，這樣才能符合政府所制定相關政策法規的要求，諸如：車輛燃料經濟性標準、二氧化碳排放法規等。各國對汽車的規范、要求各不相同，都是根據自身國家的實際情況進行擬定，并落實與實施。例如，美國提高了對乘用車的車身重量、燃料效率等方面的要求，將乘用車的燃料效率要求提高到4.32 L/100 km，這是常規的、典型的乘用車所難以實現的，促使汽車生產企業紛紛加入到削減車身重量的隊伍中去。這也大大推動企業對具備超強穩定性、抗腐蝕性、耐高溫性以及高能量吸收性能的CFRP材料的選用。由此可見，碳纖維復合材料在新能源汽車行業運用即是時代選擇的結果，也是行業發展的必然趨勢。

2.2 碳纖維復合材料在新能源汽車行業的運用現狀

新能源汽車的可持續性發展目標與GFRP材料在汽車中的應用目標是一致的，主要體現在低碳環保、經濟實用以及社會效益高。GFRP材料在汽車中的應用歷史不是很久，但是發展的速度卻是極為迅猛的。對比國內外碳纖維復合材料在新能源汽車行業的運用，可以發現國外企業在GFRP材料的六十多年發展歷程中已經構建了一個較為成熟的體系，而我國GFRP材料在新能源汽車行業的運用仍處于初級階段，GFRP材料的自主創新能力薄弱，高端產品主要依賴進口[3]。下面通過實例來探討碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的運用情況。

（1）中國

目前，從我國汽車行業的市場發展情況來看，中國汽車工業已經從動態的發展狀態逐漸轉入穩健的發展狀態，增加企業的研發能力與創新能力，降本增效是當前我國自主汽車企業搶占市場份額的主要手段[4]。奇瑞、長城、江淮、長安等國內車企近兩年都非常重視新能源汽車的開發。2014年，奇瑞汽車率先在北京市場推出了新能源汽車，這是一款由奇瑞和中國科學院聯合打造的新能源汽車產品，由碳纖維復合材料構成的車型非常的流暢與人性化。另外，長城自主研發了一款純電動跑車——長城華冠EVENT，這款跑車采用了較多的GFRP材料，削減電動車的質量，同時也實現了節能、環保的設計訴求。GFRP材料的使用也保證了產品的安全性、抗暴力等指標。

（2）德國

相較于全球其他國家的新能源汽車行業，德國的新能源汽車行業發展較快，汽車車身重量的管理與控制情況比較良好，諸如：德國寶馬的i3純電動汽車。車身的構造非常穩定，實現了重量、質量的反比增長，其車身重量是傳統電動車的50%～70%，具有更好的底盤。寶馬全新X7系列從整體車身的結構設計出發，切入輕量化結構設計與質量分布，實現了全面的“瘦身”。

（3）日本

日本是一個非常強調高新技術與文化傳承的國家，這點極大地推動了新能源汽車行業的建設與發展。例如，東麗CFRP材料單體車身構造為中空構造一體成型，重量在鋼制EV車體的50%以下，總重量僅為45 kg，提高了汽車的各種性能，很好的實現了節能減排，推動了該公司新能源汽車的創新與設計。

3 結束語

縱覽當前汽車產業與新能源產業的發展情況，可以發現，CFRP材料在新能源汽車中的廣泛運用是一種必然結果，也是新能源汽車企業進行汽車生產與制造的必然選擇。未來，隨著節能減排、生態環保理念的不斷推廣，再加上新能源技術的開發與運用，碳纖維復合材料（CFRP）在新能源汽車行業中的運用范圍與運用比例將會有很大程度上的提升，朝著經濟性與動力性方向發展。

[1]蔣鼎豐.低成本碳纖維復合材料是新能源汽車輕量化的重要選擇[J].汽車制造業,2013：57-57.

[2]宋燕利, 楊龍, 郭巍, 華林.面向汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術[J].材料導報,2016,30(17)：16-25.

[3]侯雅男.碳纖維復合材料特性及其在汽車單體殼上的應用[J].工業技術創新,2016,3(6)：1293-1295.

[4]黃碩, 王亮, 陳超.我國碳纖維復合材料在汽車上的應用趨勢和建議[J].中國材料科技與設備, 2015(3)：59-62.

U465.6文獻標示碼：A

張立侃（1989—），男，助理工程師，本科，研究方向為新能源汽車內外飾新型材料的性能及應用。