高性能化的碳纖維復合材料在汽車輕量化應用新進展

方鯤 孟秀青 王建軍 高國強 尹光虎 李曉科 李玫

先進的碳纖維復合材料（CFRP）研究和應用己經成為汽車輕量化的一種重要技術途徑。在保證汽車安全性能不降低的前提下盡可能地減輕整車質量，從而可提高汽車的動力性、降低燃料消耗、減少二氧化碳（CO2）排放。

1 材料的特性

CFRP是由作為增強材料的碳纖維（CF）和基體樹脂（Resin）組成，早期主要應用于航空航天及軍事領域。隨著碳纖維（CF）生產技術的進步、性能的不斷提高，以及加工技術的不斷提高，CFRP成本下降，因此被越來越多應用到汽車、工業、體育等領域。CFRP具有比強度高、比模量高、質量輕、抗疲勞性好、膨脹率小和減振性優等優越綜合性能，因此得到汽車廠家的廣泛關注與應用。

1.1 質輕高強

由于使用CFRP在減輕車身質量的同時也可使汽車功率需求更小，進而采用更小的驅動引擎和懸掛裝置。通過減少動能而減少汽車沖擊危險，這種螺旋式的結果將使汽車車身質量進一步減輕，因此用CFRP部件替換原來的傳統金屬材料部件則其輕量化效果更加明顯。

1.2 設計靈活

通過采用CFRP和部件的計算機輔助工程（CAE）結構優化則可以根據不同的汽車結構和用途要求靈活地進行產品設計和加工成型。根據實際受力情況，通過調整纖維的結構及排列制成各向異性和不同厚度的CFRP部件，且可以應用三明治夾層結構來提高整體剛性以達到最佳輕量化的設計方案之一。

將CF按照受力方向進行排布，可充分發揮CFRP強度的各向異性，從而達到節約材料和減輕質量的目的。……