碳纖維復合材料(CFRP)在汽車輕量化中的應用

孫少杰

(陜西交通職業技術學院 汽車工程學院，陜西 西安 710018)

隨著我國經濟的不斷發展，汽車工業領域的規模越來越大，人們對于汽車的需求也越來越高。汽車的產量以及保有量的不斷增加，使能源、環境以及安全等問題成為亟待解決的關鍵問題之一。但是傳統汽車主要選擇金屬作為主要制作材料，該材料可使汽車車身的質量不斷增加，不利于汽車的安全行駛。而碳纖維復合材料的密度較小，且具有優越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優勢，成為汽車產業的關鍵材料。為此本研究利用汽車輕量化技術，在保證汽車安全性能的前提下，盡可能的減輕汽車質量，從而實現降低油耗、減少排放等目的。

1 碳纖維復合材料的特性

碳纖維復合材料憑借無蠕變、耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數小等優勢，使其在密度、剛度、耐化學性等嚴苛環境下皆具有較強的競爭優勢，被廣泛應用于多種領域。

碳纖維復合材料實際上是一種將碳纖維作為該材料的增強體，樹脂、金屬以及陶瓷等材料作為基體的復合材料，所有復合材料均可稱之為碳纖維復合材料。而汽車領域廣泛應用的材料主要以樹脂基碳纖維增強復合材料(CFRP)作為核心，為汽車實現輕量化奠定有力基礎。

傳統汽車在制造過程中采用金屬材料作為主要原材料，該方式使汽車的質量不斷增加，對于汽車的性能可產生不利影響。而碳纖維增強復合材料可使汽車的總質量比使用鋼結構作為主要制造材料減重50%以上，比鋁、鎂合金結構減重30%以上，有利于提升汽車的節能、加速以及制動等性能。除此之外，碳纖維增強復合材料(CFRP)的剛性以及吸能性也高于傳統金屬材料，其碰撞吸能是鋼的6～7倍、鋁的3～4倍，進一步保障汽車的行駛安全。為提升駕駛人員的舒適性，該復合材料的震動阻尼可有效提升整車噪聲、振動以及聲振粗糙度(NVH)性能。而該復合材料集成度高的優勢，使其實現造型自由，對于汽車的零部件數量可大大減少，有利于降低汽車的自身質量以及生產升本；同時，可增強汽車的設計感，各類汽車輕量化材料性能如表1所示。

表1 各類汽車輕量化材料性能比較

1.1 減輕車身質量

碳纖維復合材料憑借自身優勢，可有效減輕汽車車身的總質量，并使汽車功率小于正常需求。為此，對汽車進行制造時，應采用更小的驅動引擎以及懸掛裝置。本研究通過減少動能的方式，為進一步減少汽車的沖擊危險奠定基礎，該方式的最終結果對于汽車的整體質量具有減輕的作用。由此可證明，使用碳纖維復合材料生產的部件替代傳統金屬材料部件，對于實現汽車輕量化具有重要作用，并且汽車的輕量化效果比以往更加明顯。

1.2 設計靈活

通過使用碳纖維復合材料作為汽車部件的原材料，并結合計算機輔助工程(CAE)對汽車進行結構優化，可有效根據汽車的不同結構及用途廣泛的對產品進行設計及加工成型。為實現汽車的最佳輕量化，本研究的設計方案：充分結合汽車實際受力情況，對汽車各部件的纖維結構及排列順序進行調整，使其形成各向異性和不同厚度的碳纖維復合材料部件，并利用三明治夾層結構，對汽車各部件的整體剛性進行提升。

為實現節約生產成本和減輕汽車整體質量的目的，本研究對汽車部件進行制造時，將碳纖維按照實際受力方向進行排布，并充分發揮碳纖維復合材料強度的各向異性。由于部分汽車零部件對于自身耐腐蝕性能的要求較高，在對碳纖維復合材料部件進行生產時，主要選用耐腐性較好的環氧樹脂；而其他性能要求均可通過選擇合適的原材料進行滿足。

在保證汽車基本性能的前提下，為降低汽車碳纖維復合材料部件的成本，使其生產成本可達到最優化程度，應適當選用一些低成本的材料替換碳纖維復合材料。如不同纖維混合鋪層，該材料可充分滿足汽車對輕量化的性能指標需求，并且可有效節省汽車零部件的生產成本及加工費用。

1.3 模塊化設計

當前汽車主要采用模塊化及整體化方式對結構進行設計。而碳纖維復合材料憑借良好的流動性，使汽車在加工制造時，極易制成各種局部不同強度和形狀曲面，并使其一體化成型。該方式可有效減少零部件的數量、裝配成本以及模具費用等，對于汽車的外觀氣動性能具有重要提升作用。采用碳纖維復合材料作為原料對汽車模具進行設計，有利于將不同厚度的部件、凸起部、筋、棱、空等一次性整體化成型；該材料更適用于制造汽車部件中較為復雜的幾何結構，使部件的精度更加準確，其對于汽車的整體性能具有重要提升作用。

1.4 吸能性和減震性

與傳統汽車用金屬材料相比，碳纖維復合材料具有優越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優勢，有利于吸收汽車的沖擊能量，對汽車的安全性具有提升作用。碳纖維復合材料超高的自身頻率及吸收震動能量，使該材料的震動阻尼系數高于金屬材料。因此，在汽車遭受沖擊時，碳纖維復合材料可最大限度的吸收沖擊能量，這有利于提高駕駛人員的安全性。

1.5 耐腐蝕性和耐候性

汽車在持續使用過程中，其零部件將承受機油、汽油、汽車傳動液等化學制劑的腐蝕，還需要承受外界惡劣環境的影響。在不同環境的影響下，可使傳統金屬材料制作的汽車零部件的質量一致性以及使用壽命無法得到保證。通常情況下，碳纖維復合材料制成的汽車零部件不存在生銹及腐蝕問題，并且該材料制成零部件具有耐堿、耐鹽以及耐有機溶劑腐蝕的優勢，是一種優良的耐腐蝕材料。將該材料應用于汽車部件的制造過程中，有利于延長汽車部件的使用壽命并降低汽車的維修費用。

2 碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用

美國能源部門和機構對汽車輕量化進行研究的數據中顯示，汽車整體質量每下降10%，油量的消耗可下降6%～8%，排放可降低5%～6%。此數據可表明，汽車輕量化是當前減少油量消耗及保護環境的有效途徑。

碳纖維復合材料憑借自身多種優勢，被廣泛應用于汽車工業領域，該材料在汽車中的潛在應用比例為：車身結構35%、底盤部件20%、轉向及懸掛系統17%、覆蓋件10%、內飾件18%。

2.1 汽車車身構件

通過上述數據表明，汽車中運用碳纖維復合材料最多的地方應是車身構件。車身構件主要包括引擎蓋、車架、車頂框架以及A/B/C/D立柱等部分，各部分均將碳纖維復合材料作為核心制造材料。將碳纖維復合材料與傳統金屬材料進行對比可知，復合材料的比強度及比剛度明顯高于普通金屬材料。在相同結構強度條件下，采用碳纖維復合材料制作汽車零部件，其質量可減輕50%，對于汽車的動力學性能具有重要提升作用。

2.2 汽車剎車片

碳纖維復合材料具有較多優良特性，主要包括：

(1)其摩擦系數維持在0.35～0.40，具有良好的穩定性及合適性，可保證汽車在制動過程中處于平穩狀態；

(2)該材料的耐熱溫度可高達2 500 ℃，并且具有較強的耐濕熱性及不易老化性，與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料不存在熱損耗問題；

(3)該材料的耐油、耐水以及耐腐蝕等性能，使其成為制造剎車片的理想材料，被廣泛應用于剎車片的制造領域。

2.3 汽車輪轂

輪轂是維持汽車正常運轉的關鍵部件之一，可承受汽車的整體質量以及載重。因此，為保證汽車的穩定運行，應使其具備良好的抗沖擊性、耐久性、耐熱性以及安全性。而碳纖維復合材料可有效滿足輪轂的實際需求，有利于實現汽車輕量化。英國Kahm公司利用碳纖維復合材料制成的RX-X型高級汽車專用輪轂，可充分體現該材料的優勢，其質量僅6 kg，具有高速行駛以及降低車輪徑向慣性力的作用。

2.4 汽車傳動軸

為保證汽車的穩定運行，要求傳動軸應具有良好的傳動能力、耐疲勞性等優勢。而碳纖維復合材料獨特的各向異性、比強度高等特點，將該材料應用于傳動軸中，可將傳動軸的質量減至原來的一半以上。在各項條件均相同的情況下，將該材料與傳統金屬材料相比，其扭矩力可達到鋼材的170%以上。并且碳纖維復合材料的使用，可使汽車傳動軸的耐久性以及耐疲勞性得到顯著提升。

3 碳纖維復合材料在汽車輕量化中的發展趨勢

由于碳纖維復合材料具有多種優勢，在未來發展中，該材料在汽車領域中的應用范圍將不斷擴大，其應用層次也將得到顯著提升，對于汽車輕量化發展具有重要作用。

3.1 由高端車型向普及型汽車發展

碳纖維復合材料在應用之初，存在生產成本過高、制造流程過于復雜等問題，僅將該材料應用于超級跑車以及F1賽車等車輛的生產制造中，其主要原因：此類車輛對于性能的要求較高，且銷售價格超過群眾整體消費水準，不適用于普通群眾購買。隨著碳纖維復合材料的成本逐漸降低、制造工藝逐漸走向成熟，該材料可被應用于各大普及型汽車。

3.2 由次結構件向主結構件發展

對汽車進行構造時，應充分考慮汽車以及駕駛人員的安全性以及制造工藝等問題。因此，碳纖維復合材料僅應用于對性能要求較低的次結構件中，其中次結構件主要包括內飾件、車身覆蓋件等，該方式最終造成碳纖維復合材料的性能過剩，不能充分利用該材料的優勢。隨著成型加工技術以及結構設計方法的不斷進步，該材料被廣泛應用于汽車的主結構件中，可使碳纖維復合材料的綜合性能得到有效利用，其中主結構件主要包括B柱、地板以及輪轂等。

3.3 由單件小批量生產到規模快生產

通常情況下，碳纖維復合材料汽車零部件主要以手工的方式進行單件小批量的生產，該生產模式占據汽車零部件的核心制造過程。但是該方式無法保證碳纖維復合材料零部件的整體質量，并且使汽車零部件的生產成本不斷提升、效率不斷降低。隨著汽車工業領域對碳纖維復合材料零部件的用量不斷增加，應用要求不斷提高，使汽車零部件的生產方式逐漸走向自動化、數字化以及智能化，該方式對于汽車零部件的生產具有推動作用。

4 結語

碳纖維復合材料具有優越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優勢，有利于吸收汽車的沖擊能量，為實現汽車輕量化，將碳纖維復合材料應用于汽車工業領域已成為最有效的途徑之一。碳纖維復合材料超高的自身頻率及吸收震動能量，使該材料的震動阻尼系數高于金屬材料。因此，在汽車遭受沖擊時，碳纖維復合材料可最大限度的吸收沖擊能量，有利于提高駕駛人員的安全性。通過使用碳纖維復合材料作為汽車部件的原材料，并結合計算機輔助工程(CAE)對汽車進行結構優化，可有效根據汽車的不同結構及用途廣泛的對產品進行設計及加工成型，為實現汽車工業領域實現最佳輕量化奠定有力基礎。