碳纖維復合材料在汽車輕量化領域中的應用進展

段文，孔祥鑫

1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春 130046；2.吉林工程技術師范學院數據科學與人工智能學院，吉林長春 130052

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料是一種由碳纖維和樹脂基體組成的一種高強度復合材料。其中，碳纖維骨架作為增強相，具有輕質高強、高熱導、低熱膨脹、耐化學輻射等優良特性，熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為連續相起到連接的作用[1]。研究表明，相比于傳統的金屬材料，碳纖維復合材料在密度、強度、韌性等諸多方面具有明顯的優勢[2-6]，因而在航空航天、風電領域、體育休閑、汽車工業以及建筑材料領域具有廣泛的應用。

隨著世界范圍內對低碳出行和綠色能源達成的共識，我國也將燃油車的節能減排以及新能源汽車的開發作為降低碳排放、改善全球氣候問題的重要舉措。其中，輕量化技術是汽車降低油耗、減少排放，以及新能源汽車提升續航里程的最有效途徑之一。經統計，汽車質量每減少100 kg，可節省燃油0.003～0.005 L/km，減少CO2排放0.08～0.11 g/km，加速性能提升8%～10%，制動距離縮短2～7 m[7]。目前，城市投入使用的12～16 t電動城市客車，其車身每減重100 kg，將降低0.55%的能耗，并提升0.55%的續航里程。另外，減少汽車的質量還可以減輕懸掛系統的負擔，有效地提高舒適性，進而降低對懸掛系統的要求，減少對整車裝備質量需求[8]。雖然碳纖維材料具有較高的輕量化效率，其機械性能和加工性能也完全滿足工業化生產的要求，但受制于材料的成本壓力，與實現大規模應用還存在一定的距離。

1 碳纖維復合材料的優勢

目前來看，碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)用于汽車輕量化的優勢主要體現在以下幾個方面：

(1)碳纖維的比重一般為鋼材的25%，CFRP的抗拉強度可以達到鋼材的7倍以上，抗拉彈性模量也高于鋼材。CFRP的比強度可達到2 000 MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度大約為60 MPa/(g/cm3)，因而其輕量化效果明顯。

(2)碳纖維復合材料是通過碳纖維和樹脂經過復合工藝制成的一種多組分材料。由于樹脂基大多為熱固性或熱塑性材料，與固化劑作用時可形成三維網絡狀結構的固體，之后通過纖維纏繞、拉擠成型、樹脂傳遞模塑、真空導入成型、預浸料模壓、熱壓罐工藝等方式一次成型，大大提高了材料的集成度。因此，能夠有效減少零部件數量。此外，合成模具可設計性好、造型自由，實現流線型曲面的成本比較低。

(3)碳纖維復合材料振動衰減系數大、吸振能力強，能夠達到減少振動、降低噪聲的作用，從而增加乘坐的舒適度。其沖擊吸收性能是金屬的5倍，能夠提高碰撞過程人員安全性，減振性能優異。

(4)碳纖維材料的生產過程已經基本實現了高度的機械化。機器人的大量使用確保了整個生產過程的自動化，人工操作的過程僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產效率、減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低。另外，碳纖維材料的生產方式采用大量的模壓和黏結工藝來代替沖壓和焊接，顛覆了傳統汽車的生產流程，不僅生產安全性得到提高，而且規模化生產成本也在可接受范圍內[9-10]。

2 碳纖維復合材料在燃油車中的應用

一臺總質量約為1.5 t的汽車，其車架質量約為600 kg，占整車質量的40%；發動機和傳動系統均為100 kg左右，占整車質量的8%；內飾、座椅各占5%；其余為各種電器、玻璃、輪轂等裝備。為了滿足汽車輕量化的需求，現有部分廠商已經開始將碳纖維材料應用于不同部位以實現汽車零部件的有效替代。下面將從車身、發動傳動系統、輪轂等方面分別介紹碳纖維材料的應用現狀[11-17]。

2.1 碳纖維材料在車身上的應用

作為占據整車質量高達40%以上的主體部件，車身不僅起到支撐整體結構的作用，還要保證行駛的安全性。因此，良好的車身強度和抗扭剛度是車身材料所必須具備的，同時也需要維持舒適的駕駛體驗。另外，車門部件還要盡量減少車門下垂形變和永久性形變，A、B、C柱與門檻部位則要保證整體結構的力學性能。保險杠部位要有良好的耐沖擊性能[7，18]。

早在2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑車首次在汽車擋板中采用了CFRP，減重18 kg。不久之后，英國的蓮花跑車在車身底座中使用一體成型的CFRP材料，成功替代了16個金屬組件。到了2011年，蘭博基尼推出了Murciélago替代車型，該車采用了全碳纖維復合材料單殼體車身，質量僅為145.5 kg。2014年開始，寶馬分別在i3和i8的車廂主體的Life模塊、第六代7系的部分車身以及全系的A、B、C柱與門檻等部位采用大量的CFRP與鋼或鋁合金組成混合結構，在實現輕量化的同時又能有效保證車輛整體結構的力學性能。與此同時，Volvo的Polestar車型的上邊梁、奔馳SLR跑車的前縱梁、Alfa Remeo 4C的車架結構、引擎蓋也均采用了CFRP部件。梅賽德斯-奔馳SLR跑車上由CFRP材料制成的兩根縱梁可以徹底吸收正面碰撞時產生的能量，從而保證乘客廂的結構基本不受影響，同時，全部由CFRP材料制成的乘客廂，在發生尾部或側面撞擊時也能為車內乘客提供非常可靠的安全空間[19]。

在國內，北京汽車2016年款新型BJ40的發動機罩蓋、車頂蓋均采用碳纖維材料，最終減重50%左右。奇瑞汽車的艾瑞澤7的前橫梁以及覆蓋件、一汽集團的紅旗超跑S9的車身也都采用了碳纖維材料。但是在車輛的主體結構方面還大都停留在概念車或新能源車型上。

2.2 碳纖維材料在發動機及傳動、制動系統上的應用

在車輛的行駛過程中，其發動、傳動以及制動系統往往決定了車輛的整體運動性能。傳統燃油車的發動機在碳纖維材料的替代方面還停留在試驗室階段，僅有2011年比利時Solvay公司開發的CFRP Polimotor四缸發動機缸體，雖然其尚未應用到成品車中，但也為碳纖維材料的應用提供了新思路。除此之外，僅有部分廠家在發動機的零配件部分使用了一定數量的碳纖維替代材料，如上汽榮威的E50車型的引擎蓋和福特部分車型的油箱底殼采用的CFRP復合材料等。

在傳動方面，基于碳纖維材料優良的比強度，很多廠家已經開始采用由CFRP材料制造的傳動軸[20]。福特的野馬載重汽車，采用CFRP可以將原來的2個部件簡化合并成1個傳動軸，與鋼材料相比，減重高達60%～70%；英國GKN技術公司開發的CFRP傳動軸，在減重50%～60%的同時，其抗扭強度比鋼大10倍，彎曲強度大15倍；奧迪Quattro系列、日本尼桑GTR和Fairladyz車型、阿斯頓·馬丁V8 Vantage Coupe車型和Mazda RX-8車型上已大量使用CFRP復合材料制造的傳動軸。在實際應用中還發現，將CFRP材料應用到改裝車的轉動軸上還能夠有效降低轉動軸的質量，增強車輛的耐久性和抗疲勞性。

有關制動方面的應用主要集中在車輛的制動器。傳統的汽車制動器襯片主要由石棉摩擦材料構成，但是這種材料在高溫下會出現摩擦性能的“熱衰退”現象，存在一定的安全隱患，并且在使用過程中會產生對人體有致癌危害的石棉粉塵，因而替代需求強烈。目前，SGL Carbox AG公司生產的一種車用的碳纖維-陶瓷制動盤裝置已經在保時捷918 spider和GT IIS車型中使用，當車速從300 km/h降低到50 km/h時，制動距離不超過50 m。

2.3 碳纖維材料在輪轂與內飾上的應用

汽車輪轂是汽車高速運動的主支撐結構件，輪轂的輕量化不僅能提高機動性能，如制動、啟動加速、轉向等，還能減少響應時間，顯著改善車輛的操控性能。2009年生產的Shelby Ultimate Aero跑車，2012年出廠的保時捷911和2015年初設計的福特新一代野馬Shelby GTR均使用碳纖維輪轂，在實現減重50%左右的同時，還能顯著改善車輛的操控性能。這是因為隨著輪圈的減重，其轉動角動量大約降低40%，在一定程度上起到了間接改善汽車的加速和剎車效能的作用。除此之外，Carbon Revolution公司還為日產的R35 Nissan GT-R跑車量身定制了CFRP全碳纖輪轂，輪轂尺寸為50.80 cm×26.67 cm，質量為8.84 kg，整車綜合動力性能有大幅提升[21]。

另外，對于內飾、座椅等裝飾方面的材料，由于并非是純鋼材的替代，因而在減重方面的效果并不明顯，已知的有ELG公司與CRTC公司合作研制的可回收碳纖維汽車座椅、夾層板，福特研制的由碳纖維和鋼制成的座椅框架，一汽紅旗超跑S9的部分內飾材料以及北汽紳寶D60的前格柵和尾翼等。其使用目的大多是一種彰顯運動與時尚，并作為一種提升車輛科技感的方案。

3 碳纖維復合材料在新能源汽車中的應用

現階段，隨著國家對碳排放政策的實施以及能源危機的加劇，新能源汽車逐漸成為汽車銷售市場上的主力。由于這些新能源汽車沒有燃油發動機，只有電機和電池，因此在材料的選擇上會更注重汽車質量的輕質化和生產的便利性，其主要輕量化方向分為整車車架質量以及儲能裝置兩個方向[22-25]。新能源汽車的質量每減少10%，對應的續航里程大約存在5.5%的提升[26]。碳纖維材料的使用有利于新能源汽車的輕量化，可以有效延長續航里程。

瑞典初創UNITI電動汽車公司新推出的電動車“Smartphone Car”就是一款典型的城市代步新能源車型。該車采用Zolterp X35的CFRP部件制成車身，一次充電可行駛約299 km，30 min充電即可行駛199 km，在實現車身輕量化的同時又不犧牲整車的舒適性、安全性和續航里程。日本Teijjin公司也設計了一款由CFRP車體結構構成的4座概念車，由于采取CFRP材料制成，車體成型只需1 min，且47 kg的車體質量僅為同等鋼制車體結構的1/5。韓國現代公司推出的Intrado燃料電池概念車也秉承了輕量化的設計理念，在全車架、引擎蓋以及側板方面均采用CFRP材料制造，相比傳統鋼板制造的汽車減重高達60%，大大提高了燃油效率，單次補充燃料行駛超過600 km，而且由于車身質量較輕，百公里加速時間低于12 s，同時兼顧了駕駛樂趣以及車輛的實用性。

國內方面，2016年3月上市的奧新e25新能源車也采用了CFRP車身，其百公里耗能低于10 kW·h，續航性能理想。另外，奇瑞也開發了一款CFRP電動車，車身質量僅為218 kg，相較金屬車身減重達48%，并且在抗沖撞性和操控性上均有提高。

新能源汽車的動力結構主要有燃料電池和儲能電池兩個大類，其中氫能源車的儲氫容器以及電動車的電池包都是質量大戶，因而其輕量化方案也大多是基于這兩個方向來考慮的[27]。

在燃料電池方面，Quantum公司為鈴木燃料電池汽車設計制造了一種容量為160 L、工作壓力為70 MPa的CFRP超輕氫燃料壓力容器。該容器能夠以最小的體積和質量為燃料電池提供較高密度的能量，且其快速充放以及滲透率等指標均超過業界同行和政府規定的標準[28]。另外，豐田燃料電池汽車Mirai在其燃料電池反應堆框架上首次使用了CFRP材料，并且能夠適應大規模生產。

在儲能電池方面，2013年左右，沃爾沃基于S80打造出了一種采用新蓄電材料的原型車。該車采用CFRP超級電容器板來替代傳統車輛的各個部位，包括車門、車頂、后備箱蓋等位置，實現整體減重15%。應用車體、車門、車頂材質還能夠靠剎車動能回收系統以及傳統的插電方式來充電。沃爾沃宣稱：僅靠后備箱蓋就有能力為汽車提供足夠的能量，且充電時間也比傳統電池更加快速，同時，這種蓄電材料在充放電時沒有化學反應，因此不會存在蓄電能力下降的問題。另外，William先進工程公司利用可回收碳纖維(RCF)設計制造出整體式電動車底盤FW-EVX部件，創新性地將電池包、冷卻裝置及其輕量化底盤完全集成到一個可擴展平臺上，甚至還能根據需求將驅動電機的外殼也集成到該平臺上。CFRP底盤模壓成型的懸掛橫梁中80%采用了RCF部件，質量只有鍛造合金件的40%。這一集成化設計不僅充分發揮了CFRP部件的設計靈活性，還可以取代其他裝置金屬殼體，減少質量，使電動汽車更集約化、更強、更輕[28]。蔚來公司生產的Nio ES6除了采用碳纖維后地板總成、碳纖維座椅板總成、碳纖維后地板橫梁總成三大部件之外，其電池包上殼體也采用了碳纖維材料，大大減小整車質量。

4 結束語

綜上所述，現階段的碳纖維復合材料雖然已經在不同的汽車配件方面均有比較成熟的應用方案，并且得到了令人矚目的技術革新，但受制于產品較高的價格以及回收方案的不完善，目前仍難以得到大規模應用。受近幾年環境政策以及“碳中和、碳達峰”目標的要求，汽車輕量化已經成為汽車廠商亟須解決的生存性問題，因此，碳纖維增強復合材料也越來越受到汽車廠商的重視。實現碳纖維復合材料在汽車各部位中的廣泛應用，可以更好地滿足汽車的輕量化需求，并在新能源汽車領域取得進一步發展。