碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

馮瑞華

碳纖維在國際上被譽(yù)為“黑色黃金”，它不僅具有碳材料固有的本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性。碳纖維從原絲到成品需要經(jīng)過預(yù)氧化、高溫碳化、石墨化、表面處理等諸多工藝。碳纖維優(yōu)點(diǎn)之一就是質(zhì)量輕，這種材料應(yīng)用在汽車上帶來最直觀的改變就是整車質(zhì)量的減輕，在動(dòng)力系統(tǒng)不變的前提下，減重的車身會(huì)帶來更出色的加速感受，相對于扔掉空調(diào)、音響等配置的減重方法，碳纖維材料的應(yīng)用在保留舒適配置的同時(shí)達(dá)到了更好的效果。因此，國外一些國家的政府機(jī)構(gòu)還出臺(tái)了碳纖維的研發(fā)政策和計(jì)劃，以促進(jìn)其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

一、國外政策與計(jì)劃

美國能源部（DOE）、汽車復(fù)合材料聯(lián)盟（ACC）、美國國家科學(xué)基金會(huì)等致力于碳纖維材料及其復(fù)合材料的低成本研發(fā)和商業(yè)化。美國DOE開展的“輕量化材料項(xiàng)目”和“電動(dòng)汽車項(xiàng)目”等與碳纖維密切相關(guān)。DOE輕量化材料項(xiàng)目由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室具體負(fù)責(zé)項(xiàng)目的實(shí)施和研發(fā)，其中低成本碳纖維計(jì)劃包括以下4個(gè)研究課題：①來自可再生資源的低成本碳纖維；②低成本碳纖維制備計(jì)劃；③應(yīng)用于汽車復(fù)合材料的低成本碳纖維；④碳纖維微波輔助制造技術(shù)。低成本碳纖維制備計(jì)劃的目標(biāo)是把高性能碳纖維價(jià)格降低到3美元/磅。DOE電動(dòng)汽車項(xiàng)目開始于2009年10月，輕量化材料是該項(xiàng)目的重要技術(shù)之一。太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)聚合物復(fù)合材料的開發(fā)，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)聚合物復(fù)合材料和低成本碳纖維的開發(fā)。2011年8月，DOE宣布在未來3～5年投資1.75億美元用于加快先進(jìn)汽車技術(shù)的開發(fā)和部署。這些資金將支持整個(gè)汽車的創(chuàng)新，包括碳纖維等輕質(zhì)材料，研發(fā)的目標(biāo)是更好的燃料和潤滑油、輕質(zhì)材料、更持久和更便宜的電動(dòng)汽車電池和組件、更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。2012年8月，美國能源部部長朱棣文宣布7個(gè)新的項(xiàng)目，以加快用于下一代美國制造的轎車和卡車的更輕更堅(jiān)固材料的開發(fā)和部署，新的投資主要支持碳纖維復(fù)合材料及先進(jìn)鋼材性能的創(chuàng)新。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）早在2003年實(shí)施了“汽車輕量化碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料開發(fā)”（2003-2007）項(xiàng)目，總投資達(dá)到9.7億日元。主要研發(fā)課題包括超高速樹脂傳遞模塑成型（RTM）技術(shù)，主要指超高速硬化成型樹脂、立體成型造型技術(shù)、高速樹脂含浸成型技術(shù)等；汽車用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）聯(lián)結(jié)技術(shù)的開發(fā)；車身安全設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)；基于生命周期評價(jià)再生利用技術(shù)等。開發(fā)目標(biāo)是與正在使用的汽車用軟鋼鋼板相比，自重減半，安全性能提高50%的CFRP車身結(jié)構(gòu)；研發(fā)汽車成型時(shí)間在10min以內(nèi)，低成本、可大量生產(chǎn)的制造技術(shù)。2013年10月，日本帝人公司自主開發(fā)的采用熱塑性樹脂的新型碳纖維復(fù)合材料“Sereebo”首次用于實(shí)際產(chǎn)品，“Sereebo”是利用熱塑性樹脂新開發(fā)而成材料制成的碳纖維復(fù)合材料，由3種碳纖維長度及排列方向各不相同的中間體材料制造而成。這些材料可隨意進(jìn)行組合。除了強(qiáng)度高和質(zhì)量輕等特點(diǎn)之外，還實(shí)現(xiàn)了成型時(shí)間為1min的劃時(shí)代生產(chǎn)速度，將大幅加快量產(chǎn)型汽車等工業(yè)產(chǎn)品的輕量化進(jìn)程。

歐盟高性能復(fù)合材料技術(shù)研究項(xiàng)目（HIVOCOMP）旨在將先進(jìn)材料應(yīng)用于大型交通工具的輕型結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)件中，項(xiàng)目得到歐盟FP7 NMP-2009-2.5-1的資助，已于2010年10月啟動(dòng)，為期4年。該項(xiàng)目2011年研發(fā)重點(diǎn)是碳纖維復(fù)合材料的批量生產(chǎn)，滿足大規(guī)模生產(chǎn)汽車的應(yīng)用。HIVOCOMP項(xiàng)目聚集了全球領(lǐng)先的汽車制造商、材料科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家和專家。項(xiàng)目合作伙伴包括歐洲3大汽車原始設(shè)備制造商大眾、戴姆勒、菲亞特，行李箱制造商新秀麗，復(fù)合材料及應(yīng)用供應(yīng)商亨斯邁聚氨酯、德國本特勒-西格里、荷蘭Airborne composite、ESI集團(tuán)、德國Propex Fabrics等，以及歐洲的魯汶大學(xué)、利茲大學(xué)、佩魯賈大學(xué)、慕尼黑技術(shù)大學(xué)、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等大學(xué)，構(gòu)成了歐洲復(fù)合材料的前沿研究領(lǐng)域。

2013年11月，我國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《加快推進(jìn)碳纖維行業(yè)發(fā)展的行動(dòng)計(jì)劃》。該計(jì)劃提出，未來3年我國要初步建立碳纖維及復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系，碳纖維及復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用初具市場規(guī)模；到2020年，我國要形成各種規(guī)格齊全的碳纖維品種，基本滿足國防科技工業(yè)和民用工業(yè)等對碳纖維及復(fù)合材料制品的需求，初步形成2～3家在國際占有一席之地的碳纖維大型生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)，若干具有完善產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新能力強(qiáng)的碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集群。

二、碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

由于CFRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸成為汽車輕量化首選的最理想材料。利用CFRP制作車身和底盤構(gòu)件取代鋼材，汽車質(zhì)量可減輕68%，油耗下降40%。利用CFRP制造的板簧等零件，具有模量大、強(qiáng)度高、減磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，比現(xiàn)在所用材質(zhì)可減輕76%。但由于CFRP的成本太高，CFRP零部件還沒有實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。專家推測，只有當(dāng)碳纖維降到6.611美元/kg時(shí)，CFRP才有可能在汽車工業(yè)中推廣應(yīng)用。但寶馬公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維電動(dòng)車i3的量產(chǎn)，以下主要從碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用角度進(jìn)行分析。

1.碳纖維電動(dòng)車BMW i3案例分析

BMW i3是寶馬公司第一款綜合了環(huán)保技術(shù)以及功能性創(chuàng)新的量產(chǎn)車，屬于純電動(dòng)車，目前已經(jīng)達(dá)到了每天100輛的生產(chǎn)速度。更引人注目的是BMW i3的全新車身結(jié)構(gòu)，采用的是CFRP車艙和鋁合金底盤，因此質(zhì)量比傳統(tǒng)電動(dòng)車輕了300kg左右。BMW i3主要碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件包括車身框架、碳纖維車頂、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、底盤部分等。碳纖維是眾所周知的輕量化、高強(qiáng)度材質(zhì)，用在電動(dòng)車上能抵消蓄電池給車身帶來的額外質(zhì)量，在降低車重的同時(shí)，延長了車輛的續(xù)航里程，并提高了車輛的駕駛操控性的和安全性。BMW i3電動(dòng)車的EU標(biāo)準(zhǔn)下的整車質(zhì)量僅有1 270kg，這與一臺(tái)普通小型車相近，大量使用的碳纖維材質(zhì)功不可沒。BMW i3主要碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件包括車身框架（圖1）、碳纖維車頂（圖2）、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和底盤部分（圖3）等。

碳纖維材質(zhì)的優(yōu)勢不言而喻，但是至今尚不能全面推廣也有其原因。一方面是造價(jià)昂貴，生產(chǎn)周期長，為了解決這一問題，寶馬集團(tuán)與其合作的材料供應(yīng)商SGL集團(tuán)共同努力，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，加快了加工流程并保證了產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，碳纖維在碰撞受損后的維修非常困難，為此寶馬對BMW i3車身的碳纖維結(jié)構(gòu)的修復(fù)也做了專門考慮，針對側(cè)架已限定了多個(gè)修理部分，同時(shí)還可以完整地更換整個(gè)側(cè)架，一定程度上降低了修復(fù)的難度和費(fèi)用。

2.BMW i3主要碳纖維結(jié)構(gòu)部件的制造

制造碳纖維電動(dòng)車BMW i3的碳纖維原絲實(shí)際上最初來自日本歐泰克，屬于碳纖維制造商日本三菱麗陽和德國西格里集團(tuán)2010年合資成立的公司，公司名稱為“MRC-SGL原絲有限公司”（MSP），主要生產(chǎn)制造汽車所需的聚丙烯腈（PAN）碳纖維原絲。PAN碳纖維原絲被送到西格里集團(tuán)與寶馬集團(tuán)的合資公司西格里汽車碳纖維有限責(zé)任公司（SGL-ACF）進(jìn)行加工。該公司位于美國摩西湖，可利用這里相對廉價(jià)的水力發(fā)電，專門為寶馬公司提供碳纖維制品，目前有兩個(gè)生產(chǎn)線可生產(chǎn)50K大絲束，產(chǎn)能為3 000t/a。摩西湖出產(chǎn)的碳纖維粗紗又被送到SGL-ACF在德國的瓦爾斯多夫（Wackersdorf）工廠，加工轉(zhuǎn)換成可裁剪、疊加的碳纖維面料，為樹脂傳遞成型（RTM）成型做準(zhǔn)備。德國瓦爾斯多夫工廠生產(chǎn)的碳纖維面料又被送到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造中心，完成碳纖維軟性板材（類似坐墊、地毯）（圖4）的制造。然后按預(yù)成型模具的形狀進(jìn)行加工，再利用超聲波切割機(jī)切割成所需的形狀（圖5）。切割后再進(jìn)行高壓樹脂傳遞成型（HP-RTM）（圖6）。萊比錫工廠擁有7臺(tái)3 000t德國Schuler液壓機(jī)，每臺(tái)配備2個(gè)Krauss-Maffei注射設(shè)備。樹脂基體采用瑞士亨斯邁先進(jìn)材料公司的環(huán)氧樹脂LY3585和固化劑XB3458，注入壓強(qiáng)大于4MPa，碳纖維部件制備時(shí)間不超過10min。

BMW i3的車體，僅需150個(gè)元件便可組成，且全部組件，都透過BMW獨(dú)家專利的全自動(dòng)制程，以機(jī)械手臂精密地以1.5mm間隙黏接在一起。碳纖維電動(dòng)車駕乘座艙模塊（Life Module）的16個(gè)碳纖維RTM部件使用陶氏汽車公司的BETAFORCE聚氨酯基膠粘劑結(jié)合在一起（圖7）。該膠粘劑由寶馬公司與陶氏汽車系統(tǒng)公司聯(lián)合開發(fā)，擁有快速硬化的特性，僅僅需要幾秒鐘的時(shí)間，膠粘劑就能夠發(fā)揮作用。膠粘劑應(yīng)用和部件操縱都是自動(dòng)化的，配備了173個(gè)ABB機(jī)器人。該模塊隨后還要和金屬硬件、屋頂板、玻璃等組件組合，然后再加入i3的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行組裝（圖8）。碳纖維電動(dòng)車BMW i3駕乘座艙模塊在德國的2個(gè)工廠萊比錫和蘭茨胡特生產(chǎn)制作。寶馬萊比錫工廠于2005年開業(yè)，是BWM i3的主要制造業(yè)中心，為生產(chǎn)BWM i3的投入4億歐元，主要生產(chǎn)BMW i3的駕乘座艙模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和模塊集成；蘭茨胡特工廠主要提供某些補(bǔ)充組件的生產(chǎn)，并使用相同的工藝流程和設(shè)備。

三、結(jié)語

碳纖維終端產(chǎn)品碳纖維復(fù)合材料的細(xì)分市場，促使碳纖維企業(yè)與終端產(chǎn)品企業(yè)聯(lián)手開辟新的商業(yè)模式。美國通過苛刻的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，使得全球大型汽車制造商開始聯(lián)合碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，研發(fā)普通汽車廣泛適用的碳纖維復(fù)合材料輕量化車身技術(shù)。福特汽車與陶氏化學(xué)公司合作探索碳纖維復(fù)合材料大批量應(yīng)用于主流車型；通用汽車與日本帝人聯(lián)合開發(fā)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件；寶馬與德國西格里集團(tuán)合資生產(chǎn)電動(dòng)車和混合動(dòng)力車用碳纖維復(fù)合材料；奧迪與福伊特聯(lián)手致力于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的工業(yè)化量產(chǎn)；德戴姆勒和日本東麗合資建廠生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料。世界大型汽車制造商已開始聯(lián)合碳纖維生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)適用于汽車輕量化的碳纖維復(fù)合材料，使得碳纖維在汽車工業(yè)中的應(yīng)用將不僅僅停留在示范階段，而是旨在突破碳纖維零部件的工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于普通汽車上，而不是只應(yīng)用于高端汽車上。一些國外政府出臺(tái)政策或提供資助，推動(dòng)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)與碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用企業(yè)間的合作，促進(jìn)輕量化碳纖維復(fù)合材料在更多工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)常態(tài)化應(yīng)用。