碳纖維在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用

據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年我國(guó)汽車(chē)將突破1.5億輛，年耗油量將突破2.5億t。我國(guó)汽車(chē)的二氧化碳（CO2）排放量大約占總排放量10%，再加上其他有害氣體和顆粒物，汽車(chē)與環(huán)境之間的矛盾也在加劇。汽車(chē)質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高約7%。因此，面對(duì)節(jié)能減排和低碳的雙重壓力，汽車(chē)輕量化是解決我國(guó)汽車(chē)環(huán)保方面的有效途徑之一。

目前，汽車(chē)輕量化主要是針對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、車(chē)身及其他附件設(shè)計(jì)，并使用輕質(zhì)材料的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，力學(xué)性能優(yōu)異的碳纖維被寄予厚望。碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量大于90%，具有加工能耗低、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、容易成型等優(yōu)點(diǎn)，其成為汽車(chē)輕量化的理想材料。

一、碳纖維在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用情況

據(jù)美國(guó)相關(guān)咨詢公司發(fā)布的數(shù)據(jù)，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車(chē)中的比例顯著提升。2010～2017年，碳纖維復(fù)合材料年均增長(zhǎng)率將達(dá)到31.5%。預(yù)計(jì)2017年，全球汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料將增長(zhǎng)至7 885t。目前，工廠與一級(jí)供應(yīng)商、碳纖維制造商合作以制造可用的零部件。德國(guó)贏創(chuàng)集團(tuán)與美國(guó)江森自控有限公司、雅各布塑料以及東邦化學(xué)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“東邦”）研發(fā)碳纖維增強(qiáng)塑料材料（CFRP）；荷蘭曇卡草坪集團(tuán)與東麗株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“東麗”）建立供應(yīng)協(xié)議；東麗與戴姆勒股份公司研發(fā)奔馳CFRP部件。

寶馬集團(tuán)與碳纖維生產(chǎn)商西格里集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“西格里”）投資1億歐元對(duì)位于美國(guó)摩西湖的工廠進(jìn)行擴(kuò)建，碳纖維產(chǎn)量由3 000t/a提高到6 000t/a。該項(xiàng)目生產(chǎn)的碳纖維將用于滿足寶馬i系列電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，同時(shí)應(yīng)用于2014年底上市的寶馬7系車(chē)上，以減輕新型寶馬自重并降低CO2的排放量。

目前，國(guó)外汽車(chē)?yán)锰祭w維減重的案例已有不少。美國(guó)道奇蝰蛇和 2014款雪佛蘭科爾維特使用碳纖維材料生產(chǎn)了發(fā)動(dòng)機(jī)罩和其他部位，其中科爾維特計(jì)劃實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)量2萬(wàn)輛/年。日本帝人公司計(jì)劃2016年提高其全球碳纖維產(chǎn)能至36%，達(dá)到18 900t，同時(shí)擴(kuò)大美國(guó)田納西州工廠的產(chǎn)能，以滿足豐田汽車(chē)公司和通用汽車(chē)公司的需求；德國(guó)大眾高爾夫7使用碳纖維車(chē)頂，可減重18～20磅；寶馬7系采用碳纖維材質(zhì)后比老款減重230kg。2014年12月2日，寶馬宣布與美國(guó)波音航空公司展開(kāi)合作，共同開(kāi)發(fā)碳纖維材料技術(shù)應(yīng)用于新型汽車(chē)和飛行器。

二、碳纖維汽車(chē)的輕量化

碳纖維汽車(chē)的輕量化通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零部件的輕質(zhì)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括3個(gè)方面：一是在滿足性能的前提下，減輕車(chē)身骨架及車(chē)身質(zhì)量；二是在相同的使用性能情況下，主要功能部件縮小尺寸；三是采取變化的運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。下文重點(diǎn)介紹碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)門(mén)、座艙、制動(dòng)片、燃料儲(chǔ)罐、座椅、傳動(dòng)軸和輪轂等方面的應(yīng)用（見(jiàn)圖1）。

1.汽車(chē)車(chē)身

由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，是作為汽車(chē)覆蓋件的理想非金屬材料，既可以減輕車(chē)重，又能夠保持防撞性能。此外，加工的零部件整合、模塊化，安裝成本低且投資小，可以很好的解決傳統(tǒng)車(chē)身噴涂和環(huán)保處理等成本。

預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)質(zhì)量減輕50%。英國(guó)材料實(shí)驗(yàn)室研究表明，碳纖維增強(qiáng)材料車(chē)身重172kg，而鋼制車(chē)身為368kg。新發(fā)布的寶馬i3新能源汽車(chē)通過(guò)采用輕質(zhì)的碳纖維材料，使整車(chē)質(zhì)量減輕50%多，大大提高了能源利用和駕駛性能。

寶馬i3的碳纖維座艙是由寶馬與西格里碳纖維公司以高度自動(dòng)化方式生產(chǎn)的部件，碳纖維座艙的質(zhì)量減少了50%。美國(guó)CSP公司（Continental Structural Plastics Inc.）開(kāi)發(fā)了雙層材料的發(fā)動(dòng)機(jī)罩，外表面采用輕量化增強(qiáng)纖維鍍膜板，結(jié)構(gòu)面板采用碳纖維增強(qiáng)材料鍍膜板，這款雙層發(fā)動(dòng)機(jī)罩減重幅度達(dá)35%。2014年1月，日本豐田Mark XG Sport車(chē)型安裝了碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩后，比采用此前鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩減輕了6kg的質(zhì)量。

2.制動(dòng)器襯片

汽車(chē)制動(dòng)器襯片主要使用石棉摩擦材料，制動(dòng)時(shí)易摩擦產(chǎn)生高溫出現(xiàn)性能的“熱衰退”，而且產(chǎn)生的石棉粉塵有致癌危害。碳纖維復(fù)合材料以比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐磨等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用在剎車(chē)片上，成為很好的石棉替代品。

碳纖維制動(dòng)盤(pán)能夠在50m內(nèi)將車(chē)速度由300km/h降低到50km/h，制動(dòng)盤(pán)的溫度達(dá)到900℃以上，碳纖維制動(dòng)盤(pán)可以承受的高溫達(dá)2 500℃，且制動(dòng)穩(wěn)定性好。西格里公司已經(jīng)在生產(chǎn)碳纖維-陶瓷制動(dòng)盤(pán)裝置，應(yīng)用于Porsche AG、911 Turbo GT和GT IIS車(chē)型。

3.燃料貯罐

燃料儲(chǔ)罐要求質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，可以多次使用，碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了壓力容器的輕量化。CNGV儲(chǔ)氣瓶，壓力高達(dá)20MPa，使用壽命15年以上，化工行業(yè)用的槽車(chē)以及便攜式的空氣罐在消防、潛水等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。四川新萬(wàn)興碳纖維復(fù)合材料公司年產(chǎn)2.4萬(wàn)只復(fù)合材料氣瓶。據(jù)預(yù)計(jì)，隨著電池汽車(chē)的普及，2020年日本將有500萬(wàn)臺(tái)汽車(chē)使用燃料電池。沃爾沃研發(fā)S80新蓄電材料電動(dòng)車(chē)，這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹(shù)脂聚合物構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)的電池以及電容，美國(guó)福特也開(kāi)始使用氫燃料電池，氫燃料電池在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用將迅速上漲。

4.座椅加熱墊

全球汽車(chē)制造商高檔汽車(chē)都配備座椅加熱裝置，碳纖維加熱座椅裝置利用碳纖維加熱技術(shù)替代傳統(tǒng)的座椅加熱系統(tǒng)。碳纖維作為熱效率達(dá)96%的導(dǎo)熱材料，均勻密布于加熱墊中，既確保熱量座椅均勻受熱，又保證了加熱墊使用壽命。

5.傳動(dòng)軸

汽車(chē)傳動(dòng)軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受很大的扭矩，考慮到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對(duì)較低等特性，以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代金屬產(chǎn)品。碳纖維傳動(dòng)軸不僅減輕了60%的質(zhì)量，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。

The Driveshaft Shop為豐田86開(kāi)發(fā)了碳纖傳動(dòng)軸，能為其提供響應(yīng)更加迅速的動(dòng)力傳動(dòng)效果。傳動(dòng)軸的主體采用高強(qiáng)度的碳纖維材質(zhì)構(gòu)成，配合碳纖軸主體，整根傳動(dòng)軸的質(zhì)量?jī)H5.53kg，足足減少了一半。The Driveshaft Shop碳纖傳動(dòng)軸最大可承受的馬力極限為800hp。英國(guó)GNK公司研發(fā)了碳纖維傳動(dòng)軸，應(yīng)用于Renault Espace Quadra、Toyota Mark Ⅱ、Audi 80/90 Quattro、Audi A4和A8 Quattros等車(chē)型；美國(guó)摩里遜公司采用Zoltek公司的碳纖維，生產(chǎn)傳動(dòng)軸60萬(wàn)根/a。此外，阿斯頓馬丁DB8、V8、V12，馬自達(dá)RX-8，越野MMC Pagero，奔馳歐翼SLS AMG使用日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維汽車(chē)傳動(dòng)軸約90萬(wàn)只。

6.輪轂

輪轂的輕量化可以減輕簧下質(zhì)量，讓輪胎滾動(dòng)高效地發(fā)揮，在轉(zhuǎn)向和操控等方面進(jìn)一步提升車(chē)型的性能。

1972年，米其林開(kāi)始研發(fā)新材料輪轂；2008年日本W(wǎng)eds Sports公司第一次使用了碳纖維輪轂。澳大利亞Carbon Revolution公司在2009年推出了全碳纖維CR-9輪轂，應(yīng)用于Shelby Ultimate Aero上；德國(guó)輪轂廠商采取兩片式設(shè)計(jì)，碳纖維材質(zhì)外環(huán)、合金內(nèi)轂和不銹鋼制的螺絲，比相同直徑的傳統(tǒng)輪轂減重約40%。英國(guó)Kahm公司高級(jí)汽車(chē)專(zhuān)用車(chē)輪，使用CFRP制得的RX-X型質(zhì)量?jī)H為6kg，可最大限度地降低車(chē)輪的徑向慣性力；英國(guó)DYMAG公司開(kāi)發(fā)的碳纖維/鎂車(chē)輪，使用鍍鈦的硬件連接。寶馬在未來(lái)2年內(nèi)將推出全碳纖維輪轂產(chǎn)品，比現(xiàn)有的合金輪轂減重35%。

三、碳纖維在汽車(chē)輕量化方面的優(yōu)勢(shì)

1.可塑性

碳纖維復(fù)合材料具有良好的可塑性，可加工各種零部件，也可以制成一體式的整體結(jié)構(gòu)。鐵制的汽車(chē)座位需要焊接50～60個(gè)部件，若設(shè)計(jì)成整體成型碳纖維復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)一次加工成型，不僅加工時(shí)間短，而且精度有保證。

具有效率高、成本低、綠色等優(yōu)點(diǎn)碳纖維復(fù)合材料制造方法——樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成型（RTM）技術(shù)的應(yīng)用，大幅降低加工成型時(shí)間，將傳統(tǒng)成型的幾天時(shí)間縮短為幾分鐘。寶馬公司已使用了快速固化的RTM樹(shù)脂，用于M3和M6成型車(chē)的碳纖維復(fù)合材料的車(chē)頂；而奧迪公司使用5min固化的環(huán)氧樹(shù)脂05475和環(huán)氧固化劑05443環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)，2min固化的環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)正在試驗(yàn)階段；帝人公司開(kāi)發(fā)了60s預(yù)浸料壓制成型的碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)工藝。

2.安全性

碳纖維復(fù)合材料比金屬材料有更高的剛性和抗沖擊性能。在汽車(chē)設(shè)計(jì)的時(shí)候，減重的同時(shí)需要考慮部件的受力情況，保證質(zhì)量降低而剛性也依然存在。在碰撞過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料吸收能量的能力是鋼4～5倍（見(jiàn)圖2）。碰撞的結(jié)果與材料、部件的結(jié)構(gòu)有非常密切的關(guān)聯(lián)，復(fù)合材料部件與車(chē)身連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否可靠，受沖擊的位置和方式都對(duì)破壞結(jié)構(gòu)有影響。通過(guò)材料、工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由碳纖維編織而成的汽車(chē)前端框架和保險(xiǎn)杠骨架等部件，在正面碰撞時(shí)吸收大量的能量，進(jìn)而可以有效保證汽車(chē)的安全性。

3.燃油經(jīng)濟(jì)性

面對(duì)低碳和節(jié)能減排的雙重壓力，汽車(chē)輕量化作為節(jié)能減排目標(biāo)的有效途徑，各國(guó)都在節(jié)能減排方面努力。汽車(chē)質(zhì)量每降低10%，燃油效率可提高約7%，整車(chē)減少300kg時(shí)，燃油效率了提高36%，CO2排放可減少約17%。

四、應(yīng)用及展望

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用能夠滿足汽車(chē)減重、高強(qiáng)度和減振降噪的功能性要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊化、高效生產(chǎn)，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)成本的降低。碳纖維復(fù)合材料的大量應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，碳纖維的價(jià)格需要進(jìn)一步降低，隨著國(guó)產(chǎn)纖維產(chǎn)量和質(zhì)量逐步提高，低成本碳纖維在量產(chǎn)汽車(chē)?yán)锏膽?yīng)用比例將逐步擴(kuò)大。

應(yīng)用范圍的拓展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)門(mén)、座艙、制動(dòng)片、燃料儲(chǔ)罐、座椅、傳動(dòng)軸和輪轂等方面，但從碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)部件的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料將取代金屬用于汽車(chē)其他結(jié)構(gòu)中。

成型工藝的發(fā)展。除了采用低成本的原/輔材料，開(kāi)發(fā)汽車(chē)部件的碳纖維復(fù)合材料是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)汽車(chē)部件的種類(lèi)，采用不同的復(fù)合材料成型工藝，如樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體的成型，自動(dòng)化加工技術(shù)的應(yīng)用、零部件的整合等，應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大將推動(dòng)復(fù)材成型工藝技術(shù)的進(jìn)步。

碳纖維材料逐漸得到了汽車(chē)行業(yè)的青睞，成為未來(lái)汽車(chē)材料發(fā)展的主流，需求量不斷增加，前景廣闊。我國(guó)應(yīng)加快對(duì)碳纖維的研發(fā)，提高性能、降低成本，使我國(guó)碳纖維工業(yè)的發(fā)展能夠滿足汽車(chē)等行業(yè)發(fā)展的需求。