碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

趙艷榮，胡 平，梁繼才，張文杰

（1.大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧省大連市 116024；2.聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東省聊城市 252059；3.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京市 102500）

碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

趙艷榮1,2，胡 平1，梁繼才1，張文杰3

（1.大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧省大連市 116024；2.聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東省聊城市 252059；3.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京市 102500）

節(jié)能減排是當(dāng)前汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問題，采用碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料使汽車輕量化是一個(gè)有效的解決辦法。介紹了碳纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀，從材料、設(shè)計(jì)和成型工藝3個(gè)方面分析了其在國內(nèi)汽車工業(yè)應(yīng)用中的問題，提出了促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的發(fā)展建議，并展望了其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景。

碳纖維復(fù)合材料 汽車工業(yè) 輕量化

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，世界各國的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，如何在保證安全性和動(dòng)力性的前提下降低油耗和減少排放是目前汽車工業(yè)迫切需要解決的問題。采用各種輕質(zhì)材料取代金屬等傳統(tǒng)材料，使汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料憑借輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、抗振性能好、抗疲勞、耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]越來越受到汽車工業(yè)的重視，在汽車中的應(yīng)用也越來越多。碳纖維及其復(fù)合材料是支撐國家高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，經(jīng)過40多年的積累與發(fā)展，我國碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)擁有眾多突破性進(jìn)展，但在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)落后于航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域[2]。因此有必要分析碳纖維復(fù)合材料在我國汽車工業(yè)應(yīng)用中存在的問題，提出合理的發(fā)展對(duì)策，以適應(yīng)汽車工業(yè)對(duì)材料發(fā)展的迫切需求。

1 碳纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和使用優(yōu)勢

碳纖維復(fù)合材料是由增強(qiáng)材料碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)材料，其中碳纖維樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度與密度之比）、比模量（彈性模量與密度之比）綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，也是應(yīng)用最廣的一類復(fù)合材料。

與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有許多優(yōu)良性能，應(yīng)用于汽車上有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：1）密度小，強(qiáng)度高，CFRP在常用材料中比強(qiáng)度和比模量最高，用于車身及底盤能在減輕車重的同時(shí)不損失強(qiáng)度或剛度，汽車安全系數(shù)不降低。2）韌性好，具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力，用于車身及其結(jié)構(gòu)件具有良好的碰撞安全性。3）阻尼高，抗振性能好，用于車身、傳動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)部件具有良好的減振、隔音效果，提高了乘坐舒適性。4）抗疲勞性能極佳，用于承受疲勞載荷的汽車零部件能有效延長其使用壽命。5）優(yōu)秀的耐熱性、抗腐蝕與抗輻射性能，在電動(dòng)汽車和其他新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用具有很強(qiáng)的競爭力。6）成型工藝多，可設(shè)計(jì)性好，易于實(shí)現(xiàn)零部件一體化生產(chǎn)，極大縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。

2 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料用于汽車部件上不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，而且在安全性與乘用舒適性等方面也有很大提高，因此越來越受到汽車工業(yè)的重視，很多汽車制造商生產(chǎn)的高檔、豪華轎車（如通用、寶馬、大眾、奔馳、福特、奧迪、本田、日產(chǎn)等）幾乎都開始試用或已經(jīng)采用了各種碳纖維復(fù)合材料[3]。

1）碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車車身、底盤及承力部件，在保證安全性的同時(shí)具有十分明顯的減重效果。英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（MSL）的研究結(jié)果表明（見圖1），在各種材料制造的車身中碳纖維復(fù)合材料是最輕的，尤其是與鋼制車身相比，輕量化效果達(dá)53%以上[4]。

圖1 各種材料車身質(zhì)量對(duì)比Fig.1 Quality comparison of car body made of various materials

美國通用汽車公司1992年展出了由碳纖維復(fù)合材料制造車身的超輕概念車，車身質(zhì)量為191.0 kg，整車質(zhì)量降低68%，節(jié)油40%[5]。蘭博基尼汽車2011年推出了Murciélago替代車型，該車采用了全碳纖維復(fù)合材料單殼體車身，質(zhì)量僅有145.5 kg[5]。目前，碳纖維復(fù)合材料制成的車身結(jié)構(gòu)件已在德國寶馬公司開發(fā)的Z-9和Z-22系列中大量采用。德國大眾汽車公司的“2L車”CC1研究項(xiàng)目，碳纖維復(fù)合材料用于車身的比例高達(dá)45%[6]。通用汽車公司采用碳纖維復(fù)合材料制成的Chevrolet Corvette Z06紀(jì)念版轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，質(zhì)量僅9.3 kg[4]。福特和保時(shí)捷的發(fā)動(dòng)機(jī)罩也全部采用了碳纖維復(fù)合材料，在安全性不降低的前提下獲得了極高的輕量化效果。

2003年，戴姆勒克萊斯勒公司研制的Dodge Viper跑車采用了碳纖維復(fù)合材料制造的擋板支架系統(tǒng)，每個(gè)支架質(zhì)量僅1.93 kg，4個(gè)復(fù)合部件總重6.1 kg，與金屬擋板支架系統(tǒng)相比，質(zhì)量減輕了18 kg，剛度提高了22%[4]。此外，作為輕質(zhì)高強(qiáng)材料，碳纖維復(fù)合材料也可應(yīng)用在高強(qiáng)度承力結(jié)構(gòu)件上，如碳纖維承重架、減振彈簧葉片等。用碳纖維復(fù)合材料制造的板簧僅重14 kg，比鋼制的輕76%[7]。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告，汽車質(zhì)量每減少10%，油耗可降低6%～8%，排放減少5%～6%，每降低消耗1 L燃油，將減少2.45 kg的CO2排放量[8]，可見在汽車上使用碳纖維復(fù)合材料，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能環(huán)保的作用非常明顯。

2）碳纖維復(fù)合材料具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力，用于車身及其結(jié)構(gòu)件具有良好的碰撞安全性。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量僅有鋼的50%左右，在碰撞時(shí)吸收能量的能力卻是鋼或鋁的4～5倍，使汽車碰撞安全性顯著提高。如碳纖維復(fù)合材料制成的兩根縱梁應(yīng)用于梅賽德斯-奔馳SLR跑車，可以徹底吸收正面碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量，以保證乘客廂的結(jié)構(gòu)基本不受影響，而全部由碳纖維復(fù)合材料制成的乘客廂，在發(fā)生尾部或側(cè)面撞擊時(shí)為車內(nèi)乘客提供了非常可靠的安全空間[4]。

3）碳纖維復(fù)合材料振動(dòng)衰減系數(shù)大，吸振能力強(qiáng)，用于傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)部件，不僅能減輕車的質(zhì)量，還可以減少振動(dòng)、降低噪聲，從而增加乘坐舒適度[2]。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車型上已大量使用了碳纖維復(fù)合材料制造的傳動(dòng)軸[1]?；谔祭w維復(fù)合材料在可靠性、耐久性和強(qiáng)度等方面的優(yōu)點(diǎn)，日本近年開始在制造汽車渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪時(shí)用其替代鋁合金，將葉輪質(zhì)量降低48%，從而使轉(zhuǎn)子慣量降低，加速性能提高，極大縮短渦輪增壓器的響應(yīng)滯后，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，大幅提高了碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，為在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料提供了很好的借鑒[4]。

4）與金屬材料相比，采用碳纖維復(fù)合材料制造車身可以省去復(fù)雜的金屬模具、沖壓、焊接及噴涂投資，綜合生產(chǎn)成本要降低很多。根據(jù)MSL的研究成果，在一定產(chǎn)量之內(nèi)的汽車（低于2萬輛），使用樹脂傳遞模塑成型（RTM）生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料車身比金屬工藝的車身綜合成本低，說明了小批量生產(chǎn)時(shí)碳纖維復(fù)合材料用于車身的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢（見圖2），因此其在未來環(huán)保車型的開發(fā)中具有較強(qiáng)的競爭力和良好的社會(huì)效益[4]。

圖2 不同生產(chǎn)批量情況下各種材料車身生產(chǎn)成本對(duì)比Fig.2 Production cost comparison of car body made of various materials in different production batches

3 碳纖維復(fù)合材料在我國汽車工業(yè)應(yīng)用中存在的問題

經(jīng)過40多年的研究和發(fā)展，我國已基本具備設(shè)計(jì)、制造碳纖維復(fù)合材料制品的能力和條件。但與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、選材及制造工藝等方面均缺乏經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，未能形成規(guī)?；a(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用不僅落后于歐美和日本，也遠(yuǎn)落后于我國航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域。

3.1 材料

目前我國車用碳纖維復(fù)合材料存在的問題主要有：一是國產(chǎn)碳纖維基礎(chǔ)研究工作薄弱造成原絲質(zhì)量不高、性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品規(guī)格和品種少、價(jià)格高、難以進(jìn)行表面處理，目前還無法大批量生產(chǎn)。二是樹脂基體的性能和質(zhì)量不高、產(chǎn)品系列不全，產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小[9]。三是碳纖維的高價(jià)格、低產(chǎn)量和樹脂基體的小規(guī)模生產(chǎn)導(dǎo)致了碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格比較高，從而部件制品的成本也較高。四是連接困難。碳纖維復(fù)合材料與金屬部件的連接以及碳纖維復(fù)合材料部件間的連接，可以用機(jī)械連接、黏接或者兩者并用[10]。僅靠黏接很難滿足功能件的連接需求，采用機(jī)械連接（螺栓連接或鉚接）又會(huì)影響制品的強(qiáng)度[11]。五是回收利用難。目前國外有很多碳纖維復(fù)合材料的回收利用技術(shù)，如粉碎回填法、焚燒能量回收法和纖維分離法等[11]，但在我國還沒有大規(guī)?；厥绽玫某墒彀咐?。

3.2 設(shè)計(jì)

材料和結(jié)構(gòu)是碳纖維復(fù)合材料同時(shí)具有的特性，是材料與結(jié)構(gòu)的“復(fù)合體”，這在宏觀、微觀、細(xì)觀等多種尺度水平上增加了設(shè)計(jì)自由度，并且其材料成型與結(jié)構(gòu)成型是同時(shí)完成的[5]。設(shè)計(jì)包括計(jì)算分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等是碳纖維復(fù)合材料技術(shù)中非常重要的方面之一，國外碳纖維復(fù)合材料汽車設(shè)計(jì)已走向規(guī)范化和成熟化，但國內(nèi)在這方面差距很大[12]。目前，國內(nèi)缺乏專有的設(shè)計(jì)分析軟件和材料性能數(shù)據(jù)庫，也缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。部分汽車承力部件采用碳纖維復(fù)合材料需要借鑒國外汽車的設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)不同工況載荷進(jìn)行應(yīng)力分析和碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特性。

3.3 成型工藝

汽車生產(chǎn)具有量大面廣的特點(diǎn)，對(duì)成本和生產(chǎn)效率的要求很高。據(jù)知，復(fù)合材料制件的總成本中，材料成本只占20%左右，制造成本占了70%～80%[12]。雖然現(xiàn)有的復(fù)合材料工藝原則上均可用到汽車工業(yè)，但考慮到成本和效率因素，對(duì)于車用碳纖維復(fù)合材料應(yīng)著重發(fā)展低成本快速成型方法（如RTM、罐外熱壓成型、纖維纏繞成型和拉擠成型等）。國內(nèi)復(fù)合材料低成本成型技術(shù)發(fā)展起步較晚，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品品種和產(chǎn)業(yè)規(guī)模均有待提高。對(duì)于某些關(guān)鍵成型技術(shù)（如RTM及高壓RTM、罐外熱壓成型等高效成型工藝），我國與歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比還有一定差距。

4 促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在汽車上廣泛應(yīng)用的對(duì)策

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車工業(yè)的前景十分廣闊，為促進(jìn)其在我國汽車工業(yè)的廣泛應(yīng)用，提出以下發(fā)展建議。

首先，以提高碳纖維原絲質(zhì)量、降低價(jià)格為目標(biāo)，集中科研力量進(jìn)行技術(shù)和質(zhì)量攻關(guān)，在引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，強(qiáng)化碳纖維的自主研發(fā)能力，克服壁壘，努力將碳纖維價(jià)格由14～30美元/kg降到10美元/kg左右，為制造高性能低成本的碳纖維復(fù)合材料提供原料支持。

其次，建立以科研院所技術(shù)力量為支持、企業(yè)積極參與的碳纖維和樹脂基體研發(fā)基地，根據(jù)市場需求進(jìn)行品種開發(fā)，形成碳纖維和樹脂基體的產(chǎn)品系列，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，與車用碳纖維復(fù)合材料制造形成產(chǎn)業(yè)鏈，以滿足汽車工業(yè)大規(guī)模的產(chǎn)品需要。

第三，低成本的核心是低成本的制造技術(shù)，要加快發(fā)展高效低成本的碳纖維復(fù)合材料整體化成型技術(shù)，包括RTM及高壓RTM、罐外熱壓成型、拉擠成型、纖維纏繞成型等；同時(shí)大力發(fā)展碳纖維復(fù)合材料機(jī)械化及自動(dòng)化制造技術(shù)，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行更新改造和引進(jìn)，形成規(guī)?；a(chǎn)能力，以滿足汽車工業(yè)低成本的生產(chǎn)要求。

第四，加強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)建設(shè)，學(xué)習(xí)和借鑒國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究車用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新概念、新方法，發(fā)展或引進(jìn)相關(guān)的設(shè)計(jì)分析軟件，建立碳纖維復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)庫，建立和完善相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，發(fā)展將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬方法與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的智能化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證系統(tǒng)，為碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

第五，擴(kuò)大對(duì)碳纖維復(fù)合材料的投入領(lǐng)域，碳纖維及其復(fù)合材料是多學(xué)科和多技術(shù)集成的高新技術(shù)產(chǎn)品，開發(fā)其在汽車工業(yè)的應(yīng)用需要汽車工業(yè)和材料工業(yè)共同的合作與投入。鑒于碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良性能，今后在汽車工業(yè)的應(yīng)用必將持續(xù)增長，國家要發(fā)揮總體規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)和集中調(diào)控作用，建立科研機(jī)構(gòu)、原材料制造商、成型加工商、最終產(chǎn)品制造商的協(xié)作，共同推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用。

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，使用碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料使汽車輕量化已成為汽車工業(yè)的共識(shí)。尤其是在車身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，可使車質(zhì)量降低超過30%。正是由于碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良性能和輕量化對(duì)汽車工業(yè)的深刻影響，隨著碳纖維價(jià)格的不斷降低和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展成熟，碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料將會(huì)逐漸取代金屬材料，成為車用材料的主力軍。

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Application of carbon fiber composites in the automotive industry

Zhao Yanrong1,2, Hu Ping1,Liang Jicai1,Zhang Wenjie3

（1．School of Automotive Engineering，Dalian University of Technology, Dalian 116024 China; 2.School of Mechanical & Automotive Engineering,Liaocheng University, Liaocheng 252059, China; 3.Beijing Yanshan Branch, SINOPEC, Beijing 102500, China）

Energy conservation and emission reduction are two urgent problems to be solved in the sustainable development of automotive industry, an effective solution is to use carbon fiber composites and other light materials to make automobile lightweight. Performance characteristics and application status in the automotive industry of carbon fiber composites are introduced, application problems in the domestic automotive industry are analyzed from three aspects of material, design and forming process, some development suggestions are put forward and application prospect in the automotive industry is forecasted.

carbon fiber composite; automotive industry; lightweight

TQ 327

A

1002-1396（2015）05-0095

2015-03-29；

2015-07-01。

趙艷榮，女，1979年，碩士，講師，大連理工大學(xué)在讀博士，研究方向車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕質(zhì)材料。聯(lián)系電話：13356257001；E-mail：85458416@qq.com。

*通信聯(lián)系人。E-mail：pinghu@dlut.edu.cn。