碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)中的應(yīng)用

張立侃

（河北紅星汽車制造有限公司 054007t)

碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)中的應(yīng)用

張立侃

（河北紅星汽車制造有限公司 054007t)

近幾年來，隨著低碳環(huán)保意識(shí)、高新技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是當(dāng)前汽車輕量化的發(fā)展環(huán)境中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）憑借其超強(qiáng)韌性、能量吸收性能、輕柔性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕與耐高溫等特性，成為了當(dāng)下新能源汽車產(chǎn)業(yè)的原材料首選，在新能源汽車上的應(yīng)用日漸普及。本文將對(duì)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）所具有的特性、及其在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用情況進(jìn)行了深入探討，力求為碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的未來運(yùn)用提供一定的參考。

碳纖維復(fù)合材料；新能源；汽車行業(yè)；應(yīng)用

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，低碳節(jié)能、高效低成本已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)市場競爭的必然選擇，低碳環(huán)保、節(jié)能減排也是當(dāng)前政府非常重視與強(qiáng)調(diào)的，尤其是工業(yè)生產(chǎn)與汽車產(chǎn)業(yè)。在政府、社會(huì)相關(guān)宣傳與個(gè)人環(huán)保意識(shí)不斷提升的推動(dòng)下，新能源汽車等相關(guān)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新與發(fā)展，為新型低成本三維復(fù)合材料帶來發(fā)展契機(jī)。碳纖維復(fù)合材料不僅具有良好的性能，諸如：超強(qiáng)韌性、能量吸收性能、輕柔性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕與耐高溫等，在提升電動(dòng)汽車性能方面具有不可替代作用，還能降低電動(dòng)汽車車身的總體成本，非常有利于新能源汽車贏得消費(fèi)者的青睞并搶占更多的市場份額。碳纖維復(fù)合材料在汽車車身中的運(yùn)用已經(jīng)成為世界各國爭相發(fā)展的一門關(guān)鍵技術(shù)，尤其是具有成熟汽車產(chǎn)業(yè)市場的歐美國家與日本，這些國家各大車廠在進(jìn)行汽車生產(chǎn)的過程中都大量選用了碳纖維材料，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)、降低汽車車身生產(chǎn)成本以及提高汽車性能的目標(biāo)。

本文將深入探討碳纖維復(fù)合材料的特性及其在新能源汽車行業(yè)運(yùn)用現(xiàn)狀，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)中的運(yùn)用實(shí)例，分析碳纖維復(fù)合材料所具有的優(yōu)勢，展望碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)中的運(yùn)用前景。

1 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）介紹

1.1 碳纖維復(fù)合材料概念

碳纖維（carbon fi ber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料[1]。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的結(jié)構(gòu)材料簡稱碳纖維復(fù)合材料。

1.2 碳纖維復(fù)合材料的特征

（1）超強(qiáng)抗拉彈性

碳纖維復(fù)合材料具有超強(qiáng)抗拉彈性，通常情況下高于3 500 MPa，這種強(qiáng)度是鋼鐵的7倍。另外，不但抗拉彈性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼，其比模量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼。

（2）耐高溫、耐腐蝕

相較于其他的材料而言，CFRP具有輕量化、剛強(qiáng)、柔韌性外，還具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等超強(qiáng)性能。除此之外，獨(dú)特的碳結(jié)構(gòu)讓其擁有大面積的整體成型特征，同時(shí)，它還擁有良好的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)可塑造性，正是這些獨(dú)有的特征讓其可以在車輕量化實(shí)現(xiàn)線性增長[2]。

（3）能量吸收性能優(yōu)越

優(yōu)越的能量吸收性能是CFRP材料在新能源汽車中被廣泛運(yùn)用的主要原因。CFRP材料是同類的鋼質(zhì)零部件質(zhì)量的一半不到，是同類鋁制零部件質(zhì)量的70%左右，質(zhì)量輕，還能抵抗更大的沖擊，足見CFRP材料的優(yōu)越性。

1.3 碳纖維復(fù)合材料發(fā)展歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始，CFRP材料開始受到世界各國相關(guān)研究人員的關(guān)注。在國內(nèi)的發(fā)展起步相對(duì)較晚，但是經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，當(dāng)下國內(nèi)市場上已形成了一個(gè)比較完善的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈，碳纖維復(fù)合材料被廣泛運(yùn)用到航空航天、汽車生產(chǎn)制造等行業(yè)。但由于CFRP材料價(jià)格較高，使得其在零部件上運(yùn)用量不多，大部分是運(yùn)用在輔料上，而不是主料上。另外，當(dāng)前我國的CFRP材料研發(fā)能力有限，大部分的CFRP材料過于依賴進(jìn)口。而相較于一般的常規(guī)材料而言，零部件的自動(dòng)化、全體化、集成化可以實(shí)現(xiàn)減輕成品重量、降低車身設(shè)計(jì)成本、壓縮制造成本等車身制造目標(biāo)，上述的三種優(yōu)化比例可高達(dá)15%～30%。因此，提高運(yùn)用CFRP材料的技術(shù)水平，對(duì)我國制造行業(yè)以及航天航空行業(yè)的快速發(fā)展具有不可忽視的重要作用。

2 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用現(xiàn)狀

2.1 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)運(yùn)用的必然性

任何事物的興起與沒落都是有道理的，是時(shí)代發(fā)展的結(jié)果。當(dāng)前，面對(duì)人類生存空間環(huán)境的不斷惡化，世界各國開始強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排與低碳生產(chǎn)，對(duì)于汽車行業(yè)來說，主要是致力于開發(fā)清潔能源汽車，碳纖維復(fù)合材料成為車用材料輕量化的主要目標(biāo)。早在2009年，我國科研院所開始致力于碳纖維電動(dòng)車的相關(guān)研究，經(jīng)過8年的發(fā)展，取得了明顯的研究成效。而在國外，碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)運(yùn)用也得到了極大的重視。2010年，德國奔馳公司與日本碳纖維生產(chǎn)商?hào)|麗公司（TORAY）展開復(fù)合材料與新能源汽車的資源整合，共同投資建廠生產(chǎn)碳纖維汽車部件。2013年，德國寶馬汽車公司就開始瞄準(zhǔn)碳纖維電動(dòng)汽車的開發(fā)，投資了將近5億歐元進(jìn)行電動(dòng)汽車車身的開發(fā)與設(shè)計(jì)，成功將“全球首款量產(chǎn)全碳纖維車體汽車”推出市場，并在市場上取得了巨大的反響。此外，該公司還與德國碳纖維生產(chǎn)商SGL集團(tuán)進(jìn)行資源整合與開發(fā)，共同投資，在美國設(shè)立專門的碳纖維紗線生產(chǎn)基地。

近幾年來，在政府的各種宏觀調(diào)控政策的引導(dǎo)與規(guī)范下，新能源汽車的生產(chǎn)與制造更偏向于選擇CFRP材料，這樣才能符合政府所制定相關(guān)政策法規(guī)的要求，諸如：車輛燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)、二氧化碳排放法規(guī)等。各國對(duì)汽車的規(guī)范、要求各不相同，都是根據(jù)自身國家的實(shí)際情況進(jìn)行擬定，并落實(shí)與實(shí)施。例如，美國提高了對(duì)乘用車的車身重量、燃料效率等方面的要求，將乘用車的燃料效率要求提高到4.32 L/100 km，這是常規(guī)的、典型的乘用車所難以實(shí)現(xiàn)的，促使汽車生產(chǎn)企業(yè)紛紛加入到削減車身重量的隊(duì)伍中去。這也大大推動(dòng)企業(yè)對(duì)具備超強(qiáng)穩(wěn)定性、抗腐蝕性、耐高溫性以及高能量吸收性能的CFRP材料的選用。由此可見，碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)運(yùn)用即是時(shí)代選擇的結(jié)果，也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

2.2 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用現(xiàn)狀

新能源汽車的可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)與GFRP材料在汽車中的應(yīng)用目標(biāo)是一致的，主要體現(xiàn)在低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及社會(huì)效益高。GFRP材料在汽車中的應(yīng)用歷史不是很久，但是發(fā)展的速度卻是極為迅猛的。對(duì)比國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用，可以發(fā)現(xiàn)國外企業(yè)在GFRP材料的六十多年發(fā)展歷程中已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)較為成熟的體系，而我國GFRP材料在新能源汽車行業(yè)的運(yùn)用仍處于初級(jí)階段，GFRP材料的自主創(chuàng)新能力薄弱，高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口[3]。下面通過實(shí)例來探討碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)中的運(yùn)用情況。

（1）中國

目前，從我國汽車行業(yè)的市場發(fā)展情況來看，中國汽車工業(yè)已經(jīng)從動(dòng)態(tài)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)逐漸轉(zhuǎn)入穩(wěn)健的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，增加企業(yè)的研發(fā)能力與創(chuàng)新能力，降本增效是當(dāng)前我國自主汽車企業(yè)搶占市場份額的主要手段[4]。奇瑞、長城、江淮、長安等國內(nèi)車企近兩年都非常重視新能源汽車的開發(fā)。2014年，奇瑞汽車率先在北京市場推出了新能源汽車，這是一款由奇瑞和中國科學(xué)院聯(lián)合打造的新能源汽車產(chǎn)品，由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的車型非常的流暢與人性化。另外，長城自主研發(fā)了一款純電動(dòng)跑車——長城華冠EVENT，這款跑車采用了較多的GFRP材料，削減電動(dòng)車的質(zhì)量，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的設(shè)計(jì)訴求。GFRP材料的使用也保證了產(chǎn)品的安全性、抗暴力等指標(biāo)。

（2）德國

相較于全球其他國家的新能源汽車行業(yè)，德國的新能源汽車行業(yè)發(fā)展較快，汽車車身重量的管理與控制情況比較良好，諸如：德國寶馬的i3純電動(dòng)汽車。車身的構(gòu)造非常穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了重量、質(zhì)量的反比增長，其車身重量是傳統(tǒng)電動(dòng)車的50%～70%，具有更好的底盤。寶馬全新X7系列從整體車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，切入輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與質(zhì)量分布，實(shí)現(xiàn)了全面的“瘦身”。

（3）日本

日本是一個(gè)非常強(qiáng)調(diào)高新技術(shù)與文化傳承的國家，這點(diǎn)極大地推動(dòng)了新能源汽車行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展。例如，東麗CFRP材料單體車身構(gòu)造為中空構(gòu)造一體成型，重量在鋼制EV車體的50%以下，總重量僅為45 kg，提高了汽車的各種性能，很好的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，推動(dòng)了該公司新能源汽車的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

縱覽當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)與新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，可以發(fā)現(xiàn)，CFRP材料在新能源汽車中的廣泛運(yùn)用是一種必然結(jié)果，也是新能源汽車企業(yè)進(jìn)行汽車生產(chǎn)與制造的必然選擇。未來，隨著節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保理念的不斷推廣，再加上新能源技術(shù)的開發(fā)與運(yùn)用，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在新能源汽車行業(yè)中的運(yùn)用范圍與運(yùn)用比例將會(huì)有很大程度上的提升，朝著經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性方向發(fā)展。

[1]蔣鼎豐.低成本碳纖維復(fù)合材料是新能源汽車輕量化的重要選擇[J].汽車制造業(yè),2013：57-57.

[2]宋燕利, 楊龍, 郭巍, 華林.面向汽車輕量化應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào),2016,30(17)：16-25.

[3]侯雅男.碳纖維復(fù)合材料特性及其在汽車單體殼上的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2016,3(6)：1293-1295.

[4]黃碩, 王亮, 陳超.我國碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用趨勢和建議[J].中國材料科技與設(shè)備, 2015(3)：59-62.

U465.6文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

張立侃（1989—），男，助理工程師，本科，研究方向?yàn)樾履茉雌噧?nèi)外飾新型材料的性能及應(yīng)用。