碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用概述

李志虎，賽影輝，王志超，張 寧，秦玉林

碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用概述

李志虎，賽影輝，王志超，張 寧，秦玉林

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

碳纖維復(fù)合材料具有密度小、模量高、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)異的輕量化材料之一。為探尋碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用趨勢，文章對近幾年碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)外汽車上的應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)雖然碳纖維復(fù)合材料輕量化效果極佳，但存在成本較高、工藝復(fù)雜、效率低下等諸多問題，現(xiàn)階段還主要應(yīng)用于國內(nèi)外的高端車型。由于碳纖維復(fù)合材料具有炫麗的外觀，深受年輕人喜歡，以“運(yùn)動套件”的形式開發(fā)碳纖維復(fù)合材料外飾件，是未來碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的主要增長點(diǎn)。

碳纖維復(fù)合材料；車身骨架；覆蓋件；外飾件

碳纖維復(fù)合材料是以樹脂、金屬及陶瓷等為基體，以碳纖維為增強(qiáng)體，采用先進(jìn)復(fù)合材料成型方法制備的高性能復(fù)合材料。其中汽車用碳纖維復(fù)合材料通常以樹脂基碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP）為主[1]。CFRP具有密度小、模量高、比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是繼高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合金、工程塑料之后減重效果尤為顯著的輕質(zhì)材料之一。因此，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、休閑體育、軍事等領(lǐng)域[2]。

近幾年，隨著地球環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，“節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)”已在全球范圍內(nèi)形成高度的共識。汽車輕量化可有效降低能源消耗，減少尾氣排放。由于新能源汽車電池的比能量相對于液體燃料差距甚大，因此，其輕量化更為重要和迫切[4]。CFRP作為一種優(yōu)異的輕質(zhì)材料，還具有耐高溫、耐腐蝕、減震等性能，其產(chǎn)品具有炫酷的外觀。因此，越來越受到汽車工程師的青睞。為了推進(jìn)CFRP在汽車上的應(yīng)用，近幾年許多高校、企業(yè)也都開展了CFRP在汽車上的應(yīng)用研究[3-5]。

1 CFRP在車身骨架上的應(yīng)用

由于密度小、模量及比強(qiáng)度高，CFRP往往適合于大型結(jié)構(gòu)件的輕量化應(yīng)用。作為整車質(zhì)量貢獻(xiàn)最大的系統(tǒng)，車身骨架是CFRP輕量化最主要的對象，也是CFRP最早應(yīng)用的地方。通用汽車公司早在1992年就開發(fā)了CFRP超輕車身骨架結(jié)構(gòu)概念車，寶馬公司2013年上市的i3車身采用CFRP乘員艙，從而引發(fā)CFRP應(yīng)用研究熱潮。自此，CFRP在車身骨架上的應(yīng)用，逐漸由超級跑車向豪華車、新能源汽車等拓展。寶馬i3乘員艙共計由34個CFRP零件組成，其中13個零件采用整體成型（包含48個預(yù)成型體），實(shí)現(xiàn)了高度的集成化，如圖1所示。以i3 側(cè)面車身為例，共分成9個預(yù)成型體，再將9個預(yù)成型體通過樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Moulding, RTM）技術(shù)，組成側(cè)面車身內(nèi)外板[6]。

寶馬i8、寶馬7系、雷克薩斯LFA、蘭博基尼AventadorLP700-4車身骨架結(jié)構(gòu)件采用了大量的CFRP部件，奧迪A8的車身后座背板也采用CFRP。另外，奔馳、福特、豐田等國外主流車企，均有CFRP在車身骨架結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究和車型發(fā)布。

圖1 寶馬i3 CFRP乘員艙示意圖

輕量化是整車開發(fā)的主要目標(biāo)之一，目前車型零部件的減重工作受到行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。CFRP在車身骨架上的應(yīng)用，減重百公斤左右（寶馬i3 CFRP乘員艙僅有148 kg，比鋼制車身輕57.6%，減重約200 kg），對所有的車型設(shè)計來說，都具有極大的吸引力。但由于CFRP成本較高，普通車型開發(fā)往往難以承受高昂的成本。

由于CFRP成本較高，工藝復(fù)雜、效率低，且在連接、電化學(xué)腐蝕、耐久變形等諸多關(guān)鍵技術(shù)上還未完全攻克，因此，國內(nèi)目前尚無一體式CFRP車身骨架的量產(chǎn)應(yīng)用案例。長安汽車開發(fā)了一款一體式CFRP車身骨架，是目前國內(nèi)唯一的全碳車身骨架，該項(xiàng)目目前還處于開發(fā)驗(yàn)證階段，如圖2所示。另外奇瑞開發(fā)的CFRP地板進(jìn)行了整車試裝；眾泰開發(fā)的CFRP天窗加強(qiáng)板、頂蓋前頂梁、B柱中部支撐板、門檻外板、縱梁外板、中央通道加強(qiáng)板、翼子板等，已進(jìn)行整車集成，但這些均處于開發(fā)驗(yàn)證階段，并無量產(chǎn)計劃。

圖2 長安開發(fā)的CFRP一體化車身骨架

雖然國內(nèi)主要主機(jī)廠都有CFRP車身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用研究，但基本是多處開花，鮮有結(jié)果。目前國內(nèi)量產(chǎn)的CFRP車身結(jié)構(gòu)件的代表車型僅有蔚來ES6、沃爾沃極星1等少數(shù)車型，其他車型尚未見量產(chǎn)報道。蔚來ES6量產(chǎn)CFRP件為后地板總成、座椅板總成、后地板橫梁總成（三個總成共4個碳纖維件），如圖3所示。沃爾沃極星1共有25個CFRP部件，除機(jī)蓋總成、左/右翼子板、左/右車門總成、尾翼、前唇等車身覆蓋件、外飾件外，另外包含左/右/中通道加強(qiáng)梁、A/C橫梁、側(cè)圍內(nèi)/外板總成等多個車身結(jié)構(gòu)件。

CFRP車身結(jié)構(gòu)件，不僅成本高、技術(shù)難度也大，目前主要是高端品牌有量產(chǎn)應(yīng)用，雖然國內(nèi)外有大量的應(yīng)用研究，但目前還主要以技術(shù)積累為主。國內(nèi)CFRP在車身骨架結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，還主要是以品牌宣傳為主，借CFRP提升車型品牌的影響力。

2 CFRP在車身覆蓋件及內(nèi)外飾的應(yīng)用

CFRP在國外車型外覆蓋件上的應(yīng)用更為廣泛，特別是對于定位比較高的豪華車型。CFRP成本較高，因此，其覆蓋件往往是以高配選裝，或改裝的運(yùn)動套件方式應(yīng)用。CFRP運(yùn)動套件的范圍比較廣，主要是覆蓋件及外飾件，包括前艙蓋、進(jìn)氣格柵、車燈裝飾框、前唇、側(cè)裙、后視鏡、車門亮條、后擾流、尾翼等等。如寶馬、奧迪、奔馳、雷克薩斯、蘭博基尼等品牌的高端車型，除自己開發(fā)的CFRP覆蓋件及內(nèi)外飾件外，市場上還有專門的CFRP件改裝。

CFRP同樣是國內(nèi)車身覆蓋件及外飾件的應(yīng)用研究熱點(diǎn)。國內(nèi)基本所有主機(jī)廠都有CFRP在車身覆蓋件及外飾上的應(yīng)用研究，且應(yīng)用呈上升的趨勢。近幾年開發(fā)及應(yīng)用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型有前途K50、吉利領(lǐng)克03+/05+、沃爾沃極星1、長城WEY VV7、上汽名爵MG6等，另外路特斯等車型已經(jīng)在量產(chǎn)開發(fā)中。表1為近幾年開發(fā)及應(yīng)用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型。

前途 K50是2018年上市的一款純電跑車，是國內(nèi)唯一采用“全碳”車身覆蓋件（包括外飾件）的車型，全車共有29個CFRP零部件，除前后保險杠、側(cè)裙之外的全車其他29個覆蓋件均為 CFRP材料，總質(zhì)量僅46.7 kg，比傳統(tǒng)金屬零部件減重40%以上[7]。

對于CFRP在覆蓋件及外飾上的應(yīng)用，國內(nèi)車型多數(shù)是以“運(yùn)動套件”為宣傳亮點(diǎn)，主要以高配選裝的方式進(jìn)行開發(fā)。另外，受國外車型售后改裝的影響，國內(nèi)也有大量外飾件售后CFRP改裝的需求。

表1 應(yīng)用CFRP車身覆蓋件及外飾件的主要車型

對于內(nèi)飾件，鑒于碳纖維亮麗的外觀，能給整車帶來絢麗的風(fēng)格，但多數(shù)車型是通過貼碳纖維膜的形式，對內(nèi)飾進(jìn)行改裝和宣傳。這主要是因?yàn)槠噧?nèi)飾件主要采用聚丙烯（Polypro- pylene, PP）類塑料，CFRP在輕量化方面并無突出的優(yōu)勢，相反還會帶來成本的暴漲，因此，通常采用成本較低的貼膜方式。

3 CFRP在底盤系統(tǒng)的應(yīng)用

底盤零部件大多屬于“簧下質(zhì)量”，其輕量化對整車性能的提升更為明顯[8]。但底盤零部件所處環(huán)境惡劣，且多屬于運(yùn)動件，對耐久、疲勞、腐蝕等可靠性能要求更高。CFRP在底盤件上所受到的挑戰(zhàn)，往往比在車身結(jié)構(gòu)件上更大。因此，無論是在國內(nèi)，還是國外，CFRP在底盤件上的應(yīng)用難度都極高。目前底盤上CFRP應(yīng)用研究的零部件主要有傳動軸、副車架、控制臂、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、彈簧等。

傳動軸是汽車傳動系中傳遞動力的重要部件，它的作用是與變速箱、驅(qū)動橋一起將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動力。傳統(tǒng)的汽車傳動軸主要采用金屬材料，如優(yōu)質(zhì)碳素合金鋼40Cr、30CrMo、42CrMo等。使用CFRP代替原金屬材料制備的傳動軸，可在滿足傳動軸高強(qiáng)度、剛度和疲勞等要求外，實(shí)現(xiàn)大幅減重，并通過提高抗振性能、減少噪聲等實(shí)現(xiàn)降低傳動系統(tǒng)能量損失及整車重量。

碳纖維復(fù)合材料汽車傳動軸已在19世紀(jì)80年代通用汽車的載重汽車上得以應(yīng)用，與鋼材相比質(zhì)量減輕60%。隨著技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備的不斷更新提高，碳纖維復(fù)合材料傳動軸的生產(chǎn)及應(yīng)用也在趨于規(guī)?；?。英國GNK公司研發(fā)了碳纖維傳動軸并廣泛應(yīng)用于Audi A4等車型；日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維傳動軸已廣泛應(yīng)用于本田、寶馬、馬自達(dá)、奔馳等車企[9-10]，如圖4所示。

圖4 寶馬M3和本田謳歌CFRP傳動軸

副車架是車身與懸架連接的一個中間緩沖體，傳統(tǒng)的副車架大多是由鋼板經(jīng)過沖壓、焊接而成。隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，近幾年逐漸向鋁合金副車架轉(zhuǎn)變。CFRP復(fù)合材料副車架，相對于鋁合金副車架，還有進(jìn)一步的減重空間。福特和麥格納合作開發(fā)的CFRP副車架，應(yīng)用在復(fù)合蒙迪歐上面，替代了傳統(tǒng)副車架45%的鋼制零部件，減重達(dá)34%左右[11]，如圖5所示。

控制臂有前控制臂和下控制臂等，其中前控制臂是懸架的向?qū)Ш椭危渥冃斡绊戃囕喌亩ㄎ?，降低行車穩(wěn)定性；下控制臂用來支撐車身，減振并緩沖行駛中的振動?？刂票郾倔w由通過板材沖壓成型的上臂體與下臂體扣合焊接而成，使控制臂本體內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，目前控制臂常用的材料為 QSTE420TM、SAPH440等熱軋結(jié)構(gòu)鋼。最近幾年的新車型開發(fā)過程中，輕量化鋁合金控制臂逐漸成為首選。相對來說，CFRP控制臂并不成熟，但由于其優(yōu)異的輕量化減重空間，也進(jìn)入了大量高校及主機(jī)廠的應(yīng)用研究范疇。德國弗勞恩霍夫研究所開發(fā)了一種由碳纖維增強(qiáng)聚合物制成的輕量化控制臂，該控制臂與傳統(tǒng)金屬設(shè)計的控制臂相比質(zhì)量減輕了35%，質(zhì)量僅為2.1 kg[12]，如圖6所示。蔡茂等通過計算機(jī)輔助工程（Compu- ter Aided Engineering, CAE）分析，設(shè)計出的碳纖維復(fù)合材料控制臂，在剛度、強(qiáng)度等滿足要求的同時，比鋼制結(jié)構(gòu)的控制臂減重45%以上[13]。

由于碳纖維材料價格較貴，碳纖維零部件設(shè)計技術(shù)要求較高，目前除雪佛蘭轎跑C7有應(yīng)用報道外，還未見其他車型的量產(chǎn)應(yīng)用或相關(guān)計劃，國內(nèi)CFRP在底盤系統(tǒng)應(yīng)用仍處于預(yù)研階段。

圖6 弗勞恩霍夫開發(fā)的控制臂和雪佛蘭C7控制臂

另外，國內(nèi)外都有CFRP穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、彈簧等底盤件的研究，但尚未見量產(chǎn)應(yīng)用。其中連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的板簧、螺旋彈簧已經(jīng)在量產(chǎn)車型上應(yīng)用，但CFRP的板簧、螺旋彈簧還僅在研究中。

4 CFRP在汽車上的應(yīng)用趨勢

縱觀近年來CFRP在國內(nèi)外汽車上的應(yīng)用研究，可以發(fā)現(xiàn)輕量化是CFRP在汽車上應(yīng)用的主要驅(qū)動力之一。但高昂的成本、高難度的開發(fā)技術(shù)等，并非一般企業(yè)所能駕馭。因此，雖然CFRP在車身骨架、覆蓋件、底盤件上有極好的輕量化效果，但也只有少數(shù)高端豪華車型有應(yīng)用。國內(nèi)少數(shù)車型開發(fā)CFRP車身骨架件、覆蓋件等，更多的是為了品牌提升和宣傳，而不僅僅是為了其帶來的輕量化效果。

碳纖維產(chǎn)品亮麗的外觀，是其應(yīng)用更直接的原因。CFRP在汽車外飾零部件上的應(yīng)用，直接給人以科技、動感、豪華的感覺，同時輔以“運(yùn)動、時尚”的元素，可以更容易吸引年輕人。這也是近幾年CFRP大量以“運(yùn)動套件”的形式，被許多主機(jī)廠進(jìn)行開發(fā)和宣傳。同時在售后，一些車型的外飾件，大量以“運(yùn)動套件”的形式投入市場。

2021年的上海車展也恰好印證了這種發(fā)展趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，本屆車展共展示了14款CFRP零部件的車型，其中9款車型以外飾“運(yùn)動套件”進(jìn)行宣傳，約占80%以上。碳纖維車身（包括全碳車身和覆蓋件），共6款車型，約占46%。另外4款車型展示了CFRP內(nèi)飾件，2款車型裝備了碳纖維輪轂，如表2所示。

表2 2021年上海車展裝備CFRP零部件的車型

5 CFRP在汽車應(yīng)用上面臨的問題

CFRP具有密度小、模量高、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是汽車輕量化的理想材料，這基本是汽車界的共識。但近幾年CFRP在汽車上的應(yīng)用發(fā)展卻比較緩慢，主要是因?yàn)镃FRP的應(yīng)用還面臨著諸多的問題。

首先是CFRP的成本一直較高。在碳纖維原絲方面，常用的碳纖維預(yù)浸料基本都在100元/kg以上。表3為常用的碳纖維預(yù)浸料（CFRP原材料）及車身用鋼材的價格比較，可以看出，碳纖維預(yù)浸料的成本是鋼材的15倍以上，雖然CFRP的使用，能實(shí)現(xiàn)減重約40%，但總體來說，原材料成本遠(yuǎn)超現(xiàn)有鋼材。

另外，CFRP制品的工藝復(fù)雜，且各工位很難實(shí)現(xiàn)自動化，需要大量的人力，且效率較低?？傮w來說，CFRP制品原材料成本高、工藝復(fù)雜、人工成本高，且消耗大量的動能，導(dǎo)致綜合成本極高，基本達(dá)到原有金屬件的10倍以上，因此，CFRP零部件在國內(nèi)外汽車上仍難大批量的應(yīng)用。

表3 常用的碳纖維預(yù)浸料及車身用鋼材的價格

工藝效率低下是CFRP難以大面積推廣應(yīng)用的另外一個原因。以傳統(tǒng)的金屬沖壓件為例，一般為鈑金裁切-沖壓成型-包裝，工藝相對簡單。但是CFRP零部件則相對比較復(fù)雜，如圖7所示。

圖7 常見的CFRP零部件成型工藝過程圖

圖7中的各分步工藝，難以做到自動化成型，主要靠人工完成。以鋪層為例，傳統(tǒng)的手工鋪層，幾個工人要花2天左右才能完成一個件的鋪層。因此，整個成型周期較長，基本不能滿足汽車零部件的銷量需求。目前國內(nèi)已經(jīng)在向國外學(xué)習(xí)，開發(fā)機(jī)械化自動鋪層、一模多穴等工藝，提高成型效率，但總體來說，與傳統(tǒng)金屬成型效率還有較大的差距。

另外，CFRP零部件的應(yīng)用還有諸多其他問題，比如：設(shè)計難度大，國內(nèi)尚缺經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計師；國內(nèi)汽車級的CFRP主要以進(jìn)口為主，國內(nèi)尚無質(zhì)量穩(wěn)定的CFRP原材料；CFRP回收比較困難，國內(nèi)未形成可持續(xù)發(fā)展的CFRP零部件生態(tài)環(huán)境；CFRP零部件維修比較困難，往往某一部位損壞，就要對整個零件進(jìn)行更換等問題?？傊祭w雖好，但大批量應(yīng)用之路尚漫長。

6 結(jié)論

CFRP具有密度小、模量高、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于成本較高等因素，目前CFRP還主要應(yīng)用于部分高端車型。

CFRP炫麗的外觀，深受年輕人的喜歡，許多車型以“運(yùn)動套件”為宣傳點(diǎn)，在車型的高配或選配形式開發(fā)。在售后，外飾“運(yùn)動套件”的改裝，在CFRP應(yīng)用中占據(jù)較大的市場。

CFRP在汽車上的應(yīng)用雖然有較好的前景，但還面臨著成本較高、工藝效率低、設(shè)計技術(shù)難度大、回收及維修困難等一系列問題亟待解決。

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Application Overview of Carbon Fiber Composite in Automobile

LI Zhihu, SAI Yinghui, WANG Zhichao, ZHANG Ning, QIN Yulin

( Chery Automobile Company Company Limited, Wuhu 241009, China )

Carbon fiber composite is one of the excellent lightweight materials with the advantages of low density, high modulus and high specific strength.The application situation of carbon fiber composite materials in automobiles at home and abroad in recent years. It is found that although carbon fiber composite materials have excellent lightweight effect, there are many problems such as high cost, complex process and low efficiency. At present, it is mainly suitable for application in high-end models at home and abroad.In order to explore the application trend of carbon fiber composites in automobiles,this paper analyzed the application situation of carbon fiber composites in automobiles at home and abroad in recent years.It is found that although the lightweight effect of carbon fiber composite was excellent, but it was mainly suitable for application in high-end vehicles for high cost,complex process and low efficiency. At present, it is mainly suitable for application in high-end models at home and abroad.Because carbon fiber composite had a dazzling appearance, it was popular with young people. The development of carbon fiber composite exterior parts in the form of "sports kit" would be the main growth point of the application of carbon fiber composite in automobiles in the future.

Carbon fiber composite; Body skeleton; Covering parts; Exterior trim parts

TB33

A

1671-7988(2023)03-136-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.026

李志虎（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)樾虏牧?、新技術(shù)相關(guān)的汽車產(chǎn)品開發(fā)，E-mail: lizhihu@mychery.com。

蕪湖市科技計劃—重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021YF10）。