碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

段文，孔祥鑫

1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春 130046；2.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)與人工智能學(xué)院，吉林長春 130052

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是一種由碳纖維和樹脂基體組成的一種高強(qiáng)度復(fù)合材料。其中，碳纖維骨架作為增強(qiáng)相，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高熱導(dǎo)、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等優(yōu)良特性，熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為連續(xù)相起到連接的作用[1]。研究表明，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維復(fù)合材料在密度、強(qiáng)度、韌性等諸多方面具有明顯的優(yōu)勢[2-6]，因而在航空航天、風(fēng)電領(lǐng)域、體育休閑、汽車工業(yè)以及建筑材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

隨著世界范圍內(nèi)對低碳出行和綠色能源達(dá)成的共識，我國也將燃油車的節(jié)能減排以及新能源汽車的開發(fā)作為降低碳排放、改善全球氣候問題的重要舉措。其中，輕量化技術(shù)是汽車降低油耗、減少排放，以及新能源汽車提升續(xù)航里程的最有效途徑之一。經(jīng)統(tǒng)計，汽車質(zhì)量每減少100 kg，可節(jié)省燃油0.003～0.005 L/km，減少CO2排放0.08～0.11 g/km，加速性能提升8%～10%，制動距離縮短2～7 m[7]。目前，城市投入使用的12～16 t電動城市客車，其車身每減重100 kg，將降低0.55%的能耗，并提升0.55%的續(xù)航里程。另外，減少汽車的質(zhì)量還可以減輕懸掛系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，有效地提高舒適性，進(jìn)而降低對懸掛系統(tǒng)的要求，減少對整車裝備質(zhì)量需求[8]。雖然碳纖維材料具有較高的輕量化效率，其機(jī)械性能和加工性能也完全滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，但受制于材料的成本壓力，與實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還存在一定的距離。

1 碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢

目前來看，碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)用于汽車輕量化的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)碳纖維的比重一般為鋼材的25%，CFRP的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的7倍以上，抗拉彈性模量也高于鋼材。CFRP的比強(qiáng)度可達(dá)到2 000 MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度大約為60 MPa/(g/cm3)，因而其輕量化效果明顯。

(2)碳纖維復(fù)合材料是通過碳纖維和樹脂經(jīng)過復(fù)合工藝制成的一種多組分材料。由于樹脂基大多為熱固性或熱塑性材料，與固化劑作用時可形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的固體，之后通過纖維纏繞、拉擠成型、樹脂傳遞模塑、真空導(dǎo)入成型、預(yù)浸料模壓、熱壓罐工藝等方式一次成型，大大提高了材料的集成度。因此，能夠有效減少零部件數(shù)量。此外，合成模具可設(shè)計性好、造型自由，實現(xiàn)流線型曲面的成本比較低。

(3)碳纖維復(fù)合材料振動衰減系數(shù)大、吸振能力強(qiáng)，能夠達(dá)到減少振動、降低噪聲的作用，從而增加乘坐的舒適度。其沖擊吸收性能是金屬的5倍，能夠提高碰撞過程人員安全性，減振性能優(yōu)異。

(4)碳纖維材料的生產(chǎn)過程已經(jīng)基本實現(xiàn)了高度的機(jī)械化。機(jī)器人的大量使用確保了整個生產(chǎn)過程的自動化，人工操作的過程僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產(chǎn)效率、減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低。另外，碳纖維材料的生產(chǎn)方式采用大量的模壓和黏結(jié)工藝來代替沖壓和焊接，顛覆了傳統(tǒng)汽車的生產(chǎn)流程，不僅生產(chǎn)安全性得到提高，而且規(guī)?；a(chǎn)成本也在可接受范圍內(nèi)[9-10]。

2 碳纖維復(fù)合材料在燃油車中的應(yīng)用

一臺總質(zhì)量約為1.5 t的汽車，其車架質(zhì)量約為600 kg，占整車質(zhì)量的40%；發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)均為100 kg左右，占整車質(zhì)量的8%；內(nèi)飾、座椅各占5%；其余為各種電器、玻璃、輪轂等裝備。為了滿足汽車輕量化的需求，現(xiàn)有部分廠商已經(jīng)開始將碳纖維材料應(yīng)用于不同部位以實現(xiàn)汽車零部件的有效替代。下面將從車身、發(fā)動傳動系統(tǒng)、輪轂等方面分別介紹碳纖維材料的應(yīng)用現(xiàn)狀[11-17]。

2.1 碳纖維材料在車身上的應(yīng)用

作為占據(jù)整車質(zhì)量高達(dá)40%以上的主體部件，車身不僅起到支撐整體結(jié)構(gòu)的作用，還要保證行駛的安全性。因此，良好的車身強(qiáng)度和抗扭剛度是車身材料所必須具備的，同時也需要維持舒適的駕駛體驗。另外，車門部件還要盡量減少車門下垂形變和永久性形變，A、B、C柱與門檻部位則要保證整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。保險杠部位要有良好的耐沖擊性能[7，18]。

早在2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑車首次在汽車擋板中采用了CFRP，減重18 kg。不久之后，英國的蓮花跑車在車身底座中使用一體成型的CFRP材料，成功替代了16個金屬組件。到了2011年，蘭博基尼推出了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)量僅為145.5 kg。2014年開始，寶馬分別在i3和i8的車廂主體的Life模塊、第六代7系的部分車身以及全系的A、B、C柱與門檻等部位采用大量的CFRP與鋼或鋁合金組成混合結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)輕量化的同時又能有效保證車輛整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。與此同時，Volvo的Polestar車型的上邊梁、奔馳SLR跑車的前縱梁、Alfa Remeo 4C的車架結(jié)構(gòu)、引擎蓋也均采用了CFRP部件。梅賽德斯-奔馳SLR跑車上由CFRP材料制成的兩根縱梁可以徹底吸收正面碰撞時產(chǎn)生的能量，從而保證乘客廂的結(jié)構(gòu)基本不受影響，同時，全部由CFRP材料制成的乘客廂，在發(fā)生尾部或側(cè)面撞擊時也能為車內(nèi)乘客提供非常可靠的安全空間[19]。

在國內(nèi)，北京汽車2016年款新型BJ40的發(fā)動機(jī)罩蓋、車頂蓋均采用碳纖維材料，最終減重50%左右。奇瑞汽車的艾瑞澤7的前橫梁以及覆蓋件、一汽集團(tuán)的紅旗超跑S9的車身也都采用了碳纖維材料。但是在車輛的主體結(jié)構(gòu)方面還大都停留在概念車或新能源車型上。

2.2 碳纖維材料在發(fā)動機(jī)及傳動、制動系統(tǒng)上的應(yīng)用

在車輛的行駛過程中，其發(fā)動、傳動以及制動系統(tǒng)往往決定了車輛的整體運動性能。傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機(jī)在碳纖維材料的替代方面還停留在試驗室階段，僅有2011年比利時Solvay公司開發(fā)的CFRP Polimotor四缸發(fā)動機(jī)缸體，雖然其尚未應(yīng)用到成品車中，但也為碳纖維材料的應(yīng)用提供了新思路。除此之外，僅有部分廠家在發(fā)動機(jī)的零配件部分使用了一定數(shù)量的碳纖維替代材料，如上汽榮威的E50車型的引擎蓋和福特部分車型的油箱底殼采用的CFRP復(fù)合材料等。

在傳動方面，基于碳纖維材料優(yōu)良的比強(qiáng)度，很多廠家已經(jīng)開始采用由CFRP材料制造的傳動軸[20]。福特的野馬載重汽車，采用CFRP可以將原來的2個部件簡化合并成1個傳動軸，與鋼材料相比，減重高達(dá)60%～70%；英國GKN技術(shù)公司開發(fā)的CFRP傳動軸，在減重50%～60%的同時，其抗扭強(qiáng)度比鋼大10倍，彎曲強(qiáng)度大15倍；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CFRP復(fù)合材料制造的傳動軸。在實際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，將CFRP材料應(yīng)用到改裝車的轉(zhuǎn)動軸上還能夠有效降低轉(zhuǎn)動軸的質(zhì)量，增強(qiáng)車輛的耐久性和抗疲勞性。

有關(guān)制動方面的應(yīng)用主要集中在車輛的制動器。傳統(tǒng)的汽車制動器襯片主要由石棉摩擦材料構(gòu)成，但是這種材料在高溫下會出現(xiàn)摩擦性能的“熱衰退”現(xiàn)象，存在一定的安全隱患，并且在使用過程中會產(chǎn)生對人體有致癌危害的石棉粉塵，因而替代需求強(qiáng)烈。目前，SGL Carbox AG公司生產(chǎn)的一種車用的碳纖維-陶瓷制動盤裝置已經(jīng)在保時捷918 spider和GT IIS車型中使用，當(dāng)車速從300 km/h降低到50 km/h時，制動距離不超過50 m。

2.3 碳纖維材料在輪轂與內(nèi)飾上的應(yīng)用

汽車輪轂是汽車高速運動的主支撐結(jié)構(gòu)件，輪轂的輕量化不僅能提高機(jī)動性能，如制動、啟動加速、轉(zhuǎn)向等，還能減少響應(yīng)時間，顯著改善車輛的操控性能。2009年生產(chǎn)的Shelby Ultimate Aero跑車，2012年出廠的保時捷911和2015年初設(shè)計的福特新一代野馬Shelby GTR均使用碳纖維輪轂，在實現(xiàn)減重50%左右的同時，還能顯著改善車輛的操控性能。這是因為隨著輪圈的減重，其轉(zhuǎn)動角動量大約降低40%，在一定程度上起到了間接改善汽車的加速和剎車效能的作用。除此之外，Carbon Revolution公司還為日產(chǎn)的R35 Nissan GT-R跑車量身定制了CFRP全碳纖輪轂，輪轂尺寸為50.80 cm×26.67 cm，質(zhì)量為8.84 kg，整車綜合動力性能有大幅提升[21]。

另外，對于內(nèi)飾、座椅等裝飾方面的材料，由于并非是純鋼材的替代，因而在減重方面的效果并不明顯，已知的有ELG公司與CRTC公司合作研制的可回收碳纖維汽車座椅、夾層板，福特研制的由碳纖維和鋼制成的座椅框架，一汽紅旗超跑S9的部分內(nèi)飾材料以及北汽紳寶D60的前格柵和尾翼等。其使用目的大多是一種彰顯運動與時尚，并作為一種提升車輛科技感的方案。

3 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，隨著國家對碳排放政策的實施以及能源危機(jī)的加劇，新能源汽車逐漸成為汽車銷售市場上的主力。由于這些新能源汽車沒有燃油發(fā)動機(jī)，只有電機(jī)和電池，因此在材料的選擇上會更注重汽車質(zhì)量的輕質(zhì)化和生產(chǎn)的便利性，其主要輕量化方向分為整車車架質(zhì)量以及儲能裝置兩個方向[22-25]。新能源汽車的質(zhì)量每減少10%，對應(yīng)的續(xù)航里程大約存在5.5%的提升[26]。碳纖維材料的使用有利于新能源汽車的輕量化，可以有效延長續(xù)航里程。

瑞典初創(chuàng)UNITI電動汽車公司新推出的電動車“Smartphone Car”就是一款典型的城市代步新能源車型。該車采用Zolterp X35的CFRP部件制成車身，一次充電可行駛約299 km，30 min充電即可行駛199 km，在實現(xiàn)車身輕量化的同時又不犧牲整車的舒適性、安全性和續(xù)航里程。日本Teijjin公司也設(shè)計了一款由CFRP車體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的4座概念車，由于采取CFRP材料制成，車體成型只需1 min，且47 kg的車體質(zhì)量僅為同等鋼制車體結(jié)構(gòu)的1/5。韓國現(xiàn)代公司推出的Intrado燃料電池概念車也秉承了輕量化的設(shè)計理念，在全車架、引擎蓋以及側(cè)板方面均采用CFRP材料制造，相比傳統(tǒng)鋼板制造的汽車減重高達(dá)60%，大大提高了燃油效率，單次補充燃料行駛超過600 km，而且由于車身質(zhì)量較輕，百公里加速時間低于12 s，同時兼顧了駕駛樂趣以及車輛的實用性。

國內(nèi)方面，2016年3月上市的奧新e25新能源車也采用了CFRP車身，其百公里耗能低于10 kW·h，續(xù)航性能理想。另外，奇瑞也開發(fā)了一款CFRP電動車，車身質(zhì)量僅為218 kg，相較金屬車身減重達(dá)48%，并且在抗沖撞性和操控性上均有提高。

新能源汽車的動力結(jié)構(gòu)主要有燃料電池和儲能電池兩個大類，其中氫能源車的儲氫容器以及電動車的電池包都是質(zhì)量大戶，因而其輕量化方案也大多是基于這兩個方向來考慮的[27]。

在燃料電池方面，Quantum公司為鈴木燃料電池汽車設(shè)計制造了一種容量為160 L、工作壓力為70 MPa的CFRP超輕氫燃料壓力容器。該容器能夠以最小的體積和質(zhì)量為燃料電池提供較高密度的能量，且其快速充放以及滲透率等指標(biāo)均超過業(yè)界同行和政府規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[28]。另外，豐田燃料電池汽車Mirai在其燃料電池反應(yīng)堆框架上首次使用了CFRP材料，并且能夠適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。

在儲能電池方面，2013年左右，沃爾沃基于S80打造出了一種采用新蓄電材料的原型車。該車采用CFRP超級電容器板來替代傳統(tǒng)車輛的各個部位，包括車門、車頂、后備箱蓋等位置，實現(xiàn)整體減重15%。應(yīng)用車體、車門、車頂材質(zhì)還能夠靠剎車動能回收系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的插電方式來充電。沃爾沃宣稱：僅靠后備箱蓋就有能力為汽車提供足夠的能量，且充電時間也比傳統(tǒng)電池更加快速，同時，這種蓄電材料在充放電時沒有化學(xué)反應(yīng)，因此不會存在蓄電能力下降的問題。另外，William先進(jìn)工程公司利用可回收碳纖維(RCF)設(shè)計制造出整體式電動車底盤FW-EVX部件，創(chuàng)新性地將電池包、冷卻裝置及其輕量化底盤完全集成到一個可擴(kuò)展平臺上，甚至還能根據(jù)需求將驅(qū)動電機(jī)的外殼也集成到該平臺上。CFRP底盤模壓成型的懸掛橫梁中80%采用了RCF部件，質(zhì)量只有鍛造合金件的40%。這一集成化設(shè)計不僅充分發(fā)揮了CFRP部件的設(shè)計靈活性，還可以取代其他裝置金屬殼體，減少質(zhì)量，使電動汽車更集約化、更強(qiáng)、更輕[28]。蔚來公司生產(chǎn)的Nio ES6除了采用碳纖維后地板總成、碳纖維座椅板總成、碳纖維后地板橫梁總成三大部件之外，其電池包上殼體也采用了碳纖維材料，大大減小整車質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段的碳纖維復(fù)合材料雖然已經(jīng)在不同的汽車配件方面均有比較成熟的應(yīng)用方案，并且得到了令人矚目的技術(shù)革新，但受制于產(chǎn)品較高的價格以及回收方案的不完善，目前仍難以得到大規(guī)模應(yīng)用。受近幾年環(huán)境政策以及“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的要求，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車廠商亟須解決的生存性問題，因此，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也越來越受到汽車廠商的重視。實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在汽車各部位中的廣泛應(yīng)用，可以更好地滿足汽車的輕量化需求，并在新能源汽車領(lǐng)域取得進(jìn)一步發(fā)展。