編者按：

3月20日，由格羅夫氫能全新正向開發(fā)的碳纖維車身全功率氫能動力乘用車首臺樣車研制成功，全車身碳纖維正向設計，搭載全球領先的氫燃料電堆，整車質(zhì)量更輕能耗更低，續(xù)航里程1000公里以上。而同樣在前不久，德國三大汽車巨頭大眾集團、戴姆勒集團和寶馬集團在德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）撮合下，就汽車行業(yè)未來策略達成一致決定：未來屬于新能源電動車。在新能源汽車領域，一場關于氫能源汽車和電動車之爭劍拔弩張，然而無論新能源汽車采用何種燃料驅(qū)動，碳纖維及其復合材料卻是決定汽車輕量化的關鍵！

1、背   景

據(jù)有關部門統(tǒng)計 ,2017 年全國機動車保有量達到3.101 億輛，其中汽車 2.17 億輛（含新能源汽車 153.0 萬輛），預計我國汽車保有量到2020 年達到 2.8 億輛，2025 年達到 3.6 億輛，而汽車保有量的峰值將會達到 6 億輛。與汽車工業(yè)高速增長相對應，其對環(huán)境帶來破壞程度也與日俱增。我國汽車的二氧化碳（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，汽車與環(huán)境之間的矛盾不斷加劇。因而，在國家大力倡導節(jié)能減排和低碳環(huán)保政策的強力驅(qū)動下，新能源汽車成為汽車工業(yè)重要發(fā)展方向。 

2、汽車輕量化必要性

實驗數(shù)據(jù)表明，汽車整備質(zhì)量減輕 10%，油耗將減少 6% ～ 8%，排放性改善 6%，制動距離降低 5%，加速時間縮短 8%，轉(zhuǎn)向力矩減少 6%，輪胎壽命提高 7%，材料疲勞壽命提高 10%，CO2 排放量降低 8 ～ 11g/（100km）；對于純電動汽車，整車重量降低 10%，平均續(xù)駛能力可以增加 5% ～ 8%。因此，面對節(jié)能減排和低碳的雙重壓力，汽車輕量化是解決我國汽車環(huán)保方面的有效途徑之一。

目前，汽車輕量化主要是針對汽車結構、變速器、發(fā)動機、懸架、車身及其他附件設計，并使用輕質(zhì)材料的方式實現(xiàn)。目前現(xiàn)代轎車所使用的傳統(tǒng)材料主要為鋼材、鑄鐵、鋁合金和塑料等。其中，鋼材占比約55% ～ 60%， 鑄 鐵 12% ～ 15%， 鋁 占 比 8%～ 10%，塑料占比約 8% ～ 12%。在滿足汽車的使用性能、安全性能和成本要求的前提下，采用輕量化新型材料，可以提高汽車的動力性、降低油耗、改善排放性，達到節(jié)能減排和低碳環(huán)保的目的。

若要實現(xiàn)汽車輕量化，力學性能優(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、耐腐蝕、容易成型等優(yōu)點，其成為汽車輕量化的理想材料。比鋁還要輕，它的應用可使汽車車身減輕質(zhì)量 30% ～ 60%。

3、碳纖維復合材料在汽車領域應用優(yōu)勢

碳纖維增強復合材料（CFRP）的使用可使車身、底盤減重 50% 以上，相當于鋼結構重量的 1/3~1/6。CFRP所制的板簧，重量僅為 14 公斤，比傳統(tǒng)材料減重 76%。利用碳纖維制造的汽車傳動軸，除了可以減輕重量，由于其高效的吸能和減震性能，還可以降低噪聲污染和振動強度，起到很好的降噪和緩沖作用，保證了汽車整體工作的平順性。比如：英國 GKN 公司使用碳纖維增強塑料制造的傳動軸，可減輕重量50%~60%，比鋼軸的抗扭性高 10 倍，彎曲剛度高 15 倍。CFRP在汽車領域應用優(yōu)勢主要取決于以下幾方面：

3.1 綜合力學性能優(yōu)異

CFRP具有很好的韌性和抗拉強度，其比強度是普通鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃鋼的 2 ～ 8 倍，比模量是普通鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃鋼的3～5。而且，其密度在1.45～1.6g/cm3 之間，不到鋼的 25%，比鋁合金還要輕1/3 左右。碳纖維復合材料的綜合力學性能明顯優(yōu)于金屬材料，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的 30%～50%，而 CFRP 可達 70%～80%，CFRP 還具有比輕金屬更好的振動阻尼特性，比如輕合金需要 9 s 才能停止震動，而碳纖維復合材料 2 s 就能停止。

3.2 可設計性強

碳纖維復合材料的可設計性強， 可依據(jù)使用性能要求合理選擇基體材料， 設計纖維的排列方式和復合材料的構造形式，靈活地進行產(chǎn)品設計。例如，將碳纖維按照受力方向排布，可充分發(fā)揮復合材料強度的各項異性，從而達到節(jié)約材料和減輕質(zhì)量的目的。對于要求具有耐腐蝕性能的產(chǎn)品，在設計時，可選用耐腐蝕性能好的基體材料。

3.3 可實現(xiàn)一體化制造

模塊化、整體化也是汽車結構的一種發(fā)展趨勢。復合材料在成型時易于制成各種形狀的曲面，實現(xiàn)一體化制造汽車零部件產(chǎn)品。一體化成型制造不僅可以減少零部件的數(shù)量和模具數(shù)量，減少零部件連接等工序，還可以極大地縮短生產(chǎn)周期。例如，如果汽車前端模塊采用碳纖維復合材料制作，可實現(xiàn)整體一體化成型， 避免金屬制件的后續(xù)拼焊和后續(xù)加工產(chǎn)生的局部應力集中，在保障產(chǎn)品精度和提高性能的同時，減輕汽車零部件質(zhì)量，降低制造成本。

3.4 吸能抗沖擊性強

CFRP具有一定的黏彈性，并且碳纖維與基體之間有微小的局部相對運動，可產(chǎn)生界面摩擦力。在黏彈性和界面摩擦力的協(xié)同作用下，CFRP制件具有更好的吸能抗沖擊性能。另一方面，經(jīng)特殊編織的碳纖維復合材料碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量的撞擊能量，其能量吸收能力比金屬材料高4～5 倍，能有效提高車輛安全性，保障成員安全。

3.5 耐腐蝕性能優(yōu)異

CFRP主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，具有優(yōu)異的耐酸堿性能，用其制造的汽車零部件無需進行表面防腐處理，其耐候性和耐老化性能較好，壽命一般為鋼材的 2～3 倍。

3.6 抗疲勞性能好

CFRP因纖維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用，其抗疲勞性能可達 70%～80%。碳纖維的結構穩(wěn)定，制成的復合材料經(jīng)應力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗后， 其強度保留率仍有60%，而鋼材和鋁材分別為 40%和 30%，玻璃鋼只有 20%～25%。因此，碳纖維復合材料的抗疲勞性能適合廣泛應用于汽車行業(yè)。

4、碳纖維復合材料在汽車領域應用及發(fā)展歷程

4.1 碳纖維復合材料汽車應用情況

據(jù)美國相關咨詢公司發(fā)布的數(shù)據(jù)，碳纖維復合材料應用在汽車中的 比 例 顯 著 提 升。2010 ～2017年，碳纖維復合材料年均增長率將達到31.5%。2017年，全球汽車碳纖維復合材料將增長至 7885t。目前，工廠與一級供應商、碳纖維制造商合作以制造可用的零部件。德國贏創(chuàng)集團與美國江森自控有限公司、雅各布塑料以及東邦化學株式會社研發(fā)碳纖維增強塑料材料（CFRP)；荷蘭曇卡草坪集團與東麗株式會社建立供應協(xié)議 ；東麗與戴姆勒股份公司研發(fā)奔馳CFRP部件。

寶馬集團與碳纖維生產(chǎn)商西格里集團投資1億歐元對位于美國摩西湖的工廠進行擴建，碳纖維產(chǎn)量由3000t/a提高到6000t/a。該項目生產(chǎn)的碳纖維將用于滿足寶馬i系列電動汽車市場，同時應用于 2014年底上市的寶馬 7系車上，以減輕新型寶馬自重并降低CO2的排放量。

4.2汽車用碳纖維復合材料發(fā)展歷程

20 世紀 70 年代末，福特公司將碳纖維復合材料應用在汽車輕量化上的研究取得了較好的效果；1981 年,碳纖維汽車首次亮相，邁凱倫McLaren MP4-1 車型是全球首款采用碳纖維復合材料制成的汽車，被認為是碳纖維復合材料首次正式出現(xiàn)在汽車工業(yè)領域。

隨后，美國道奇蝰蛇和 2014 款雪佛蘭科爾維特使用碳纖維材料生產(chǎn)了發(fā)動機罩和其他部位，其中科爾維特計劃實現(xiàn)產(chǎn)銷量 2萬輛/年。2014年12月2日，寶馬宣布與美國波音航空公司展開合作，共同開發(fā)碳纖維材料技術應用于新型汽車和飛行器。

2015 年，寶馬公司推出碳車身寶馬 7 系，其 B 柱、C 柱、中央通道、門梁和車頂棚梁等車身覆蓋件均使用碳纖維復合材料，駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度性能提升，整車質(zhì)量下降230kg。2016 年，特斯拉 Ｒoadster 電動跑車，采用碳纖維復合材料車身后整車重量只有 920 公斤，與使用其他輕量化材料的汽車相比，質(zhì)量更輕，加速性能、操控性能和環(huán)保性能更好。

2016年，日本帝人公司計劃提高其全球碳纖維產(chǎn)能至 36%，達到 18 900t，同時擴大美國田納西州工廠的產(chǎn)能，以滿足豐田汽車公司和通用汽車公司的需求；德國大眾高爾夫 7使用碳纖維車頂，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。 

在國內(nèi)，江蘇奧新新能源汽車有限公司于 2015 年1 月成功研發(fā)了我國首輛碳纖維新能源汽車; 北京現(xiàn)代汽車成功研發(fā)了碳纖維發(fā)動機蓋覆蓋件等一系列碳纖維復合材料部件; 奇瑞汽車開發(fā)了一款碳纖維復合材料的電動汽車。

目前，利用國外在碳纖維復合材料對汽車進行輕量化改進領域已逐步推廣應用，以寶馬、奧迪、奔馳、福特、通用、豐田、日產(chǎn)、大眾等為代表的知名廠商已開始深入介入碳纖維產(chǎn)業(yè)，逐漸將碳纖維復合材料應用到旗下不同車型。國內(nèi)汽車工業(yè)應用碳纖維復合材料尚處于起步階段。2017 年，北汽集與康得復材簽訂了中國首個碳纖維汽車部件量產(chǎn)訂單，成為中國碳纖維用于汽車輕量化實現(xiàn)量產(chǎn)的開端。以奇瑞、觀致、北汽集團為代表的國內(nèi)汽車廠商已開始在其推出的新能源電動汽車上使用碳纖維復合材料。

邁凱倫Senna碳纖維汽車，車身采用了碳纖維原色與黃色相結合的涂裝，燈組中碳纖維結構前LED光帶與前臉形成一條直線

5、碳纖維復合材料在汽車領域應用部位

目前，碳纖維復合材料在汽車上的應用部件主要包括汽車車身、制動器襯片、座椅加熱墊、燃料貯罐、傳動軸、輪轂等部件，其次還包括汽車底盤、儀表盤、引擎蓋、座椅及座椅套墊、導流罩和 A 柱等部位。但是，碳纖維增強復合材料在汽車中的應用仍然有限，僅在一些諸如 F1 賽車、高級乘用車、小批量車型上有所應用，如寶馬 I3、通用的Ultralite 車身，福特的 GT40 車身等。碳纖維在汽車零部件應用比例如下圖所示：

碳纖維在汽車零部件應用比例

5.1 汽車車身

由于碳纖維增強聚合物基復合材料有足夠的強度和剛度，是作為汽車覆蓋件的理想非金屬材料，既可以減輕車重，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)車身噴涂和環(huán)保處理等成本。

預計碳纖維復合材料的應用可使汽車車身和底盤質(zhì)量減輕 50%。英國材料實驗室研究表明，碳纖維增強材料車身重 172kg，而鋼制車身為368kg。新發(fā)布的寶馬i3新能源汽車通過采用輕質(zhì)的碳纖維材料，使整車質(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化方式生產(chǎn)的部件，碳纖維座艙的質(zhì)量減少了50%。美國CSP公司（ContinentalStructural Plastics Inc.）開發(fā)了雙層材料的發(fā)動機罩，外表面采用輕量化增強纖維鍍膜板，結構面板采用碳纖維增強材料鍍膜板，這款雙層發(fā)動機罩減重幅度達 35%。2014年 1月，日本豐田Mark XG Sport車型安裝了碳纖維發(fā)動機罩后，比采用此前鋼制發(fā)動機罩減輕了6kg的質(zhì)量。

5.2 制動器襯片

汽車制動器襯片主要使用石棉摩擦材料，制動時易摩擦產(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。碳纖維復合材料以比強度高、耐熱性好、耐磨等優(yōu)點而應用在剎車片上，成為很好的石棉替代品。

碳纖維制動盤能夠在50ｍ內(nèi)將車速度由300km/h降低到50km/h，制動盤的溫度達到900℃以上，碳纖維制動盤可以承受的高溫達 2500℃，且制動穩(wěn)定性好。西格里公司已經(jīng)在生產(chǎn)碳纖維-陶瓷制動盤裝置，應用于PorscheAG、911 Turbo GT和GT IIS車型。 

5.3 燃料貯罐

燃料儲罐要求質(zhì)量輕、強度高，可以多次使用，碳纖維復合材料實現(xiàn)了壓力容器的輕量化。CNGV儲氣瓶，壓力高達 20MPa，使用壽命 15年以上，化工行業(yè)用的槽車以及便攜式的空氣罐在消防、潛水等領域得到廣泛應用。四川新萬興碳纖維復合材料公司年產(chǎn)2.4萬只復合材料氣瓶。據(jù)預計，隨著電池汽車的普及，2020年日本將有 500萬臺汽車使用燃料電池。沃爾沃研發(fā)S80新蓄電材料電動車，這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹脂聚合物構成納米結構的電池以及電容，美國福特也開始使用氫燃料電池，氫燃料電池在汽車領域的應用將迅速上漲。 

5.4 座椅加熱墊

全球汽車制造商高檔汽車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替代傳統(tǒng)的座椅加熱系統(tǒng)。碳纖維作為熱效率達 96%的導熱材料，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。

5.5 傳動軸

汽車傳動軸的受力情況比較復雜，尤其要承受很大的扭矩，考慮到碳纖維增強復合材料各向異性、比強度高和比模量相對較低等特性，以碳纖維增強復合材料替代金屬產(chǎn)品。碳纖維傳動軸不僅減輕了 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開發(fā)了碳纖傳動軸，能為其提供響應更加迅速的動力傳動效果。傳動軸的主體采用高強度的碳纖維材質(zhì)構成，配合碳纖軸主體，整根傳動軸的質(zhì)量僅 5.53kg，足足減少了一半。The Driveshaft Shop碳纖傳動軸最大可承受的馬力極限為 800hp。英國GNK公司研發(fā)了碳纖維傳動軸，應用于Renault Espace Quadra、ToyotaMark Ⅱ、Audi 80/90 Quattro、Audi A4和A8 Quattros等車型 ；美國摩里遜公司采用Zoltek公司的碳纖維，生產(chǎn)傳動軸 60萬根/ a。此外，阿斯頓馬丁DB8、V8、V12，馬自達RX-8，越野MMC Pagero，奔馳歐翼SLSAMG使用日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維汽車傳動軸約90萬只。

5.6 輪轂

輪轂的輕量化可以減輕簧下質(zhì)量，讓輪胎滾動高效地發(fā)揮，在轉(zhuǎn)向和操控等方面進一步提升車型的性能。1972年，米其林開始研發(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，應用于Shelby Ultimate Aero上 ；德國輪轂廠商采取兩片式設計，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Kahm公司高級汽車專用車輪，使用CFRP制得的RX-X型質(zhì)量僅為6kg，可最大限度地降低車輪的徑向慣性力 ；英國DYMAG公司開發(fā)的碳纖維/鎂車輪，使用鍍鈦的硬件連接。寶馬在未來 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%。 

6、汽車用碳纖維復合材料加工工藝及裝配技術

碳纖維增強復合材料是指將碳纖維作為增強相與熱塑性或熱固性的樹脂材料復合而成的材料。 CFRP 制造技術主要包括預浸成形和液體成形工藝， 碳纖維增強聚合物基復合材料工藝類型對比分析如下圖 所示

汽車用碳纖維復合材料成型工藝

復合材料汽車部件之間的組合裝配及復合材料部件與金屬構件間的連接是不可避免的問題。復合材料呈各向異性，層間強度比較低，延展性小，使得復合材料連接部位的設計和分析比金屬復雜得多，汽車行業(yè)傳統(tǒng)金屬零部件之間的連接方式也不適用于復合材料的連接，因此，了解和改進汽車復合材料的連接和固定方式，并合理選擇是至關重要的。由于開孔打斷纖維的連續(xù)性，導致局部應力集中。復合材料連接部位通常是整個結構中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，保證連接強度是復合材料結構設計中的關鍵。

復合材料連接方式主要分為三大類，即膠接連接、機械連接以及兩者的混合連接。對于熱塑性復合材料，還有焊接技術。復合材料連接技術設計需要根據(jù)構件的具體使用情況和設計要求來確定。
6.1 膠接連接

與機械連接相比， 膠接技術的主要優(yōu)點是無開孔引起的應力集中，減輕結構質(zhì)量，抗疲勞，減振和絕緣性能好，外觀平整光滑，黏結工藝簡單，無電化學腐蝕問題等。但是，膠接技術也存在一些缺點，比如膠接質(zhì)量控制困難，膠接強度分散性比較大，缺少可靠的檢驗方法，黏結面的表面處理和黏結工藝要求嚴格等。對于碳纖維復合材料車身，膠接是主要的連接方式。

6.2 機械連接

機械連接一般使用的是鉚釘和螺栓， 是最常用的一種連接方式。機械連接的主要優(yōu)點是連接可靠性高，維修或更換中可重復拆卸和裝配，不需要處理表面，對環(huán)境的影響比較小等。機械連接的主要缺點是會增加質(zhì)量，會導致應力集中，金屬與復合材料接觸產(chǎn)生電化學腐蝕等問題。 鉚釘連接和螺栓連接的對比情況如下圖所示：

 機械連接-鉚釘連接和螺栓連接對比

6.3 混合連接

為了提高連接的安全性和完整性， 在一些重要的連接部位，通常同時采用膠接和機械連接的混合連接方式，充分利用 2 種連接方式的優(yōu)點， 確保連接部位有足夠的強度和較高的可靠性。

6.4 焊接

焊接技術主要應用于熱塑性復合材料部件， 其基本原理是，加熱熔融熱塑性復合材料表面的樹脂，然后搭接加壓，使之接成一體。焊接主要有超聲波焊接、電感應焊接和電阻焊接 3 種方式。焊接的優(yōu)點是連接效果好且周期短，無需表面處理，連接強度高，應力小等；不足之處是不易拆卸，需要加入導電性材料或金屬絲等。此外，在復合材料結構件成型過程中，可以在纖維預成型體中預埋金屬連接件，成型后復合材料與金屬預埋件成為一體， 復合材料部件間可以通過金屬預埋件連接，以避免機加工損傷復合材料。

7、發(fā)展趨勢

碳纖維復合材料由于其具有可塑性好、抗沖擊能力強、剛度高且輕質(zhì)等優(yōu)點，是汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的絕佳選擇，也是提高新能源汽車續(xù)航里程最有效途徑之一。 碳纖維復合材料的應用能夠滿足汽車減重、高強度和減振降噪的功能性要求，實現(xiàn)設計模塊化、高效生產(chǎn)，進一步降低生產(chǎn)成本。主要發(fā)展趨勢如下：

生產(chǎn)成本逐漸降低。碳纖維復合材料的大量應用于汽車領域，碳纖維的價格需要進一步降低，隨著國產(chǎn)纖維產(chǎn)量和質(zhì)量逐步提高，低成本碳纖維在量產(chǎn)汽車里的應用比例將逐步擴大。

應用范圍不斷拓展。碳纖維復合材料主要應用于汽車車門、座艙、制動片、燃料儲罐、座椅、傳動軸和輪轂等方面，但從碳纖維復合材料汽車部件的發(fā)展趨勢來看，碳纖維復合材料將取代金屬用于汽車其他結構中。

成型工藝進一步發(fā)展。除了采用低成本的原/輔材料，開發(fā)汽車部件的碳纖維復合材料是一個復雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)汽車部件的種類，采用不同的復合材料成型工藝，如樹脂、金屬、陶瓷等基體的成型，自動化加工技術的應用、零部件的整合等，應用領域的擴大將推動復材成型工藝技術的進步。

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

（轉(zhuǎn)載請注明出處）

參考文獻：

劉頔等，碳纖維增強樹脂基復合材料用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟性分析 ；

王俊峰等，碳纖維在汽車輕量化中的應用；

冶存良等，汽車輕量化進程中碳纖維復合材料（CFRP）技術應用現(xiàn)狀 。