汽車輕量化進(jìn)程中碳纖維復(fù)合材料（CFRP）技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

冶存良 李紅娟

寧夏理工學(xué)院 寧夏石嘴山市 753000

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年全國機(jī)動車保有量達(dá)到3.101億輛，其中汽車2.17億輛（含新能源汽車153.0萬輛），預(yù)計(jì)我國汽車保有量到2020年達(dá)到2.8億輛，2025年達(dá)到3.6億輛，而汽車保有量的峰值將會達(dá)到6億輛。這預(yù)示著我國汽車工業(yè)前景一片大好，但與此同時(shí)也會加劇能源消耗、環(huán)境污染和交通安全等重大問題的惡化。在當(dāng)下國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排和低碳環(huán)保政策的強(qiáng)力驅(qū)動下，汽車工業(yè)想走上又好又快的綠色發(fā)展知道，除了另辟其徑發(fā)展新能源汽車，還須從汽車自身的設(shè)計(jì)、用料和制造工藝等源頭上找出路。

實(shí)驗(yàn)證明，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(shí)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%[1]。

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%[2]。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(dá)到節(jié)能減排和低碳環(huán)保的目的。

采用輕量化材料并不是傳統(tǒng)意義上的偷工減料和零件減配，是在保證汽車行駛安全性基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用輕質(zhì)材料和改善制造工藝，以達(dá)到減輕車身自重的一種手段。目前，汽車上應(yīng)用的輕質(zhì)材料主要包括高強(qiáng)度剛、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和塑料等[3]。

其中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有很好的韌性和抗拉強(qiáng)度，其比強(qiáng)度（107cm）是普通鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃鋼的2～8 倍，比模量（109cm）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%，比鋁還要輕，它的應(yīng)用可使汽車車身減輕質(zhì)量30%～60%[4]。因此，如果不考慮成本問題，則碳纖維復(fù)合材料是汽車輕量化材料的絕佳選擇。

2 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)與特性

碳纖維復(fù)合材料根據(jù)原料不同可分為：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中PAN基碳纖維使用最廣，產(chǎn)量占比超過90%以上[5]。碳纖維復(fù)合材料“剛?cè)岵?jì)”，兼具碳材料和纖維的雙重優(yōu)良特性，具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的特性，其的高集成度性、使得在零部件制造過程中可以減少零部件數(shù)量；由于可設(shè)計(jì)和造型自由的特性，可降低流線型曲面配件的制造成本；高效率的抗震、吸收沖擊性能，可達(dá)到金屬的5倍，因此可提高汽車發(fā)生交通碰撞事故車上人員安全性；在各項(xiàng)力學(xué)性能方面，與輕質(zhì)金屬合金材料相比（如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金和鎂合金），普通的碳纖維復(fù)合材料也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于它們。但是阻礙高端碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的障礙是，目前其由于技術(shù)含量高、生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜等原因，造成使用成本也水漲船高[6]。

2.2 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）技術(shù)現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料技術(shù)和市場一直被日本和美國所占據(jù)，日本是碳纖維技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家。日本東麗、東邦和三菱麗陽3家企業(yè)的碳纖維產(chǎn)量約占全球 70%～80%的市場份額。美歐企業(yè)以生產(chǎn)大絲束碳纖維為主，約占全球大絲束碳纖維產(chǎn)能的90%。日本和美國的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到第三代（業(yè)界沒有具體的科學(xué)界定，）其中，第一代的代表為日本東麗T300（抗拉強(qiáng)度3.5GPa，彈性模量230GPa）、美國郝氏AS4（抗拉強(qiáng)度4.4GPa，彈性模量231GPa）；第二代的代表為日本東麗T800（抗拉強(qiáng)度5.9GPa，彈性模量294GPa）、美國郝氏IM7（抗拉強(qiáng)度5.6GPa，彈性模量276GPa）；第三代的代表為日本東麗T1100G（抗拉強(qiáng)度6.6GPa，彈性模量324GPa）。2015 年 7 月，在美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）大力資助下，佐治亞理工學(xué)院創(chuàng)新PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，模量實(shí)現(xiàn)大幅提升，超過了赫氏IM7 碳纖維。這標(biāo)志著除了日本，美國是全球第二個(gè)掌握第三代碳纖維技術(shù)的國家[7]。

我們國家在碳纖維材料方面起步雖然較早，但發(fā)展速度較慢，直至近幾年，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)才逐漸迅速發(fā)展。2009年，T300級碳纖維規(guī)?；a(chǎn)成功，標(biāo)志著我國完全掌握了第一代碳纖維技術(shù)；2012 年，T700級碳纖維試產(chǎn)的成功，預(yù)示著我國在第二代碳纖維材料技術(shù)上有所突破。但是尚未全面突破，如不及時(shí)跟進(jìn)第三代碳纖維的技術(shù)開發(fā)，必將進(jìn)一步拉大與日本和美國在碳纖維材料方面的技術(shù)差距。我國生產(chǎn)碳纖維的廠商有40余家，其中達(dá)到千噸級的不超過4家，碳纖維年總產(chǎn)能為2.5～2.6萬噸左右，實(shí)際年產(chǎn)量僅為1.3萬噸左右，開工率不到一半，大部分廠家的生產(chǎn)設(shè)備均處于閑置狀態(tài)。[8]。

2.3 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的使用，可使車身、底盤減重50%以上，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3~1/6。用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）所制的板簧，重量僅為14公斤，比傳統(tǒng)材料減重76%[6]。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(qiáng)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(qiáng)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[9]。

目前，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)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(dǎo)流罩和A 柱等部位。但是，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)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(yīng)用，如寶馬I3、通用的Ultralite 車身，福特的GT40車身等[4]。

利用碳纖維復(fù)合材料對汽車進(jìn)行輕量化改進(jìn)在國外已開始逐步推廣應(yīng)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(fù)合材料應(yīng)用到旗下不同車型?？档脧?fù)材與奔馳、寶馬、豐田、北汽、長安、蔚來等全球59家汽車企業(yè)建立合作關(guān)系，產(chǎn)品涵蓋汽年結(jié)構(gòu)件、覆蓋件、汽車裝飾件、碳纖維白車身等應(yīng)用。國內(nèi)汽車工業(yè)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料尚處于起步階段。2017年，北汽集與康得復(fù)材簽訂了中國首個(gè)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的開端。以奇瑞、觀致、北汽集團(tuán)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(fù)合材料[10]。

3 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車工業(yè)的建議

（1）碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車輕量化進(jìn)程難，主要由于開發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)工藝復(fù)雜而導(dǎo)致成本太高，汽車廠家在成本與利潤大多選擇了后者。因此我國應(yīng)及早進(jìn)行前瞻性布局，將我國的相關(guān)頂尖科研機(jī)構(gòu)匯聚起來，集中攻克關(guān)鍵技術(shù)，一旦技術(shù)成熟則成本問題就迎刃而解。

（2）新的工業(yè)產(chǎn)品問世給人類帶來便利的同時(shí)，也會帶來負(fù)面的結(jié)果。碳纖維復(fù)合材料在擁有大好應(yīng)用前景的同時(shí)，也意味著在汽車報(bào)廢后會產(chǎn)生大量的復(fù)合材料垃圾，因此國家應(yīng)該在研發(fā)的同時(shí)考慮到該材料后續(xù)的回收利用技術(shù)。

（3）加強(qiáng)尖端技術(shù)復(fù)合型人才培養(yǎng)機(jī)制。碳纖維技術(shù)的高技術(shù)屬性決定了專業(yè)化人才的重要性，是否擁有尖端核心技術(shù)人才直接決定著一個(gè)機(jī)構(gòu)研發(fā)水平的高低。 由于碳纖維技術(shù)研發(fā)環(huán)節(jié)很多，應(yīng)當(dāng)注重復(fù)合型人才培養(yǎng)，以保證各環(huán)節(jié)研發(fā)的配合銜接。另外，完善對技術(shù)研發(fā)型人才的評價(jià)和待遇政策，同時(shí)大力引進(jìn)國外先進(jìn)人才等等，這將對我國的碳纖維研究的發(fā)展起到極大的推動作用。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料由于其具有可塑性好、抗沖擊能力強(qiáng)、剛度高且輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，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?yán)m(xù)航里程最有效途徑之一。但是，由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、開發(fā)技術(shù)困難和行業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等原因，存在成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定和量產(chǎn)困難等問題。因此，在國家政策扶持和引導(dǎo)下，集中精力、物力和財(cái)力攻克這些問題，既是碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是其廣泛應(yīng)用于汽車輕量化的研發(fā)方向。