碳纖維及其復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

李春曉

1 前言

汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)和重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，《節(jié)能與新能源汽車輕量化技術(shù)路線圖》也將汽車輕量化作為發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。國(guó)家多部委也都發(fā)布了多項(xiàng)惠及汽車輕量化產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)和研發(fā)項(xiàng)目。政府的支持為汽車輕量化發(fā)展提供了機(jī)遇，有利于提高我國(guó)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。碳纖維及其復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、安全性好等不可替代的優(yōu)勢(shì)，是作為汽車輕量化所使用的最佳材料。正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在汽車領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中已明確將碳纖維及其復(fù)合材料汽車零部件技術(shù)作為節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

2 碳纖維及其復(fù)合材料

碳纖維（Carbon Fiber， CF），為含碳量在95%以上的高強(qiáng)度碳材料，它是由石墨微晶等有機(jī)物纖維沿纖維軸向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化工藝處理而得到的微晶石墨集合體。碳纖維以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕、吸能等性能，在航天航空、軍工核能、軌道交通、汽車、體育休閑等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

碳纖維與高分子樹(shù)脂、陶瓷、金屬等基體材料復(fù)合而制成的結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱“碳纖維復(fù)合材料”。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）具有密度小、質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高斷裂韌性、耐化學(xué)腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、加工性能好、熱膨脹系數(shù)小、抗輻射抗老化、減振阻尼性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)，既能夠滿足設(shè)計(jì)部件高強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，還能提高汽車的安全性能。目前碳纖維復(fù)合材料已成為繼高強(qiáng)特種鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復(fù)合材料等材料后汽車工業(yè)領(lǐng)域最前沿、最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p量化材料。

碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量受到碳纖維品種、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、用量、鋪層使用方式以及樹(shù)脂種類等多方面因素的綜合影響，性能和使用方式不一。碳纖維復(fù)合材料與其他輕量化材料的性能對(duì)比情況見(jiàn)表1，由表中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，碳纖維復(fù)合材料在抗拉強(qiáng)度、比強(qiáng)度、拉伸模量，尤其是在比強(qiáng)度和比模量方面比現(xiàn)有使用材料體系有顯著提高，這些是碳纖維復(fù)合材料的核心性能優(yōu)勢(shì)和價(jià)值體現(xiàn)，也是碳纖維在汽車行業(yè)得到廣泛關(guān)注的原因。

3 碳纖維在汽車上的應(yīng)用

隨著汽車的發(fā)展，車身尺寸不斷增大、安全系數(shù)不斷提高、配置越來(lái)越豐富、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，又要保持合理的車重，選擇合適的材料至關(guān)重要?？梢哉f(shuō)，輕量化材料的選擇，真正體現(xiàn)了汽車品牌之間的研發(fā)核心技術(shù)差距。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求，又實(shí)現(xiàn)了汽車的輕量化。碳纖維不但能達(dá)到節(jié)能減排的全球性需求，也能解決消費(fèi)者所關(guān)心的節(jié)能省油問(wèn)題，因此碳纖維復(fù)合材料可以作為汽車的未來(lái)主流材料。

碳纖維的密度接近鋼鐵材料的1/5，目前車體常規(guī)質(zhì)量在400～500kg，而一個(gè)全碳纖維跑車的車體質(zhì)量不足百公斤。汽車質(zhì)量每減小10%，可降低6%以上的油耗使續(xù)航能力大幅提升，降低5%以上的排放。正因其廣泛的應(yīng)用前景，碳纖維被稱為21世紀(jì)即將井噴的“黑色黃金”。據(jù)研究表明，汽車制造商為了減輕1kg車重所投入的費(fèi)用比增加1馬力動(dòng)力更為高昂。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是很理想的汽車覆蓋件用非金屬材料。它的高強(qiáng)度可以在保證汽車的防撞性能的同時(shí)，大大減輕車身質(zhì)量。以中國(guó)科學(xué)院研發(fā)的一輛碳纖維汽車為例，在金屬材質(zhì)的汽車引擎蓋上，使用榔頭用力敲擊，漆蓋上會(huì)有明顯的凹陷，而利用碳纖維制作的汽車車殼卻非常堅(jiān)固，用力擊打車蓋后會(huì)迅猛反彈，車身表面無(wú)受損痕跡。中國(guó)科學(xué)院研究人員表示使用碳纖維復(fù)合材料做的汽車，與普通用鋼材制造的汽車相比，質(zhì)量輕、速度快、油耗低，質(zhì)量比普通鋼材的汽車減少60%，在同樣油耗工況條件下，這輛碳纖維汽車每小時(shí)至少多行駛50km[1]。

寶馬是碳纖維應(yīng)用的嘗試者，2009年開(kāi)始，聯(lián)合日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社和西格里集團(tuán)2家公司，嘗試在其i系車型中采用碳纖維復(fù)合材料。通過(guò)在寶馬i系列車型中的成功嘗試，證明了碳纖維不僅僅適用于小批量車型，也可以應(yīng)用于量產(chǎn)車型中。這也證明了通過(guò)使用碳纖維復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)（用于新能源車尤其是電動(dòng)車）的潛力非常大。2015年，寶馬i3的銷售接近24 000臺(tái)，i8的銷售接近5 500臺(tái)。寶馬在i系列碳纖維車身及零部件積累的經(jīng)驗(yàn)，成功轉(zhuǎn)移到了寶馬其他的車型中。在2015年歐洲車身會(huì)議上展出的全新寶馬7系中，在B柱、車頂縱梁/前橫梁、門檻梁、中央通道及C柱采用了碳纖維與高強(qiáng)鋼結(jié)合的方式，提高了車身的扭轉(zhuǎn)剛度，并減輕了車身的質(zhì)量。2016年，寶馬7系實(shí)現(xiàn)了6.4萬(wàn)臺(tái)的銷售量，長(zhǎng)期的銷售目標(biāo)有望達(dá)到10萬(wàn)臺(tái)。

在新能源汽車領(lǐng)域，碳纖維是新能源汽車“瘦身革命”的領(lǐng)導(dǎo)者，在汽車輕量化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用的同時(shí)，提高了新能源汽車的續(xù)航里程。碳纖維復(fù)合材料也得到了大量使用[2]。2018年12月15日，在2018 NIO Day現(xiàn)場(chǎng)，蔚來(lái)汽車正式發(fā)布了其第2款量產(chǎn)新能源車型蔚來(lái)ES6。全面的高性能表現(xiàn)成為ES6最大的亮點(diǎn)：綜合工況續(xù)航里程510km，百公里加速4.7 s，百公里制動(dòng)距離33.9m，整車抗扭剛度高達(dá)4 930N·m/deg，這一切比肩賽車的優(yōu)良性能離不開(kāi)其碳纖維復(fù)合材料的車身結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)NIO全球測(cè)試證明，碳纖維后地板的使用讓車身整體的扭轉(zhuǎn)剛度更高，被動(dòng)安全性能提高，整體耐久性也得到很大提升。遵循“合適的材料用到合適位置”的設(shè)計(jì)選擇，碳纖維后地板嵌入到全鋁車身中，比鋁合金減重30%以上，與相同體積的高強(qiáng)度鋼相比，質(zhì)量?jī)H是它的1/5。

國(guó)內(nèi)碳纖維制造企業(yè)康得集團(tuán)與康得新集團(tuán)聯(lián)合打造的碳纖維輕量化產(chǎn)業(yè)平臺(tái)已經(jīng)與近60家汽車主機(jī)廠展開(kāi)交流與合作，為客戶提供了從設(shè)計(jì)、研發(fā)、試制到批產(chǎn)的碳纖維輕量化整體解決方案。已完成了多個(gè)車型的引擎蓋、翼子板、行李箱蓋、車門等車身覆蓋件；頂蓋、上邊梁、側(cè)邊梁、中通道、車身、座椅、電池箱、底盤等車身結(jié)構(gòu)件的汽車碳纖維復(fù)合材料輕量化項(xiàng)目。項(xiàng)目涉及燃油汽車輕量化部件替代、新能源汽車（包括鋰電池車和氫燃料汽車）的整車輕量化解決方案。

北京長(zhǎng)城華冠旗下的新能源汽車品牌前途汽車，與美國(guó)電動(dòng)車制造商、分銷商Mullen Tech公司簽訂協(xié)議，計(jì)劃在美國(guó)加州投產(chǎn)電動(dòng)跑車——前途K50。前途K50電動(dòng)跑車采用全鋁合金車身設(shè)計(jì)并使用碳纖維復(fù)合材料，大大提高了汽車的整體性能。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其良好的輕量化優(yōu)勢(shì)，還廣泛應(yīng)用于汽車輪轂、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)外飾、發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中。

3.1 碳纖維輪轂

采取碳纖維材料制作的輪轂，能夠大大減少輪轂的質(zhì)量，從而有助于減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于簧下質(zhì)量每減少1kg，輕量化效果約等于簧上質(zhì)量減少6kg，所以碳纖維輪轂會(huì)顯著地改善車輛的操控性能。同時(shí)，碳纖維材質(zhì)堅(jiān)固、韌性好，碳纖維輪轂有利于轉(zhuǎn)向的反應(yīng)和路感的傳遞，從而使車輛擁有更快的啟動(dòng)、停止以及轉(zhuǎn)向速度。

3.2 制動(dòng)系統(tǒng)

碳纖維復(fù)合材料在制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)中同樣有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維制動(dòng)盤具有出色的耐高溫性，可承受2 500℃的溫度，并且還能保證性能的穩(wěn)定，保時(shí)捷918 spider采取了碳纖維制動(dòng)盤，可以在50m內(nèi)將汽車車速?gòu)?00km/h降低到50km/h；碳纖維制作的傳動(dòng)軸不僅可以減輕40%以上的質(zhì)量，還具有非常好的耐久性，豐田86的碳纖維傳動(dòng)軸僅重5.53kg，和主流的鋼制傳動(dòng)軸相比，減重50%。

3.3 汽車進(jìn)氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料作為汽車進(jìn)氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕其質(zhì)量，達(dá)到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料加工性能好，易加工成各種曲面的復(fù)雜形狀，且材料表面較為光滑，可有效提高汽車進(jìn)氣效率。而碳纖維良好的高溫性能使其在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得以應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料可承受2 500℃的高溫，且性能穩(wěn)定。

3.4 汽車內(nèi)飾、門窗等領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料具有很好的吸力減震效果，對(duì)撞擊等有強(qiáng)大的緩沖作用，且減少撞擊可能產(chǎn)生的碎片，提高了汽車的整體安全性能。利用碳纖維制作汽車內(nèi)外飾材料，在汽車輕量化的同時(shí)，還簡(jiǎn)化了汽車零部件的生產(chǎn)制造工藝，進(jìn)而減少零部件在加工、裝配、維修過(guò)程中產(chǎn)生的成本，進(jìn)而降低汽車生產(chǎn)成本和消費(fèi)者使用費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年，我國(guó)在高性能碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展和突破，在關(guān)鍵技術(shù)、裝備及應(yīng)用等方面也有大幅的提高，但和國(guó)外依然有很大的差距。目前全球碳纖維制造的主導(dǎo)者是美國(guó)、日本和德國(guó)。與國(guó)外的碳纖維產(chǎn)業(yè)相比，國(guó)產(chǎn)原絲雜質(zhì)含量高、生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量不夠穩(wěn)定、離散系數(shù)大，生產(chǎn)成本還需進(jìn)一步降低，碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，針對(duì)碳纖維市場(chǎng)的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)滯后，產(chǎn)業(yè)凝聚力弱等。目前國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品雖然在航空航天、體育休閑和其他工業(yè)產(chǎn)業(yè)3大領(lǐng)域中都有一定應(yīng)用，但高端應(yīng)用領(lǐng)域占比僅4%，高端碳纖維產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口。碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也有很大的差距。

應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的材料產(chǎn)業(yè)規(guī)律是：當(dāng)一種汽車材料壟斷地位已經(jīng)形成，后來(lái)者就很難完全顛覆和取代，只有等待下一次汽車產(chǎn)業(yè)革命浪潮。如今，隨著新能源汽車時(shí)代的加速到來(lái)，一個(gè)全新的、充滿想象空間的汽車用材料市場(chǎng)機(jī)會(huì)正在不斷開(kāi)啟。以碳纖維復(fù)合材料為首的汽車輕量化材料正迎來(lái)一個(gè)前所未有的機(jī)遇和歷史黃金期。

我國(guó)碳纖維需要潛心鉆研，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，形成體系化、系列化的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式，盡快打破國(guó)外的技術(shù)壟斷。這需要國(guó)家、省和地方政府共同援手，給予相關(guān)碳纖維企業(yè)相應(yīng)的配套扶持資金，為碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更具有針對(duì)性的財(cái)政、人才、稅收等保障服務(wù)，培養(yǎng)出一批碳纖維生產(chǎn)制造和應(yīng)用的龍頭企業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1] GUO Miaocai，YI Xiaosu.The production of tough， electrically conductive carbon fiber composite laminates for use in airframes[J].Carbon，2013（58）：241-244.

[2] ZhANG Xiaoqing，XU Haibing，F(xiàn)AN Xingyu.Grafting of amine-capped cross-linked polyphosphazenes onto carbon fiber surfaces：a novel coupling agent for fiber reinforced composites[J].RSC Adv，2014，4（24）：12198-12205.