【技術帖】碳纖維複合材料汽車零部件開發與前景探討

1概述

汽車工業的快速發展，給人們帶來交通便利的同時，也面臨著環境污染和能源緊缺等問題，為了應對這些問題，使汽車工業的可持續發展，節能減排已經成為汽車工業的重要研究課題。研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放可減少約10克/公里。因此，汽車輕量化是節能減排的重要手段，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，儘可能地減輕汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降放排氣污染。目前汽車輕量化主要有2種途徑，一是結構設計優化，提供對車身的結構及骨架進行優化設計，優化結構形式，以達到減重目的。二是通過輕質高強材料替換傳統材料，從而達到減重目標。自從1953年世界上第一台FRP汽車—GM Corvette製造成功以後，隨著複合材料技術的不斷進步，複合材料作為汽車輕量化中應用得到了快速發展，歐美日等汽車發達國家，都已在汽車中大量採用複合材料，碳纖維複合材料也在逐步進入汽車領域，必將成為汽車複合材料的發展趨勢。

2碳纖維複合材料特點

（1）比強度、比模量高，與傳統金屬材料比，碳纖維複合材料強度、模量相差不多，但碳纖維複合材料的密度比金屬材料低得多，碳纖維複合材料的比強度是傳統金屬材料的2.4~5.8倍，比模量也達到1.6倍以上（見表1），所以它能夠以同樣的單位質量獲得更高的承載能力，或者說以較小的質量達到同樣的承載能力。

註：碳纖維複合材料數據為上海耀華大中公司採用T300碳纖維200g/m2平紋布和環氧樹脂，通過真空導入工藝製作的試樣測試的數據，金屬材料為銷售商提供的數據。

（2）抗疲勞性能好，在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內部裂紋擴展的結果，而疲勞破壞就是裂紋不斷擴展所產生的突然斷裂。碳纖維複合材料中的碳纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展。大多數金屬材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的30%～50%，而碳纖維複合材料則可達到70%～80%左右。

（3）破損安全性高，碳纖維複合材料破壞不像傳統材料那樣突然發生，而是經過基體損傷、開裂、界面脫粘、碳纖維斷裂等一系列過程，而當少數纖維斷裂時，載荷又會通過基體傳遞重新分布到其他纖維，其過程是一個不斷吸收能量的過程，提高了破損的安全性。

（4）減震性好，受力結構的自震頻率除與形狀有關外，還與結構材料的比模量平方根成正比，所以碳纖維複合材料有較高的自震頻率。同時碳纖維複合材料的界面有較大的吸收震動能量的能力，致使材料的震動阻尼較高。

（5）各向異性，碳纖維複合材料有著複合材料的共同特點，能根據產品的受力情況合理布置碳纖維分布，實現各方向具有不同的力學性能，充分利用材料。

（6）易於成型，複合材料可以成型各種複雜形狀。

（7）耐腐蝕性好，碳纖維複合材料基體樹脂具有良好的耐化學腐蝕性能，不會像金屬材料那樣容易生鏽。

3碳纖維複合材料零部件開發情況

碳纖維複合材料具有高強度、高模量、低密度。是汽車輕量化最理想的材料。在發達國家，碳纖維複合材料在汽車上的應用技術已經成熟，寶馬I3電動車車身（見圖1）可以說是碳纖維複合材料在汽車中應用的最為成功的案例，是碳纖維應用到汽車大型結構件的一個重要的里程碑。碳纖維複合材料在寶馬I3電動車上成功的應用得益於寶馬突破了2項關鍵技術：一是寶馬公司和SGL通過十多年的研究和試製，開發和生產了用於汽車的碳纖維和碳纖維布，大大地降低了碳纖維的成本，二是他們開發的新的樹脂體系以及高壓RTM成型工藝，提高了生產效率、降低了生產成本。滿足了汽車批量生產的要求。碳纖維複合材料在i3上的應用也使汽車的設計理念發生了改變，I3採用了「LifeDrive」模塊架構，它由「Life」和「Drive」兩個獨立的模塊組成，life模塊與drive模塊的拼合，就像拼積木一樣簡單。這將為今後的汽車設計帶來一場重要變革。

圖1 寶馬I3電動汽車及碳纖維車身

東麗與豐田合作開發的碳纖維增強熱塑性複合材料，開發製造了燃料電池反應堆框架，應用於豐田燃料電池汽車Mirai中，碳纖維增強熱塑性複合材料具有成型時間短的特點，與熱固性相比，生產效率更高，適合大規模生產，這也是世界上第一次CFRTP用於汽車結構件而大批量生產的汽車（見圖2）。

圖2 碳纖維增強熱塑性複合材料反應堆框架

大眾、賓士、PSA等多家集團公司也都在開發汽車用碳纖維複合材料，應用於車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結構件、傳動軸等部件。碳纖維在不久的將來必將成為汽車輕量化的主流材料。

與發達國家相比，國內碳纖維複合材料汽車零部件應用相對比較落後，目前正處在研究開發階段，有部分企業研究並開發了一些碳纖維產品。上海耀華大中新材料有限公司在上海汽車集團乘用車公司牽頭下，與交通大學、同濟大學合作共同開發了碳纖維複合材料後尾門、電池盒上蓋、前保險杠、翼子板。這幾種產品屬於研製產品，不是批量產品，為了節約成本，均採用了真空導入工藝進行製作。後尾門有尾門內板、擾流板、下飾板三個零件，分別成型後進行粘接而成，與SMC模壓相比，減重36.03%（見圖3）；前防撞梁採用了三明治結構，外部採用碳纖維複合材料，內部採用泡沫芯材，防止失穩破壞，與鋁合金擠壓成型的前防撞梁相比，減重25%（見圖4）；翼子板與鋼板冷衝壓相比，減重38.71%（見圖5）；電池盒上蓋SMC模壓相比，減重達44%（見圖6）。

圖3 碳纖維複合材料後尾門

圖4 碳纖維複合材料前防撞梁

圖5 碳纖維複合材料左右翼子板

圖6 碳纖維複合材料電池盒上蓋

奇瑞汽車股份有限公司與中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發的碳纖維汽車車身，這是一款插電式混合動力汽車。碳纖維複合材料218Kg，相對於金屬車身418Kg碳纖維車身減重200Kg,，減重48%（本組數據來源於2014年上海工博會）。

4我國開發碳纖維複合材料汽車零部件面臨的問題

碳纖維複合材料具有輕質高強等一系列特點，輕量化領域尤其是航空航天領域得到廣泛應用，也是汽車輕量化最為理想的材料。但要在汽車上大批量應用，還需解決下面各方面問題：

（1）成本高，是制約碳纖維複合材料在汽車中批量應用的一個重要因素，

碳纖維複合材料成本高主要表現在兩個方面，一是碳纖維複合材料生產成本較高。二是碳纖維複合材料的原材料成本較高，主要是碳纖維價格太高，目前市場每公斤價格在120元人民幣以上，是玻璃纖維價格10倍以上。另外與碳纖維配套的樹脂體系主要是環氧類樹脂，價格也較高。因此，要想使碳纖維複合材料在汽車輕量化中大量應用必須首先要降低碳纖維的生產成本，通過改進原絲生產工藝，降低原絲成本；發展新的預氧化、碳化和石墨化技術，縮短預氧化時間，降低碳化、石墨化成本，從而達到降低碳纖維成本的目的。其次要加強碳纖維表面處理技術的研究，以及與碳纖維配套的樹脂體系研究，拓展碳纖維複合材料根據產品需要設計樹脂體系的範圍，以達到降低碳纖維複合材料成本的目標。

（2）成型方面，生產效率有待提高

目前碳纖維複合材料尤其是中國主要應用于軍工和體育休閑產品，其生產工藝相對於汽車的產量來說，成型效率偏低，成型成本偏高。寶馬公司採用了高壓RTM工藝生產碳纖維複合材料車身，產品生產周期能達到10分鐘左右。目前在國內也有單位在進行這方面的技術研究，但未見批量生產的報道。因此，應加強適合汽車零部件的碳纖維複合材料成型技術研究，只有解決了碳纖維複合材料汽車產品的生產效率問題、生產成本問題、質量穩定性問題，才能滿足汽車大批量、質量穩定的生產要求。

（3）設計問題

碳纖維複合材料不同於傳統的金屬材料，碳纖維複合材料具有自身的材料特性，複合材料產品的設計應根據複合材料的特點進行設計，充分發揮材料性能，如寶馬i3採用了模塊化結構設計，而一個模塊中採用若干個零件分開成型然後進行連接整合成一個模塊。中國汽車設計一直是一個瓶頸，據說，自主品牌的汽車設計中模仿設計佔40~70%，有些廠家甚至是整車複製。對複合材料來說，主機廠更是沒有經驗積累，也沒有數據積累，沒有設計規範、驗證標準。在這種情況下，寶馬的模式值得我們學習，主機廠應該牽頭，聯合原材料廠家、複合材料生產廠家以及高校、院所進行合作設計開發。

（4）維修問題

汽車在使用過程中避免不了會有磕磕碰碰，一旦發生碰撞就會遇到修復問題，對傳統金屬材料而言，4s店維修人員已經是 輕車熟路，而對碳纖維複合材料汽車而言，其修復工藝與傳統材料還是存在較大差異，碳纖維複合材料的修復專業性較強，修復人員必須具備一定的專業基礎。為了便於修復，使修理人員快速掌握修復技能，應加強修復專用材料的研究與開發，開發出使用方便，容易操作的修補材料。

5我國碳纖維複合材料在汽車中應用需求與前景

中國是汽車產銷大國，2014年產銷量達2000多萬輛，同時也是複合材料產銷大國，但複合材料在汽車中的應用還相當落後，隨著汽車工業的快速發展以及大眾環保意識和節能意識的不斷增強，尤其是在世界能源危機和石油漲價而使得汽車工業向輕量化方向發展的大背景下，具有輕質高強的碳纖維複合材料比將成為汽車輕量化主流輕質材料而會得到快速發展，碳纖維複合材料技術將會不斷進步，成本會逐步降低，生產效率會不斷提高。所以碳纖維複合材料在汽車中的應用將是必然趨勢，其前景非常廣闊。

來源：上海耀華大中新材料有限公司