全球汽車用碳纖維複合材料（CFRP）研究報告
作者介紹：潘鼎，東華大學材料學學科研究員、博士生導師。現任中國複合材料學會增強體專業委員會主任委員。主要研究成果有「硝酸一步法聚丙烯腈原絲」獲國防科委科技成果二等獎 、「化學纖維成型理論和結構性質的研究」獲國家教委二等獎等。
前言：隨著汽車保有量的激增、不可再生燃油的消耗，汽車輕量化越來越受到大家的關注。碳纖維（CF）及碳纖維複合材料（CFRP）在汽車產業的應用，為其提供了可能；事實表明：CFRP是汽車工業輕量化道路上的主要材料。
但是，CFRP的高量產應用受到成本高、循環時間長、回收性難等挑戰。在各國政府的大力支持下，國內外已經開始形成「碳纖維、複合材料供應商+零部件供應商+主機廠」的聯盟式產業化布局，在原料及加工技術的低成本化、零部件及車體製造技術一體化、零部件回收再利用方面已逐步取得進展。
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我們先看一個實例：
碳纖維複合材料（CFRP）在汽車車體及零部件中的廣泛應用已成為當下一大市場主流。德國寶馬公司作為全球領先的汽車生產商於2007年確立可持續發展戰略，率先全面開啟CFRP在汽車領域的應用模式。
在寶馬汽車中有三十多種零部件使用了碳纖維複合材料（CFRP），分別有：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控台、裝飾條、儀錶盤、傳動軸、特殊動力傳動系統、座椅、座椅套墊、前擴散器、尾擾流板、後擴散器、後視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側裙、側格柵、車用箱包、導流罩、A柱、遮陽罩、散熱器面罩、側護板、低位踏板、副保險杠等外部和車身、內飾和外飾配件等系統。
圖3：CFRP在寶馬汽車零部件的應用比例
一、全球車用碳纖維供需情況
CFRP應用在汽車中的比例顯著提升。2010-2017年，年均增長率將達到31.5%。預計2017年，全球汽車CFRP需求量將增長至7885t。
圖4：世界碳纖維消費結構示意圖
2013年CFRP在交通工具領域產值達22億美元，其中汽車領域10.1億元，佔總產值46%，卡車領域佔18%,摩托車佔15%，客運火車佔13%。2020年汽車市場CFRP產值將達到60億美元。
表1：全球各領域碳纖維需求量（長按圖片可以放大清晰查看）
二、汽車輕量化的途徑和效益
使用清潔燃料、輕量化、提高發動機及驅動系統效率、和減少風阻是傳統汽車節能減排的最有效的四大要素。
改換石油能源為零毒排放的新能源汽車，固然是節能減排的最優選擇，但電源系統的明顯增重，採用增大電源的做法只能「惡性循環」節能難以見效；提高發動、驅動效率及減少風阻對於節能減排具有一定功效；而「輕量化」是與傳統及新能源汽車都密切相關的最基本最重要的因素。
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1、輕量化兩大要素
1)材料：在沒有找到汽車用鋼合適的替代材料時，只有寄希望於汽車結構的優化或鋼材性能的提高上。但鋼材的比重是無法逾越的天敵。故成效不大。尋找最佳的鋼材替代材料是汽車界有史以來始終孜孜以求的目標。
2)部件設計：模塊化、整體化的設計，可以大大節省連接件的數量和重量。
2、CFRP在汽車中應用的十大優越性：
1.比強度高，最佳輕質高強車體材料。
2.軸向強度、模量高，無蠕變，製作傳動軸。
3.正面碰撞時成無數細小碎片，吸收大量的撞擊能（4倍於鋼結構）高安全性。
4.兼備紡織纖維的柔軟，可加工性強。
5.有機溶劑、酸、鹼中不溶不脹，耐蝕性好，壽命長，維修費用低。
6.冷熱膨脹係數小，極端氣候條件下尺寸穩定性高。
7.活性碳纖維超級電容器可提高能量密度，又可降低成本適用於電動車制動。
8.複合材料容易成型，製得滿足空氣動力學原理及美觀需求的外形曲面。
9.表皮光滑美觀，製造車身，可以省去高成本、繁瑣的塗裝工藝。
10.將不同零件一體成型，便於汽車結構的模塊化、整體化製造。
3、高量產五大挑戰：
1）CF成本高（20%）
鋼材0.8~1$/kg鋁材2.4~2.6$/kg 樹脂5~15 $/kg 碳纖維20~30$/kg 鋼材20倍。
2)循環周期長加工成本高（70~80%）
循環周期：金屬衝壓部件,1個/60s (幾十年不變）,俗稱「60s工藝」；CFRP熱固性樹脂固化交聯時間：數小時（上百倍）。
3）設計和工程開發難度大，缺少成熟資料庫
CFRP 鋪層數量、角度、層間結合、零部件集成方式、脆性材料，應力集中，連接部位力學分布、連接位置及強度需充分考慮等均需複雜設計。
4）材料回收：
95%報廢零部件需回收再利用，熱固性樹脂CFRP不溶不熔，難以達到。
5.其它問題：
材料表徵、虛擬模擬、廢料水平。
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三、已有創新及關鍵技術
1、快速鋪層：
三維預成型創新技術。一種為層壓複合材料生產織物層的新方法，用了像尼龍搭扣一樣的可在Z軸方向上實現連接的鉤-環鎖扣，將臨近的織物層連接起來。
圖7：Z-pins嵌入全厚度縫合三維預成型技術
傳統工藝：Z-pins嵌入全厚度縫合三維預成型技術
1）複雜、耗時、勞動密集型手工鋪層；
2）低強度；
3）高成本。
圖8：鉤/環搭接的「互鎖型」技術
最新工藝：鉤/環搭接的「互鎖型」技術
1）快速、方便自動化操作巡迴周期90s;
2)撕裂、耐壓、剪切、衝擊強度分別提高50%～100%、20%、15%及60%～100%;
3)直接生產成本及間接成本分別降低50%及30%。
2、寶馬樹脂傳遞模塑工藝：
圖9：樹脂傳遞模塑工藝
3、一體成型設計，模塊化、整體化製造創新技術
通過設計和工程開發，用自動化加工方法，使多個金屬部件複合成幾個部件來解決。車身零部件數減少到1/10。材料特性既能滿足自身要求，又達到減重及縮短循環周期的目的,潛力無量。
圖10：一體成型設計
4、低成本新型碳纖維製造創新技術
1)改性瀝青
日本三菱公司通過裂解輪胎冷凝物為原料，合成優質瀝青，規模化生產廉價高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。
圖11：改性瀝青合成高性能瀝青基碳纖維過程
2)木質素碳纖維
美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）從紙漿廢液中提取的木質素，通過熔紡和碳化製成了低成本碳纖維。生產成本可控制在4~5$/kg。
3)聚烯烴碳纖維
陶氏化學將聚乙烯等纖維以無氧狀態「蒸烤」炭化,把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之後才成為CFRP。35%高碳化率製備低成本碳纖維。降低成本1/2 (11$/kg)以下。避免大量極毒廢氣體排放。
4)低成本高強PANCF原絲的製備
東麗公司採用高與超高分子量混合聚合體，用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲，提高紡速百倍以上的創新工藝，製備了高強（超過T-1000)高模（超過M-50）低成本PANCF 原絲。東華大學也在跟蹤研究。並已試製出紡速為500~1000m/min的熔融紡絲的低成本PAN原絲。
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5)節能加工能源
美國ORNL用新型微波等離子源碳化技術高速製備低成本CF。
寶馬利用成本僅3美分/kwh(降低成本4/5)水力發電能源制碳纖維。
5.挑戰循環周期的創新工藝
1)高壓樹脂傳遞模塑成型技術（HP-RTM）
寶馬與西格里合作開發了固化時間為2min及5min的環氧樹脂。採用壓力高達2900psi（203kg/cm2），注射速率為200g/s的HP-RTM技術，優化了樹脂系統、工藝和模具設計正確組合的RTM工藝，實現了「一分鐘循環周期」。
2)熱塑性基體材料預浸料
通用汽車公司與帝人公司聯合採用無需更長的時間來進行交聯或固化的熱塑性基體材料的預浸料複合材料加工技術。
3)短周期RTM工藝
戴姆勒公司和東麗工業公司採用東麗公司開發的「短周期RTM（Short Cycle RTM）」工藝，大大縮短了CFRP部件的循環周期。
4)?SMC成型加工技術
戴姆勒公司和克萊斯勒公司採用重疊加料，混合CF和玻纖SMC材料技術。縮減了零件數量，減輕重量，提高剛度22%。
6、其他CFRP零部件加工創新技術
1)CFRP零部件3D列印技術
美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）用熔融沉積製造技術將碳素纖維顆粒列印成一體式汽車底盤。剛度、強度分別提高了5-7倍與3倍不但提高零件的屬性，還減少了加工時間。
2)虛擬手勢識別系統
用兩台3D攝像機、紅外感測器等部分組成的圖像識別系統，只需幾個手勢，即可完成檢驗工作：可加速檢測過程，精確記錄偏差數據。提升了檢驗員工作的舒適度及工作效率。
3)連接技術
集散板熔融、震動熔融、超聲波熔融一體加熱、加壓連接法。對一體化加工，增加結合部CF體積分數。提高強度避免開裂有顯著效益。
7、國內創新技術
1）碳纖維增強熱塑性複合材料結構件成型關鍵技術
中科院寧波材料所在複合材料體系、熱壓成型工藝、液態成型工藝、設計技術、連接技術以及關鍵裝備等方面取得重要進展。
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2）聚賽龍工程塑料公司發明專利《碳纖維增強聚醚醯亞胺/聚苯硫醚複合材料》被授權
2015年3月11日，聚賽龍公司申請的發明專利《碳纖維增強聚醚醯亞胺/聚苯硫醚複合材料及其製備方法》被授權，專利號ZL201210493679.3。
圖14：聚賽龍（圖片來源於2015年廣州橡塑展，由艾邦高分子拍攝）
據悉，該技術採用PPS與PEI製備PEI/PPS合金材料，可明顯改善PEI的耐溶劑性能、耐熱性、加工流動性，同時還可以降低PEI的材料成本。本發明材料具有高強度、高模量、耐熱溫度高、耐溶劑、加工流動性好等優點。可應用於機械、電子電氣、航天航空、軍工、交通運輸等領域。
8、CFRP回收技術
1)CFRP碎料回用
寶馬用退役戰鬥機的機翼等可提供足夠載體的部件,切碎後，重新合成CFRP用於汽車零部件製造。
2)CF溶出回用
英國諾丁漢大學利用超臨界流體的溶解能力，用廉價溶劑體系，溶解CFRP中的環氧樹脂，可分離出單一形式、性能幾乎100％保留的碳纖維。
四、CFRP應用的實施效果及發展趨勢
1、汽車輕量化設計總方案
圖15：全生命周期內汽車輕量化技術體系構成
2、CFRP應用的實施效果
行駛安全化：強度為鋼及塑料的200%及400% 撞擊吸收能量4倍於鋼；
節能資源化：最適合抵償新能源汽車能源部分帶來的增重；
零件壽命化：高強高模、耐高溫、抗蠕變、耐疲勞、防腐；
環境人性化：質輕、轉動慣性小，低噪音、阻尼震動，舒適度高；
環保清潔化：廢氣排放銳減自潤滑性免加潤滑劑；
車體輕量化：比鋼及塑料輕300-400%及30~40%；
車型個體化：加工性良好易形成多種外型。
3、CFRP應用的發展趨勢
1）高端汽車向普及型發展；
2）裝飾件向結構件發展；
3）實現汽車燃油化向清潔能源化發展。
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