汽車用碳纖維複合材料產業現狀和對策

引擎蓋

輪轂

碳纖維複合材料的材料性能及發展趨勢順應了汽車工業的發展需求，特別是隨著新能源汽車的發展，碳纖維複合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應用。在歐美國家，車輛中複合材料的用量約佔本國複合材料總產量的三分之一，主要應用在汽車覆蓋件（四門兩蓋等）、次承力構件、車身等部位，其用量呈逐年上升趨勢。

碳纖維複合材料在國內外汽車領域的應用現狀

碳纖維複合材料由於其獨具的強度和剛度特性，可以取代鋼用於汽車的主承力結構。世界知名汽車製造商紛紛採用碳纖維複合材料零部件製造車型。

2014年，寶馬i3和i8的上市不僅開創了碳纖維複合材料在量產車型大規模應用的新紀元。寶馬i3和i8作為一款零排放電動車，正是由於採用了碳纖維複合材料打造的車身，使整車質量僅為1255千克，完美解決了由於電池質量而帶來的車輛質量大增，車輛駕控敏捷度降低的問題，並創造了百公里7.2秒的加速時間。

隨著我國汽車工業的發展，複合材料在我國汽車工業中的應用廣度有了突破，汽車複合材料的年用量為10萬噸左右，但主要是應用於非承力結構的玻璃鋼複合材料，汽車複合材料廠家普遍規模較小。碳纖增強環氧樹脂複合材料在大型商用飛機和高性能汽車（如特斯拉、寶馬i3和i8）及F1賽車主承力結構件上的成功應用表明，複合材料完全可以取代金屬被用於汽車車身結構中。目前，國內整車企業也紛紛開始嘗試採用碳纖維複合材料零部件替換傳統金屬零件。

國內整車廠紛紛開始著手調研國內複合材料研發和製造企業，著手啟動面向量產的複合材料零部件的設計和研製，逐步開始為量產做充分準備。由於有承力要求，汽車用複合材料零部件（尤其是承力件，如傳動軸等）需要對材料以及部件進行重新設計。近年來，中航復材充分發揮自身在設計、材料、製造等方面的優勢，先後為整車廠研發了汽車前艙蓋、後備廂蓋、尾翼、重載汽車板簧、客車板簧、重載汽車傳動軸、全復材承載式大巴車身、全複合材料油罐等產品，部分產品已經通過了測試驗證。

國內汽車複合材料產業現狀與差距分析

「十一五」、「十二五」期間，國內車企與科研單位聯合先後研發出四代碳纖維複合材料示範電動車。前兩代通過逆向工程設計技術，採用碳纖維複合材料對已有車型的覆蓋件以等代設計法進行替代，驗證了碳纖維複合材料的減重效果，以及碳纖維複合材料覆蓋件的製備與裝配技術；在前兩代車的設計製造基礎上，後兩代車通過正向設計製造，對整車進行結構設計，驗證了全碳纖維複合材料主結構部件的設計、製備和裝配連接技術，進一步探索了碳纖維複合材料整車的設計、製造、裝備和性能測試技術。這四代車的研發為碳纖維複合材料在汽車工業的產業化應用積累了寶貴的經驗，開啟了國內碳纖維複合材料汽車應用的新起點。

近期，中航復材在國內率先採用快速固化預浸料結合快速模壓工藝、真空輔助成型工藝製備了承載式全複合材料純電動客車車身，在兼顧複合材料構件的整體化製造、成本控制和製造效率等方面取得了較好的效果。目前國內各汽車主機廠以及零部件供應商都在進行碳纖維複合材料研究，主要集中在零部件的輕量化上，採用非連續性纖維成型工藝，製備的汽車零部件已實現了量產及規模化應用。然而，由於自動化生產裝備的缺乏，連續纖維複合材料尚未形成量產水平，尤其是車身量產技術。雖然有企業推出了碳纖維複合材料車身電動車樣車，但部件、整車的設計、驗證以及量產技術，自動化裝配技術，質量控制等均尚處於探索中，離碳纖維複合材料在汽車工業的規模化應用還存在一定的距離。

國內在連續碳纖維複合材料輕量化汽車製造產業方面才剛剛起步，處於前期技術探索和積累階段。中航復材已與中國一汽聯合成立「汽車用先進材料聯合實驗室」、與北汽聯合成立「汽車用先進材料技術中心」，旨在開展汽車用複合材料零部件的研發和工程化應用，與長安汽車、比亞迪集團也在開展合作，面向新能源車開展複合材料零部件研發和研製。公司先後開發了系列汽車零部件（複合材料板簧、傳動軸、輪轂等動部件和引擎蓋、後備廂蓋、尾翼等覆蓋件）和國內第一台全複合材料大巴車身。中航復材於2014年承擔了國家「863」項目——《CCF-3級碳纖維複合材料在交通和能源領域規模化應用技術》。該項目以快速固化樹脂及預浸料為主要材料體系，以快速模壓及真空輔助成型（VARI）為主要工藝，通過全複合材料純電動客車車身為領先示範應用考核與驗證，顯著降低高性能碳纖維複合材料的成本，大幅提升複合材料構件的製造效率，實現國產碳纖維及複合材料在交通領域的推廣應用，未來將帶動1000噸/年的碳纖維工程化應用，推動我國碳纖維複合材料相關行業持續發展。

儘管近年來國內在碳纖維複合材料技術上取得了長足的發展，但與國外汽車複合材料技術發展與規模化應用方面還存在很大差距，具體分析如下：

（1）需求牽引不足。由於市場缺乏消費動力，政策配套還未健全，汽車製造商並未從新能源汽車高投入中獲得高收益，嚴重製約了生產積極性，投入資金開展新能源汽車生產後，難以實現大規模產業化。受整個新能源汽車產業發展現狀的制約，碳纖維複合材料在新能源汽車應用也基本處於探索研究階段。

（2）碳纖維方面的差距。雖然近年來我國碳纖維產能快速放大，但差距依然存在。與國外相比，國產原絲大多雜質含量高、質量不夠穩定、離散係數大，成本還需進一步降低。

（3）複合材料製造技術差距。滿足快節拍低成本製造的相關材料和自動化裝備滯後。汽車產業的特點要求複合材料製造過程中既要滿足性能要求，又要滿足快節拍生產和低成本製造，還要發展配套的維修材料和維修工藝。目前國內已經有滿足低成本要求的碳纖維材料、快速製造的樹脂材料和配套工藝材料。而且，為之開發了快速製造整套數字化、智能化工藝裝備，保證了汽車複合材料零部件的快速可重複精確製造。國內相關材料雖然也在研發，但尚未形成標準和實現工業應用。

（4）設計開發和試驗技術落後，能力不足。目前，複合材料設計軟體均來自於國外，覆蓋複合材料設計、工藝模擬、力學性能分析的系列模擬軟體。由於汽車複合材料研究在中國剛剛起步，目前國內缺少設計、分析和模擬所需的可靠的材料和工藝數據； 還不能準確、完整地定義載荷和環境條件要求； 汽車複合材料結構損傷模式和失效準則還難以確定； 汽車複合材料結構試驗方法、判據和試驗裝備缺乏： 既懂汽車又懂復材設計的人才稀缺，這些方面都需要在後續研發和應用中逐步積累和完善。

（5）汽車用複合材料維修技術尚未全面開始研究。基於VAT技術的修補材料及修復補強技術需要進一步推廣。

（6）工業化的複合材料回收再利用技術還不成熟，尚未形成一條完整的複合材料回收利用產業鏈，需儘快開展碳纖維複合材料廢品的循環利用技術的研發工作，提高碳纖維產品的利用效率。

國內汽車複合材料產業化應用需要突破的關鍵技術

高性能複合材料要在汽車上實現規模化應用，首先需要設計和構建基於量產的複合材料汽車零部件快節拍製造系統解決方案。目前，不管是汽車主機廠、汽車零部件企業，還是複合材料零部件製造企業都沒有現成的基於量產和低成本製造的系統解決方案。構建該解決方案需要首先突破以下關鍵技術：材料—設計—製造一體化產品設計技術；低成本、快速固化的材料(或低工藝成本材料) 技術；低成本、自動化連續集成製造工藝技術；產品（或元件級）關鍵性能試驗技術；配套修補材料和修復技術；複合材料循環利用與回收技術。

國內在碳纖維複合材料輕量化汽車製造產業方面才剛剛起步，還處於前期技術探索和積累階段。因此國家推動碳纖維複合材料在汽車產業中的應用不僅必要，而且愈來愈顯緊迫。從推動新材料等戰略新興產業發展方面來看，國家引導汽車工業和碳纖維材料產業相互結合也具有更加深遠的意義。碳纖維-複合材料-應用這個產業鏈涉及多個學科、多個領域的基礎科學問題與應用技術問題，具有交叉性強的特點，亟待國家進行全面的頂層設計、分類管理，組織強強聯合、集智攻關，共同構建整車企業-碳纖維原料-複合材料製造企業的聯合團隊，突破設計、材料、製造、驗證、裝備等一系列關鍵技術，打造基於量產的複合材料汽車零部件快節拍製造系統解決方案。逐步實現汽車行業對於複合材料從不會用到會用，從簡單用到用到好的轉變。

作者簡介：

仝建峰，研究員，中航複合材料有限責任公司副總師兼非航製品開發事業部部長，長期從事民用複合材料產品的研發及技術管理，參與國家「863」、集團公司創新基金等多項重點課題，先後獲得國家發明專利26項，發表學術論文35篇,曾獲「中航工業優秀黨員」，中航工業基礎技術研究院「創先爭優先鋒崗」，「中航工業航空報國優秀貢獻獎」，第一屆「中航工業優秀青年」，榮立集團「十一五預研」個人三等功。