汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状

刘万双 魏毅 余木火

摘要：在节能减排、开发清洁能源汽车的背景下，车用材料轻量化是目前全球汽车工业技术研发的主要目标之一。本文对国内外主要汽车制造商在汽车轻量化用碳纤维复合材料的应用现状进行概述，指出了我国汽车轻量化技术发展存在的问题。

关键词：汽车轻量化；碳纤维复合材料；高性能纤维

中图分类号：TB33 文献标志码：A

Current Situations of Carbon Fiber Reinforced Composites Used for Lightweighting of Automobile at Home and Abroad

Abstract： To meet the requirements of energy-saving， emission reduction and developing new energy vehicles， lightweighting of automotive materials is one of the most important targets for technological R&D in global auto industry. In this article， recent progress on using carbon fiber reinforced composites for automobile lightweighting has been systematically reviewed based on case study of leading auto manufacturers from home and abroad. Finally， the choke points for the development of automobile lightweihting in China are summarized.

Key words： automobile lightweighting； CFRP； high performance fiber

目前，全球生产石油的70% ～ 80%被用作汽车燃油，减少汽车燃油用量是改善全球气候问题的重要组成部分。世界多个国家和地区已经对汽车二氧化碳排放量进行了严格限制，我国也已颁布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 — 2020年）》，要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。

轻量化技术是汽车降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效工程途径之一。采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的途径。德国宝马率先在i3、i8电动车、7系、5系等量产车中大量使用碳纤维复合材料（CFRP），轻量化效果显著，掀起了一场汽车产业材料革新的浪潮。目前全球几乎所有的汽车企业都制定了CFRP轻量化发展计划。CFRP用于汽车轻量化的优势主要在于：密度小，比强度、比模量高，轻量化效果明显；集成度高，减少零部件数量；可设计、造型自由，实现流线型曲面的成本低；吸收冲击性能是金属的 5倍，提高碰撞过程人员安全性；减震性能好；颠覆汽车生产流程，采用模压和粘结工艺代替冲压和焊接。目前CFRP作为汽车轻量化结构材料替代金属材料，其在性能上完全可以满足要求，关键是批量生产技术和成本。基于最新的行业报告数据及实践调研，本文将对国内外汽车轻量化用CFRP的发展现状进行概述。

1 国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状

自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车 ——GM Corvette制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。欧美日等发达国家汽车生产巨头们一直是汽车轻量化用CFRP的引领者和推动者，下文将针对国外主要汽车生产商在CFRP应用技术方面的进展进行介绍。

德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011年，法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。i3和i8创新的车体架构由 2 部分构成：一部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的Drive模块，集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一部分是由CFRP制成、构成车厢主体的Life模块（图 1）。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。这种独树一帜的车身结构被称为“Carbon Core高强度碳纤维内核”，不仅优化了车身重量，增强了车身的强度和抗扭刚度，还具有舒适的驾驶体检。

宝马公司还率先开启了CFRP在汽车领域的全方位应用模式，包括：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。宝马公司或将在未来 1 ～ 2 年内为旗下车型配备大量的碳纤维部件，特别是碳纤维轮毂，这将大幅度降低汽车的重量。宝马公司的CFRP轮毂是与i系列汽车同时开发的，包括全碳纤维轮毂和碳纤维轮辋+合金轮辐的轮毂。全碳纤维轮毂的重量比锻造合金轮毂轻35%，而合金+碳纤维轮毂比锻造合金轮毂轻25%，这将显著降低整车的重量，宝马公司有望在 2 年内把这种轮毂推向市场。此外，全碳纤维制造的传动轴还将作为单独配件配备新宝马M3和M4系汽车。宝马还在大力宣扬他们的碳纤维材料二次利用，例如i3和i8汽车的边角料可以用来取代传统铝镁合金材料制作仪表板支撑结构、座架以及备用车轮。

在生产工艺方面，为降低CFRP零部件的生产成本以及提高生产效率，宝马采用针对热固性CFRP快速制造开发了高压树脂转移模塑（HP-RTM）工艺（图 2）。该工艺首先将碳纤维织物进行初步的预成型，然后将碳纤维预制件放入到模具当中，在高压状态下将环氧树脂注入模具当中，通过精准的温度、压力和时间控制，使碳纤维和环氧树脂结合，并进行固化，最终形成具备优秀刚性的碳纤维板材。这个加工过程可以全程自动化进行，而高压、高温的处理过程仅需大约 5 min，传统制造工艺则往往需要几个小时。车身的组装工艺采取模块化连接，碳纤维部件的结合像堆砌模型一样采用胶水连接（图 3）。为了缩短固化时间，宝马专门研发了特种粘合剂，在涂敷到车身部件之后仅90 s就可以接受加工，然后产生粘性，在经过1.5 h后就已经固化。这使得车身组件具有完全的刚性，制造速度比普通工艺提升10倍。整个过程全部为自动化操作，包括粘合剂的涂抹、部件的对接等，除了节约人力之外，也减少了粘合剂中的化学成分对工人健康的危害。

纵观宝马几款碳纤维车身的生产过程，有几个明显的特点可谓贯穿始终。首先是颠覆传统汽车生产流程，如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么“碳纤维+新能源”可能是第二次汽车革命，碳纤维生产的车身不需要传统的冲压、焊接、涂装，变成了模压成型、粘结、涂装或塑料外壳；其次是高度的机械化，在整个生产过程当中，机器人的大量使用已经让生产过程基本实现自动化，人工操作仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率，减小制造误差，人力成本也得以大幅降低；最后是环保与可持续发展的理念，宝马大量使用可回收材料制造汽车部件，同时全面采用水电和风电等可再生能源。

除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。美国Morison公司为Dcna公司生产的CFRP汽车传动轴（图 4（左）），供通用汽车公司载重汽车用。福特1999 — 2004野马载重车汽车也采用了CFRP传动轴（图 4（右））。采用CFRP可使原来 2 件简化合并成 1个传动轴，且与钢材料相比，可减重60% ～ 70%。英国GKN技术公司也开发了CFRP传动轴，重量减轻50% ～60%，抗扭性比钢大10倍，弯曲刚度大15倍。

2008年，日本Weds Sports公司在推出的概念车上第一次使用了碳纤维轮毂，但当时还是停留在概念阶段。2009年，澳大利亚Carbon Revolution公司开发出了CR9“一体式”全CFRP轮毂，相比铝合金轮毂，其重量减轻了40% ～ 50%，并且首次应用在Shelby Ultimate Aero跑车上。2012年该公司生产的CFRP轮毂成功地在保时捷911上使用。目前Carbon Revolution公司在筹备为兰博基尼、奥迪R8推出碳纤维轮毂。2015年初，美国福特发布了全新一代野马Shelby GT350R汽车，其采用的碳纤维轮毂再一次引起了关注。以福特Shelby GT350R Mustang所装备的碳纤维轮圈为例，将原本每个轮毂重14.98 kg的铝合金材质换为8.17 kg的碳纤维轮圈后，全车减重27.24 kg，这将显著地改善车辆的操控性能。另外，由于轮圈减重45%，轮圈+轮胎的转动角动量能约降低40%，也改善了加速和刹车的效能。

2011年4月，比利时Solvay公司开发了一种全新轻巧的CFRP Polimotor四缸发动机缸体（图 5）。被浇注的复合材料缸体是最终净形状，消除了二次加工的麻烦，且振动噪声显着减少，耐腐蚀。此外，和压铸工艺相比，模具工具成本减少50%。CFRP缸体比合金缸体重量轻20磅。第二代Polimotor全碳纤维发动机缸体项目在2015年有了新的进展，预计该发动机将于2016年预先应用于赛车、OEM汽车和卡车。该项目有望推动未来汽车领域的重大革新，使碳纤维发动机缸体有可能广泛地应用于商用车。

日产汽车株式会社旗下的2014款GT-R跑车采用了三菱丽阳生产的碳纤维后备箱车盖，该量产化车盖以碳纤维和固化时间为 2 ～ 5 min的热固性环氧树脂为原料，利用三菱丽阳开发的预浸料模压成型工艺生产。三菱丽阳称该工艺将单个部件的生产时间缩短了10 min，更适合汽车部件的规模化量产，而且模压成型的部件表面平滑，易于涂漆装饰。

日本东丽与丰田合作开发的碳纤维增强热塑性聚合物复合材料，可用作制造燃料电池反应堆框架（图6），目前已应用于丰田燃料电池汽车Mirai中，这是世界上第一次将热塑性碳纤维复合材料用于量产汽车结构部件。碳纤维增强热塑性聚合物具有成型时间短的优点，与热固性聚合物相比，生产效率更高，更适合大规模生产。

2015年东京车展上，雅马哈展出了仅重750 kg的全新概念跑车SportsRideConcept（图 7），该车身长3 900 mm，宽1 720 mm，高1 170 mm，超轻的车身得益于其iStream CFRP底盘。iStream碳纤维底盘由英国Gordon Murray Design公司开发，历经 2 年时间，材质由最初的玻璃纤维转变为碳纤维。iSteam采用了创新的“三明治”结构，蜂窝状的内核被 2 片碳纤维板夹在中间。相比超跑所采用的碳纤维单体壳结构，iStream碳纤维底盘的生产周期更短，生产过程可实现全自动化，周转时间仅为100 s，年产量可达1 000 ～ 350 000件。iStream碳纤维底盘同样具有轻量化、高刚性的特点，相比宝马7系仅关键部件为碳纤维材质，iStream碳纤维底盘的减重效果更加明显。这项技术的出现，或将成为入门级跑车爱好者的福音。

韩国现代最新推出的Intrado燃料电池概念车同样秉承了轻量化的设计理念，该车全车架、引擎盖以及侧板均采用CFRP制造，质量比传统钢板制造的汽车轻60%，大大提高了燃油效率，一次补充燃料可行驶644 km，百公里加速时间低于12 s。

2 国内汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状

得益于国家“十五”和“十一五”863计划碳纤维专项支持，我国碳纤维的产业化取得重大进展，通用型高强T300级碳纤维实现了产业化，T700级碳纤维实现了工程化，T800级碳纤维突破了关键技术，开始批量生产，高模型（M40）碳纤维也实现了关键制备技术的突破。国内相关碳纤维生产企业的大规模建设为汽车用CFRP的国产化和低成本化奠定了坚实的基础，一大批企业开展了碳纤维在汽车轻量化方面的应用研究。

江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车（图 8），并于2016年3月获得中国汽车生产许可证。奥新e25紧凑型A级车，具有核心技术自主知识产权，采用CFRP车身（图 9），轻量化效果明显：百公里耗能低于10 kW·h，续航能力强，充一次电最长可行驶440 km，0 ～ 50 km/h加速仅需4.7 s。目前奥新建立了完整的CFRP车身及其零部件结构设计、制造与评价体系，创造了第一个 2 万辆碳纤维纯电动汽车制造工厂、第一条电动汽车铝合金底盘机器人焊接线、第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线 3 项中国第一。奥新正与东华大学等国内高校紧密合作，进一步优化零部件结构以及提高制造效率，研发自动化量产技术与装备。

北京汽车在推动汽车轻量化用CFRP方面，成功研发了用于碳纤维发动机盖覆盖件及车身功能件的一系列CFRP部件。在2016年其新型SUV车型上，将会搭载碳纤维发动机罩盖（图 10），相比钢质前机舱盖可减重17 kg（50%）。BJ40车型使用了玻纤、碳纤混杂复合材料车顶盖，较钢制顶盖减重48%。绅宝D60则采用了CFRP前格栅和尾翼，彰显运动和时尚特性。

奇瑞汽车开发了一款CFRP电动汽车（图11），该电动车是奇瑞首款采用PHEV（插电进行充电的混合动力汽车）的车型。其优势在于采用CFRP部件后的车身仅重218 kg，相比金属车身418 kg，车身减重48%。另外，CFRP部件的应用也显著提高了汽车的抗冲撞性能和操控性。奇瑞汽车目前正努力解决该车型实现低成本、批量化生产所面临着的诸多技术难题。

北京长城华冠汽车技术开发有限公司开发了一款名为前途（EVENT）的纯电动跑车概念车。该电动跑车以节能、环保为设计出发点，产品集成了众多汽车行业的前沿科技。长城华冠EVENT车体内外覆盖件整体采用CFRP，在大幅度减轻车体重量的同时，产品的力学及安全性能也优于传统金属钣金部件。该款车型目前已经在苏州建设生产车间，预计2017年开始生产。

上海汽车公司自2008年起，先后承担了多项国家级、上海市和地方的汽车轻量化项目，包括上海市科委科技创新计划项目“新能源汽车CFRP典型部件的开发与应用”、上海市科委重点攻关项目“新能源汽车轻量化技术开发”、上汽 — 科委专项创新项目“轻量化技术在荣威E50纯电动轿车上的应用研究”，为汽车轻量化技术方面的研究与开发积累了良好的基础。

长安汽车开展了大量CFRP在汽车轻量化应用的探索工作，研发了准备在量产车应用的碳纤维传动轴和后举门。中国第一汽车集团公司开展了复合材料板簧、传动轴和CFRP前后盖的研究。复合材料传动轴采用碳纤维增强环氧树脂预浸料，经由卷搓/热压罐成型工艺制造，相比传统金属传动轴，碳纤维传动轴可减重40%，采用CFRP还可使原来由 2 件合并成 1 个单件传动轴。CFRP前后盖，采用T300碳纤维和环氧树脂，经由RTM工艺制造，相比金属材料可减重64%。

3 结语

CAFE（世界轻型车油耗及温室气体排放法规）的出台促使全球各大汽车生产商在汽车轻量化技术领域加大研发投入。应用以碳纤维为代表的高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是实现汽车轻量化的最有效工程技术途径之一。目前发达国家汽车生产商在汽车轻量化材料和应用技术领域处于绝对领先地位，虽然目前我国几乎所有的汽车企业都制定了CFRP发展计划，并与碳纤维企业建立联盟，但仍面临着一些发展瓶颈，如缺乏复合材料整车及零部件设计准则、评价标准与数据库；缺乏复合材料零部件自动化量产技术与装备；缺乏车用低成本碳纤维及其中间体材料产业链；缺乏碳纤维汽车维修、回收及循环利用技术体系等等。上述问题都是未来我国汽车产业轻量化发展亟待解决的关键环节。

参考文献（略）