碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的应用

张立侃

（河北红星汽车制造有限公司 054007t)

碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的应用

张立侃

（河北红星汽车制造有限公司 054007t)

近几年来，随着低碳环保意识、高新技术的不断发展，尤其是当前汽车轻量化的发展环境中，碳纤维复合材料（CFRP）凭借其超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等特性，成为了当下新能源汽车产业的原材料首选，在新能源汽车上的应用日渐普及。本文将对碳纤维复合材料（CFRP）所具有的特性、及其在新能源汽车行业的运用情况进行了深入探讨，力求为碳纤维复合材料（CFRP）的未来运用提供一定的参考。

碳纤维复合材料；新能源；汽车行业；应用

0 引言

随着社会经济的快速发展，低碳节能、高效低成本已经成为各个行业市场竞争的必然选择，低碳环保、节能减排也是当前政府非常重视与强调的，尤其是工业生产与汽车产业。在政府、社会相关宣传与个人环保意识不断提升的推动下，新能源汽车等相关领域不断创新与发展，为新型低成本三维复合材料带来发展契机。碳纤维复合材料不仅具有良好的性能，诸如：超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等，在提升电动汽车性能方面具有不可替代作用，还能降低电动汽车车身的总体成本，非常有利于新能源汽车赢得消费者的青睐并抢占更多的市场份额。碳纤维复合材料在汽车车身中的运用已经成为世界各国争相发展的一门关键技术，尤其是具有成熟汽车产业市场的欧美国家与日本，这些国家各大车厂在进行汽车生产的过程中都大量选用了碳纤维材料，实现优化车体结构、降低汽车车身生产成本以及提高汽车性能的目标。

本文将深入探讨碳纤维复合材料的特性及其在新能源汽车行业运用现状，结合碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的运用实例，分析碳纤维复合材料所具有的优势，展望碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的运用前景。

1 碳纤维复合材料（CFRP）介绍

1.1 碳纤维复合材料概念

碳纤维（carbon fi ber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料[1]。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称碳纤维复合材料。

1.2 碳纤维复合材料的特征

（1）超强抗拉弹性

碳纤维复合材料具有超强抗拉弹性，通常情况下高于3 500 MPa，这种强度是钢铁的7倍。另外，不但抗拉弹性远远高于钢，其比模量也远远高于钢。

（2）耐高温、耐腐蚀

相较于其他的材料而言，CFRP具有轻量化、刚强、柔韧性外，还具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等超强性能。除此之外，独特的碳结构让其拥有大面积的整体成型特征，同时，它还拥有良好的稳定性与设计可塑造性，正是这些独有的特征让其可以在车轻量化实现线性增长[2]。

（3）能量吸收性能优越

优越的能量吸收性能是CFRP材料在新能源汽车中被广泛运用的主要原因。CFRP材料是同类的钢质零部件质量的一半不到，是同类铝制零部件质量的70%左右，质量轻，还能抵抗更大的冲击，足见CFRP材料的优越性。

1.3 碳纤维复合材料发展历史与发展现状

从20世纪70年代开始，CFRP材料开始受到世界各国相关研究人员的关注。在国内的发展起步相对较晚，但是经过30多年的不断发展与创新，当下国内市场上已形成了一个比较完善的碳纤维复合材料产业链，碳纤维复合材料被广泛运用到航空航天、汽车生产制造等行业。但由于CFRP材料价格较高，使得其在零部件上运用量不多，大部分是运用在辅料上，而不是主料上。另外，当前我国的CFRP材料研发能力有限，大部分的CFRP材料过于依赖进口。而相较于一般的常规材料而言，零部件的自动化、全体化、集成化可以实现减轻成品重量、降低车身设计成本、压缩制造成本等车身制造目标，上述的三种优化比例可高达15%～30%。因此，提高运用CFRP材料的技术水平，对我国制造行业以及航天航空行业的快速发展具有不可忽视的重要作用。

2 碳纤维复合材料在新能源汽车行业的运用现状

2.1 碳纤维复合材料在新能源汽车行业运用的必然性

任何事物的兴起与没落都是有道理的，是时代发展的结果。当前，面对人类生存空间环境的不断恶化，世界各国开始强调节能减排与低碳生产，对于汽车行业来说，主要是致力于开发清洁能源汽车，碳纤维复合材料成为车用材料轻量化的主要目标。早在2009年，我国科研院所开始致力于碳纤维电动车的相关研究，经过8年的发展，取得了明显的研究成效。而在国外，碳纤维复合材料在新能源汽车行业运用也得到了极大的重视。2010年，德国奔驰公司与日本碳纤维生产商东丽公司（TORAY）展开复合材料与新能源汽车的资源整合，共同投资建厂生产碳纤维汽车部件。2013年，德国宝马汽车公司就开始瞄准碳纤维电动汽车的开发，投资了将近5亿欧元进行电动汽车车身的开发与设计，成功将“全球首款量产全碳纤维车体汽车”推出市场，并在市场上取得了巨大的反响。此外，该公司还与德国碳纤维生产商SGL集团进行资源整合与开发，共同投资，在美国设立专门的碳纤维纱线生产基地。

近几年来，在政府的各种宏观调控政策的引导与规范下，新能源汽车的生产与制造更偏向于选择CFRP材料，这样才能符合政府所制定相关政策法规的要求，诸如：车辆燃料经济性标准、二氧化碳排放法规等。各国对汽车的规范、要求各不相同，都是根据自身国家的实际情况进行拟定，并落实与实施。例如，美国提高了对乘用车的车身重量、燃料效率等方面的要求，将乘用车的燃料效率要求提高到4.32 L/100 km，这是常规的、典型的乘用车所难以实现的，促使汽车生产企业纷纷加入到削减车身重量的队伍中去。这也大大推动企业对具备超强稳定性、抗腐蚀性、耐高温性以及高能量吸收性能的CFRP材料的选用。由此可见，碳纤维复合材料在新能源汽车行业运用即是时代选择的结果，也是行业发展的必然趋势。

2.2 碳纤维复合材料在新能源汽车行业的运用现状

新能源汽车的可持续性发展目标与GFRP材料在汽车中的应用目标是一致的，主要体现在低碳环保、经济实用以及社会效益高。GFRP材料在汽车中的应用历史不是很久，但是发展的速度却是极为迅猛的。对比国内外碳纤维复合材料在新能源汽车行业的运用，可以发现国外企业在GFRP材料的六十多年发展历程中已经构建了一个较为成熟的体系，而我国GFRP材料在新能源汽车行业的运用仍处于初级阶段，GFRP材料的自主创新能力薄弱，高端产品主要依赖进口[3]。下面通过实例来探讨碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的运用情况。

（1）中国

目前，从我国汽车行业的市场发展情况来看，中国汽车工业已经从动态的发展状态逐渐转入稳健的发展状态，增加企业的研发能力与创新能力，降本增效是当前我国自主汽车企业抢占市场份额的主要手段[4]。奇瑞、长城、江淮、长安等国内车企近两年都非常重视新能源汽车的开发。2014年，奇瑞汽车率先在北京市场推出了新能源汽车，这是一款由奇瑞和中国科学院联合打造的新能源汽车产品，由碳纤维复合材料构成的车型非常的流畅与人性化。另外，长城自主研发了一款纯电动跑车——长城华冠EVENT，这款跑车采用了较多的GFRP材料，削减电动车的质量，同时也实现了节能、环保的设计诉求。GFRP材料的使用也保证了产品的安全性、抗暴力等指标。

（2）德国

相较于全球其他国家的新能源汽车行业，德国的新能源汽车行业发展较快，汽车车身重量的管理与控制情况比较良好，诸如：德国宝马的i3纯电动汽车。车身的构造非常稳定，实现了重量、质量的反比增长，其车身重量是传统电动车的50%～70%，具有更好的底盘。宝马全新X7系列从整体车身的结构设计出发，切入轻量化结构设计与质量分布，实现了全面的“瘦身”。

（3）日本

日本是一个非常强调高新技术与文化传承的国家，这点极大地推动了新能源汽车行业的建设与发展。例如，东丽CFRP材料单体车身构造为中空构造一体成型，重量在钢制EV车体的50%以下，总重量仅为45 kg，提高了汽车的各种性能，很好的实现了节能减排，推动了该公司新能源汽车的创新与设计。

3 结束语

纵览当前汽车产业与新能源产业的发展情况，可以发现，CFRP材料在新能源汽车中的广泛运用是一种必然结果，也是新能源汽车企业进行汽车生产与制造的必然选择。未来，随着节能减排、生态环保理念的不断推广，再加上新能源技术的开发与运用，碳纤维复合材料（CFRP）在新能源汽车行业中的运用范围与运用比例将会有很大程度上的提升，朝着经济性与动力性方向发展。

[1]蒋鼎丰.低成本碳纤维复合材料是新能源汽车轻量化的重要选择[J].汽车制造业,2013：57-57.

[2]宋燕利, 杨龙, 郭巍, 华林.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J].材料导报,2016,30(17)：16-25.

[3]侯雅男.碳纤维复合材料特性及其在汽车单体壳上的应用[J].工业技术创新,2016,3(6)：1293-1295.

[4]黄硕, 王亮, 陈超.我国碳纤维复合材料在汽车上的应用趋势和建议[J].中国材料科技与设备, 2015(3)：59-62.

U465.6文献标示码：A

张立侃（1989—），男，助理工程师，本科，研究方向为新能源汽车内外饰新型材料的性能及应用。