汽车轻量化进程中碳纤维复合材料（CFRP）技术应用现状

冶存良 李红娟

宁夏理工学院 宁夏石嘴山市 753000

1 引言

据统计2017年全国机动车保有量达到3.101亿辆，其中汽车2.17亿辆（含新能源汽车153.0万辆），预计我国汽车保有量到2020年达到2.8亿辆，2025年达到3.6亿辆，而汽车保有量的峰值将会达到6亿辆。这预示着我国汽车工业前景一片大好，但与此同时也会加剧能源消耗、环境污染和交通安全等重大问题的恶化。在当下国家大力倡导节能减排和低碳环保政策的强力驱动下，汽车工业想走上又好又快的绿色发展知道，除了另辟其径发展新能源汽车，还须从汽车自身的设计、用料和制造工艺等源头上找出路。

实验证明，汽车整备质量减轻10%，油耗将减少6%～8%，排放性改善6%，制动距离降低5%，加速时间缩短8%，转向力矩减少6%，轮胎寿命提高7%，材料疲劳寿命提高10%，CO2排放量降低8～11g/（100km）；对于纯电动汽车，整车重量降低10%，平均续驶能力可以增加5%～8%[1]。

现代轿车所使用的传统材料主要为钢材、铸铁、铝合金和塑料等。其中，钢材占比约55%～60%，铸铁12%～15%，铝占比8%～10%，塑料占比约8%～12%[2]。在满足汽车的使用性能、安全性能和成本要求的前提下，采用轻量化新型材料，可以提高汽车的动力性、降低油耗、改善排放性，达到节能减排和低碳环保的目的。

采用轻量化材料并不是传统意义上的偷工减料和零件减配，是在保证汽车行驶安全性基础上，通过优化设计、采用轻质材料和改善制造工艺，以达到减轻车身自重的一种手段。目前，汽车上应用的轻质材料主要包括高强度刚、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维复合材料（CFRP）和塑料等[3]。

其中，碳纤维复合材料（CFRP）具有很好的韧性和抗拉强度，其比强度（107cm）是普通钢、铝合金、钛合金、玻璃钢的2～8 倍，比模量（109cm）是普通钢、铝合金、钛合金、玻璃钢的3～5。而且，其密度在1.45～1.6g/cm3之间，不到钢的25%，比铝还要轻，它的应用可使汽车车身减轻质量30%～60%[4]。因此，如果不考虑成本问题，则碳纤维复合材料是汽车轻量化材料的绝佳选择。

2 碳纤维复合材料（CFRP）的技术现状

2.1 结构与特性

碳纤维复合材料根据原料不同可分为：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维使用最广，产量占比超过90%以上[5]。碳纤维复合材料“刚柔并济”，兼具碳材料和纤维的双重优良特性，具有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦的特性，其的高集成度性、使得在零部件制造过程中可以减少零部件数量；由于可设计和造型自由的特性，可降低流线型曲面配件的制造成本；高效率的抗震、吸收冲击性能，可达到金属的5倍，因此可提高汽车发生交通碰撞事故车上人员安全性；在各项力学性能方面，与轻质金属合金材料相比（如高强度钢、铝合金、钛合金和镁合金），普通的碳纤维复合材料也远远优于它们。但是阻碍高端碳纤维复合材料发展的障碍是，目前其由于技术含量高、生产工艺极其复杂等原因，造成使用成本也水涨船高[6]。

2.2 碳纤维复合材料（CFRP）技术现状

碳纤维复合材料技术和市场一直被日本和美国所占据，日本是碳纤维技术最发达的国家。日本东丽、东邦和三菱丽阳3家企业的碳纤维产量约占全球 70%～80%的市场份额。美欧企业以生产大丝束碳纤维为主，约占全球大丝束碳纤维产能的90%。日本和美国的碳纤维复合材料技术目前已经发展到第三代（业界没有具体的科学界定，）其中，第一代的代表为日本东丽T300（抗拉强度3.5GPa，弹性模量230GPa）、美国郝氏AS4（抗拉强度4.4GPa，弹性模量231GPa）；第二代的代表为日本东丽T800（抗拉强度5.9GPa，弹性模量294GPa）、美国郝氏IM7（抗拉强度5.6GPa，弹性模量276GPa）；第三代的代表为日本东丽T1100G（抗拉强度6.6GPa，弹性模量324GPa）。2015 年 7 月，在美国国防部高级研究计划局（DARPA）大力资助下，佐治亚理工学院创新PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，模量实现大幅提升，超过了赫氏IM7 碳纤维。这标志着除了日本，美国是全球第二个掌握第三代碳纤维技术的国家[7]。

我们国家在碳纤维材料方面起步虽然较早，但发展速度较慢，直至近几年，国内碳纤维产业才逐渐迅速发展。2009年，T300级碳纤维规模化生产成功，标志着我国完全掌握了第一代碳纤维技术；2012 年，T700级碳纤维试产的成功，预示着我国在第二代碳纤维材料技术上有所突破。但是尚未全面突破，如不及时跟进第三代碳纤维的技术开发，必将进一步拉大与日本和美国在碳纤维材料方面的技术差距。我国生产碳纤维的厂商有40余家，其中达到千吨级的不超过4家，碳纤维年总产能为2.5～2.6万吨左右，实际年产量仅为1.3万吨左右，开工率不到一半，大部分厂家的生产设备均处于闲置状态。[8]。

2.3 碳纤维复合材料（CFRP）应用现状

碳纤维复合材料（CFRP）的使用，可使车身、底盘减重50%以上，相当于钢结构重量的1/3~1/6。用碳纤维复合材料（CFRP）所制的板簧，重量仅为14公斤，比传统材料减重76%[6]。利用碳纤维制造的汽车传动轴，除了可以减轻重量，由于其高效的吸能和减震性能，还可以降低噪声污染和振动强度，起到很好的降噪和缓冲作用，保证了汽车整体工作的平顺性。比如：英国GKN公司使用碳纤维增强塑料制造的传动轴，可减轻重量50%~60%，比钢轴的抗扭性高10倍，弯曲刚度高15倍[9]。

目前，碳纤维复合材料在汽车上的应用部件主要包括汽车车身、制动器衬片、座椅加热垫、燃料贮罐、传动轴、轮毂等部件，其次还包括汽车底盘、仪表盘、引擎盖、座椅及座椅套垫、导流罩和A 柱等部位。但是，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用仍然有限，仅在一些诸如F1赛车、高级乘用车、小批量车型上有所应用，如宝马I3、通用的Ultralite 车身，福特的GT40车身等[4]。

利用碳纤维复合材料对汽车进行轻量化改进在国外已开始逐步推广应用，以宝马、奥迪、奔驰、福特、通用、丰田、日产、大众等为代表的知名厂商已开始深入介入碳纤维产业，逐渐将碳纤维复合材料应用到旗下不同车型。康得复材与奔驰、宝马、丰田、北汽、长安、蔚来等全球59家汽车企业建立合作关系，产品涵盖汽年结构件、覆盖件、汽车装饰件、碳纤维白车身等应用。国内汽车工业应用碳纤维复合材料尚处于起步阶段。2017年，北汽集与康得复材签订了中国首个碳纤维汽车部件量产订单，成为中国碳纤维用于汽车轻量化实现量产的开端。以奇瑞、观致、北汽集团为代表的国内汽车厂商已开始在其推出的新能源电动汽车上使用碳纤维复合材料[10]。

3 碳纤维复合材料应用于汽车工业的建议

（1）碳纤维复合材料广泛应用于汽车轻量化进程难，主要由于开发技术和生产工艺复杂而导致成本太高，汽车厂家在成本与利润大多选择了后者。因此我国应及早进行前瞻性布局，将我国的相关顶尖科研机构汇聚起来，集中攻克关键技术，一旦技术成熟则成本问题就迎刃而解。

（2）新的工业产品问世给人类带来便利的同时，也会带来负面的结果。碳纤维复合材料在拥有大好应用前景的同时，也意味着在汽车报废后会产生大量的复合材料垃圾，因此国家应该在研发的同时考虑到该材料后续的回收利用技术。

（3）加强尖端技术复合型人才培养机制。碳纤维技术的高技术属性决定了专业化人才的重要性，是否拥有尖端核心技术人才直接决定着一个机构研发水平的高低。 由于碳纤维技术研发环节很多，应当注重复合型人才培养，以保证各环节研发的配合衔接。另外，完善对技术研发型人才的评价和待遇政策，同时大力引进国外先进人才等等，这将对我国的碳纤维研究的发展起到极大的推动作用。

4 结语

碳纤维复合材料由于其具有可塑性好、抗冲击能力强、刚度高且轻质等优点，是汽车产业节能减排、低碳环保的绝佳选择，也是提高新能源汽车续航里程最有效途径之一。但是，由于生产工艺复杂、开发技术困难和行业评价标准不统一等原因，存在成本高、质量不稳定和量产困难等问题。因此，在国家政策扶持和引导下，集中精力、物力和财力攻克这些问题，既是碳纤维复合材料产业发展的关键，也是其广泛应用于汽车轻量化的研发方向。