碳纤维复合材料在新能源汽车中的运用

＊李家丽

（宁德时代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

引言

在现今社会经济蓬勃发展的背景下，汽车已成为人们日常生活、工作中不可或缺的交通工具之一，其为人们的出行带来了极大的便利条件，这也进一步推动了汽车行业的发展进步。可是与此同时，汽车行业的发展进步也给社会带来了诸多环境问题和能源问题，伴随着人们对节能减排重视度的提升，新能源汽车得到了进一步的发展，这也给新型复合型新材料的发展提供了新的契机。其中碳纤维复合材料作为应用于汽车领域的一种新型材料，不仅在国内备受青睐，在国外一些汽车产业市场发展极其成熟的日本、欧美国家已经将其投入了生产和使用，实现了汽车性能、汽车生产成本、车体结构进一步优化。

1.碳纤维复合材料概念

碳纤维作为一种碳含量达到95%以上的纤维材料，具备高模量、高强度等特点。其是通过片状石墨微晶等有机纤维，顺着纤维轴的方向堆积形成的，然后再经由石墨化和碳化等工艺加工处理而成的，其强度要比钢铁高很多，质量却比铝还要轻，在抗腐蚀方面有着非常好的表现，并有着较高的模量。其不但保持碳材料原本的特性，更是兼具纤维的可加工性和柔软性，碳纤维复合材料则是指由树脂、陶瓷、金属等基体和碳纤维复合而成，如由树脂和碳纤维构成的复合材料的比模量和强度在现今所有材料里是表现最优的。因碳纤维复合材料的优异表现，使其在汽车、军工、航天等领域的应用都非常的广泛[1]。

2.碳纤维复合材料的优异性能

（1）力学性能。碳纤维复合材料具备密度低的性能，其密度仅为1.5～2g/cm3，仅是铝合金密度的1/2，仅是钢密度的1/5，其在大量耐高温材料中是材质最轻的一类，应用碳纤维复合材料所制的零部件是传统铝合金材质零部件的15%～30%。在较高温度下依旧能够保持着较为优良的强度，其弹性模量与拉伸强度也比一般材料要高很多，同时其抗疲劳性与断裂韧性也相对较高[2]。

（2）热物理性能。碳纤维复合材料热膨胀系数相对较小，在室温内的热膨胀系数是（-0.5～-1.6）×10-6/k，在200～400℃的热膨胀系数是0，在1000℃时的热膨胀系数是1.5×10-6/k，在如此大温差下热膨胀系数并无太大变化，因此，应用碳纤维复合材料制作的器材精准度更高。比热容相对较高，具备较好的吸收能量的作用，因此其耐热摩擦、耐高温性能也极其突显[3]。

（3）碳纤维复合材料的特征。①拉伸弹性较强。在大多数情形下，碳纤维复合材料具有超强的拉伸弹性，通常都大于3500MPa，其是钢材料拉伸弹性的7倍。其能够达到2300～ 4300MPa抗拉弹性模量，远比钢高。其中2000MPa/(g·cm-3)为碳纤维符合材料比模量，但是钢的比模量只有59MPa/ (g·cm-3)，其比模量同样远超过钢[4]。②耐高温、耐腐蚀性。同诸多材料进行比对，碳纤维复合材料在耐腐蚀、耐高温等方面的性能也超强。理论上碳纤维耐高温能够达到2600℃，碳纤维树脂基复合材料耐温在200℃左右。因其特有的碳结构特性使得其整体成型具有大面积的特性。此外，可塑性和稳定性同样也是其优势所在，这些特有的优势促使其能够实现汽车车身轻量化持续增长的目的[5]。③能量吸收性能优越。在新能源汽车的制造过程中，因碳纤维复合材料在吸收能量方面出色的表现使其也被广泛地使用。同时，在材料质量方面，碳纤维复合材料还不到钢质同类零部件50%的重量，是铝制同类材料的70%左右，并且抵抗冲击的性能也更好，其优势是显而易见的[6]。

3.碳纤维复合材料在新能源汽车行业的应用现状

目前，对于新能源汽车来说，碳纤维复合材料的应用刚好符合其可持续性的发展目标，很好地诠释了经济适用、环保低碳的理念。碳纤维复合材料虽说在汽车中实际应用的时间还较短，但发展势头却极为迅猛。将国内外在新能源汽车行业应用碳纤维复合材料的情况进行对比不难看出，国外汽车行业在碳纤维复合材料持续发展的这几十年内建立的体系已经非常成熟，而对于国内来说在新能源汽车中碳纤维复合材料的应用还处在起步阶段，在材料自主研发创新领域相对来说还较为薄弱，一些比较高端材料主要还是依靠进口，因此，国内还需要进一步加强对碳纤维复合材料的研发力度。下面针对各国新能源汽车行业中碳纤维复合材料的实际应用状况做如下分析[7]。

（1）德国。相比于其他国家而言，德国的汽车行业非常发达处在领先地位，在新能源汽车方面，其发展比较迅猛，对于汽车车身重量的控制和管理较为突显。如，宝马纯电动汽车i3就拥有非常稳定的车身结构，其车身重量和以往电动车相比要轻一半左右，并且其底盘更好，使得重量和质量获得了反比增长。德国新能源汽车的轻量化方面获取了较大成就，不但使车身重量得到了进一步降低，而且汽车结构稳定性也得到有效加强，进一步实现了新能源汽车的“瘦身”目标[8]。

（2）日本。日本作为一个比较注重高新技术发展的国家，对于新能源汽车行业的发展也起到了极大的推动作用，如东丽公司推出的碳纤维复合材料，其车身的构造是一体成型的中空结构，重量不足钢制材料车体的一半，同时还使汽车的性能得以有效提升，更好地落实了节能减排的发展目标。碳纤维复合材料在日本汽车行业的使用，达到了汽车结构一体化目标，不仅使得汽车生产工艺进一步缩减，而且还大大节省了制造成本，在有效降低汽车重量的前提下，还满足了节能减排的标准[9]。

（3）国内。在20世纪70年代初期，碳纤维复合材料逐渐开始受到世界各国科研人员的重视和关注。对于国内来说，对其的研究和应用相对来说起步较晚，不过经过30年来持续的创新和发展，目前国内的碳纤维复合材料也已经形成了一个较为完整完善的产业，其被广泛地应用于汽车制造、航空航天等行业。国内最近几年汽车行业也有了长足的发展，已经开始从动态发展状态逐步进入稳健的发展时期，提高企业自主的创新和研发能力，降低研发、生产等成本，有效增强其经济效益是目前国内车企抢夺市场占比最为重要的手段。近两年国内长安、奇瑞、长城、江淮等车企对于新能源汽车的研发都比较重视[10]。早在2014年奇瑞就在北京市场率先推出了国内的第一批新能源汽车，这是由中国科学院和奇瑞携手打造的，其车身主要也是由碳纤维复合材料组成的，富有人性化和流畅感。此外，长城也自主研发了一款使用了非常多碳纤维复合材料的跑车，长城华冠EVENT，极大地降低了跑车的质量，有效地实现了环保、节能的目标，碳纤维复合材料的应用也使产品的抗暴力、安全性等方面也有了进一步的保证。在汽车制造方面和常规材料相比，零部件的集成化、全体化以及自动化能够有效降低车身的设计成本，并对制造成本进行压缩和有效降低成品重量等方面能够优化近20%左右。所以，增强对于碳纤维复合材料的应用水平，对我国的汽车行业的发展和创新有着不可忽视的作用。

4.碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用

（1）碳纤维复合材料在汽车车身上的应用。钢铁等金属材料在传统汽车生产中是占比较大的，但将碳纤维复合材料替代原本新能源汽车底盘和车身的金属材料能够使得整个汽车降低40%～60%的重量，比钢结构能够轻1/3～1/6的重量，碳纤维复合材料的拉伸轻度是同类钢结构拉伸轻度的 7～8倍左右。与此同时，还能够确保汽车车身的抗冲击能力和安全性。碳纤维材料能够方便加工成其他不同繁杂的结构，能够达到一体化新能源汽车车身制作的目标。可以在整个程度上使得工艺制造流程更为简化，进而使得制造成本得到进一步降低。因此可以说，在汽车车身上应用碳纤维复合材料能够具备较高的发展前景。英国对碳纤维复合材料做过减重实验，结果显示应用钢制车设计的汽车车身其重量在368kg，而应用碳纤维复合材料制作的车身其重量在172kg，整体减重量大约占50%。现今部分改装车和赛车大多数都是应用了碳纤维复合材料制作汽车车身，其不仅能够达到减重的目的，而且还能够降低撞击产生的碎片，大大提升了其安全性能。

（2）碳纤维复合材料在汽车车毂中的应用。新能源汽车的车毂作为汽车中极其重要的组成部分，是确保汽车是否可以安全行驶的关键。车毂不但需要承载整个汽车本身重量和负载量，而且还需要传递扭矩和驱动。所以，要求汽车车毂质量标准较高，其要求新能源汽车车毂抗冲击性、强度、导热性、安全性、耐热性、耐久性等较强。其中碳纤维复合材料就具备很好的耐久性、耐热性、耐疲劳性和力学性能等先天优势，所以能够用其代替金属材料的车毂，进而达到车毂优良导热性、耐热、抗冲击、高强度的标准要求。除此之外，碳纤维复合材料应用于新能源汽车车毂，能够使车轮转动惯量降低，促使汽车在转向速度、停止、启动等方面的性能得到极大提升。

（3）碳纤维复合材料在汽车内外饰上的应用。碳纤维复合材料具备较强的耐老化性、耐热性、韧性、高强度等特性，其能够摒弃原有塑料制品耐久性较差、脆性较高的缺陷，可以将其应用于汽车内饰中。碳纤维复合材料具备抗冲击性强、刚性高、强度高等吸收能量特性，能够用其替代金属材料用做汽车外饰构件。另外，碳纤维复合材料的吸振性效果较强，所以，当汽车在迎接撞击的过程中，可以将其中产生的巨大冲击力吸收掉，进而能够产生较好的缓冲减震作用。另外，还能够降低由于撞击产生的碎片，可以在一定程度上使汽车安全性能得以显著提升。将碳纤维复合材料应用于汽车内外饰中能够大大减少用户使用成本和汽车生产成本，应用碳纤维复合材料能够满足汽车轻量化。另外，由于易加工成型是碳纤维复合材料的另一个特点，所以能够使汽车零部件制作工艺流程得以进一步简化，有效降低了在零部件加工期间、装配期间和维修期间的生产成本。

（4）碳纤维复合材料在刹车系统中的应用。石棉材料是汽车制动器衬片的主要材料，由于在制动期间极易因摩擦而出现高温，导致性能的热退化，同时生成的石棉粉尘具备致癌危险。但碳纤维复合材料具备耐热性强、耐磨性高、强度好等优势，所以在汽车刹车片上可以应用碳纤维复合材料代替石棉材料。碳纤维制动盘能够在50m内把车速从300km/h减至50km/h，同时碳纤维制动盘性能较为稳定且耐高温，能够承载2500℃的高温。

（5）碳纤维复合材料在汽车进气系统上的应用。将碳纤维复合材料应用于汽车进气系统中，可以发挥很好的加工性能，极易生产出各类繁杂的曲面形状，进而满足实际生产需求。与此同时，应用碳纤维复合材料生产的汽车，其表面光滑度较高，能够进一步提升新能源汽车的进气效率。除此之外，碳纤维复合材料能够使进气系统的质量得以减轻，从而达到整个汽车质量减重的作用，实现良好的轻量化目的。

5.碳纤维复合材料在新能源汽车中应用的展望

在新能源汽车上应用碳纤维复合材料还具备以下优势：其一，密度较小。应用碳纤维复合材料能够实现汽车轻量化的标准，达到节能减排的目的，降低环境污染问题，能够当做一类环保型材料。其二，可塑性良好。碳纤维复合材料的可塑性较为良好，能够结合实际需求加工成所需的不同繁杂形状，其中包含部分金属材料无法很好完成的曲面，其更有助于达到一体化汽车车身结构。例如，如果设计一个整体的车座需要使用50～60个金属材料零部件，而应用碳纤维复合材料就能够大大降低零部件的使用量，使工艺流程得以简化，能够促使工作效率得以有效提升。其三，吸能量良好。吸能量性能良好也是碳纤维复合材料的一大特性，将其用于车身能够大大提升安全性，达到减震、缓冲吸能的目的。碳纤维复合材料现今受到全球汽车生产商的一致好评和认可，进而也使得其被广泛地推广和应用起来。不难看出现今碳纤维复合材料可以作为新能源汽车产业的首选原材料，伴随着新能源汽车上逐步普及应用，使得其需求量持续增长，碳纤维复合材料具备更广阔的发展前景。为提升新能源汽车工业的轻化汽车重量、汽车综合性能，将会应用更多碳纤维增强复合材料，如，碳纤维树脂基复合材料、碳纤维陶瓷基复合材料、碳纤维陶瓷基复合材料、C/C复合材料等。由于碳纤维复合材料具备的优势较多，所以越来越多的新能源汽车制造企业，如奥迪、宝马、奔驰、本田、大众、福特等高档汽车企业都在尝试使用碳纤维复合材料，因此，在未来碳纤维复合材料将被越来越广泛地应用于新能源汽车行业中。现阶段，因碳纤维材料的价格相对而言较为昂贵，所以制约了碳纤维复合材料在新能源汽车制造业的发展应用。但碳纤维复合材料还具备环保节能的重要作用，能够与社会发展趋势相顺应，为进一步推动碳纤维复合材料在新能源汽车制造业的广泛推广应用。一方面，应进一步创新研发碳纤维复合材料，提升碳纤维复合材料的质量管控、性能指标、优化生产工艺以及相应的补充技术等，进而来提升碳纤维复合材料的质量，达到提升其性能、减少成本的目的，其势必将进一步推动汽车行业的迅猛发展。另一方面，国家不仅要借助研发团队的力量，材料工业及汽车制造业方面也应该加强投人研究力度。这样才可以更有效地促使碳纤维材料能够在新能源汽车行业以及其它各行业领域发挥重大作用，进而实现社会的可持续发展进步。

6.结束语

现今碳纤维复合材料在德国、日本、美国已经较为成熟，国内虽然对其研发也取得了一定的成果，但是距离国外还存在一定的差距，主要体现在离散系数大、碳纤维质量稳定性差、原产丝杂质含量偏高等缺陷，所以还应该加强对碳纤维复合材料的进一步研究，在提升研发技术的同时，还应该加强对低成本碳纤维复合材料的进一步探究，有效突破其他国家技术垄断的问题，为实现国内汽车产业的可持续发展进步奠定基础。