汽车轻量化优化选择之碳纤维增强复合材料
□ 兰州蓝星纤维有限公司 温小利
碳纤维增强复合材料（CFRP）是一种重要的汽车轻质材料，其应用领域目前已由军工、宇航工业扩展到汽车领域。CFRP具有质轻、设计自由度高、集成性强等特点，不仅可以提高汽车燃油效率，具有更好的轻量化效果，而且利于汽车环保化制造。减轻汽车结构重量，从而节省燃油，这是汽车设计的重要发展方向。据有关部门统计，汽车结构重量每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本。CFRP的强度是钢铁强度的10倍，但密度是钢铁密度的1/4，可使汽车车身减重40%～60%，因此CFRP已成为国内外汽车新型材料应用的重点研究方向。
碳纤维厂商与汽车制造商双赢合作
目前，汽车领域CFRP需求增长十分迅速，国内外很多汽车制造商在与碳纤维生产商合作研制可用的汽车部件。例如，赢创与江森自控、雅各布塑料(Jacob Plastic)以及东邦特纳克斯(Toho Tenax)共同研发CFRP轻质材料；东丽与戴姆勒(Daimler)达成共同研发协议，为梅赛德斯—奔驰研发CFRP部件；东丽、三菱丽阳与日产、本田联合日本政府成立汽车研发中心，开发车体用CFRP材料；日本东邦与通用汽车签署协议联合开发CFRP汽车零部件；陶氏化学汽车系统公司与土耳其AKSA建立合作关系，与福特汽车共同研发先进CFRP；德国SGL与宝马集团成立合资公司，最终目标年均生产碳纤维9000吨，主要用于BMW i3及BMW i8系列的CFRP车身部件；中国科学院宁波材料技术与工程研究所和奇瑞汽车有限公司联合打造了碳纤维复合材料电动汽车，具有突出的创新性及应用前景。
未来，随着人们对汽车应用需求的增长，CFRP的市场容量将会进一步扩大。据美国咨询公司弗若斯特沙利文发布的相关数据显示，2010～2017年，CFRP复合年均增长率将达到31.5%。到2017年，全球汽车CFRP市场将增长至7885吨，其销售额也将由2010年的1470万美元增长至2017年的9550万美元。
CFRP汽车轻量化效果显著
CFRP具有足够的强度和刚度，在汽车轻量化方面，是制造汽车车身和底盘等重要结构件的理想化材料。CFRP与钢铁材料密度情况对比见表1，CFRP制作汽车部件较钢铁材料减重效果情况见表2。
表1 CFRP与钢铁材料密度情况对比
项目 钢 碳纤维增强复合材料
设计厚度/mm 1.0 2.0
材料密度/g.cm-3 7.8 1.6
减重比例/% 49.0
表2 CFRP制作汽车部件较钢铁材料减重效果情况 kg
零件名称 钢 CFRP 质量减轻 减重比例/%
车身 209 94 115 55
车架 128 94 34 26
前端 44 13 31 70
发动机罩 22 8 14 63
罩盖 19 6 13 68
保险杠 56 20 36 64
车轮 42 23 19 45
车门 71 28 43 60
其他 31 16 15 48
共计 622 302 320 51
CFRP汽车轻量化应用前景看好
从全球来看，CFRP在汽车上的应用已有60多年，CFRP在全球F1赛车中的应用也有将近40年的历史，国外尤其是欧美国家在汽车CFRP上积累了较为丰富的设计、制造及应用经验。目前，由于碳纤维材料成本比较高，其主要应用在高端及豪华车型上面。碳纤维增强材料在高端车中应用情况见表3。
对于新能源汽车，特别是纯电动汽车而言，从创意设计开始，最大限度考虑车辆轻量化十分重要。因为除了平衡蓄电池增加的重量之外，车辆自身重量也是限制续驶里程的一个重要因素。电动汽车的结构型式所需的条件非常独特，其传动系要比满油箱的内燃机汽车的传动系还要重，在同样续驶里程条件下，电动汽车的重量超过传统汽车200~300kg，甚至更多。因此为保证电动汽车有较好的续驶里程和可接受的成本，电动汽车的车身重量必须减重50%以上。
Tesla Roadster车身采用CFRP制作，年生产量大约1500辆；宝马集团推出的BMW i3采用了LifeDrive结构，开辟了全新的内部空间设计方法，整个Life模块完全使用CFRP制造，采用半高式座椅位置（Semi-Command-Position）的设计，每辆车应用CFRP 120～150kg，比传统电动车减轻了250~350kg；东丽推出的概念车Teewave AR1重量仅为846Kg，比钢制汽车重量减少53%，其中CFRP使用量约160kg；江苏奥新新能源汽车有限公司推出的e25紧凑型A级车，驾驶舱及内板采用CFRP制作，较传统钢铁材料减重30%~40%。
表3 碳纤维增强材料在高端车中应用情况
车型/品牌 应用部件
兰博基尼Murcielago 车身/底盘/内饰/导流板
法拉利 Enzo 车身/底盘/内饰/刹车碟
保时捷 Carrera GT 车身/底盘/内饰
梅赛德斯 Mclaren SLR 车身/底盘、车门
阿斯顿马丁Vaniquish 引擎罩/翼子板/前后杠
宝马 M3 CSL 引擎罩/翼子板/车顶
奥迪R8 Spyder 车顶及行李箱
阿尔法·罗密欧4C 底盘
雪佛兰-克尔维特Z06 车身底板及翼子板
帕加尼 Zonda F Spider 车身/内饰
雷克萨斯LFA 车头罩/车顶
福特GT 行李箱盖及座椅
福特GTR 引擎盖
道奇Viper 车身及挡板支架
奔驰SLS AMG 发动机罩
翼豹WRX STI tS 车顶
CFRP汽车存在技术及成本问题
目前，CFRP在汽车中的应用还存在一些技术及成本问题。
1. 成本问题
CFRP所用的纤维和基体材料价格高，这是影响该材料在汽车工业广泛使用的最大障碍。以CFRP制作的引擎盖为例，其成本要比传统钢铁材料制作的引擎盖高3倍以上。可通过低价位大丝束碳纤维的应用及规模化生产，来降低碳纤维价格。
2. 设计及加工能力
CFRP可设计性强，但降低零部件个数、CFRP铺层设计（包括铺层数量、角度、层间结合方式）等需要大量的实验数据来支撑。同时，需要研究制备多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，低成本及高效率的复合材料零件生产工艺是未来的研究重点。
3. 材料连接
CFRP属于脆性材料，机械连接会产生应力集中。另外，碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效。因此，需要确定合适的胶接或机械连接方式，以达到最佳的装配性能。
4. 回收再利用问题
CFRP不溶、不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，不环保而且浪费资源，因此需要开发可以循环利用的碳纤维增强热塑性复合材料来制作汽车部件。
结 语
目前，随着越来越严格的燃油经济性标准及环保政策的出台，CFRP以其轻质高强、应用成本不断下降的优势，成为汽车轻量化的优化性选择，在汽车领域的研究不断深入，应用越来越广泛。预计到2020年，CFRP将成为汽车零部件轻量化的主流材料。