政策＋需求双驱动破国产碳纤维复合材料困局
■ 北京北汽德奔汽车技术中心有限公司 颜景丹
随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，今后较长一段时期汽车需求量仍将保持增长势头。国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》指出，为应对日益突出的燃油供求矛盾和环境污染问题，到2020年，生产的乘用车平均燃料消耗量要求降至5.0L/102km，电动汽车动力电池模块比能量要求达到300瓦时/公斤以上。
工信部于2017年4月5日披露的《2016年度乘用车企业平均燃料消耗量情况》显示，95家国产乘用车企业中，有65家达到了2016年目标值，达标率仅68%。自主品牌汽车市场认可度较高的SUV和MPV车型，仍以高能耗产品为主，一般为6.9～8.5L/102km，距离2020年平均燃料消耗量5L/102km的目标仍有较大差距，未来一段时间，各大主机厂降低平均燃料消耗量工作面临严峻挑战，任重道远。
降低平均燃料消耗量的途径
企业平均燃料消耗量计算方法为：车企各车型燃料消耗量与对应的年度生产或进口量乘积相加，除以该车企乘用车年度生产或进口量，其中纯电动汽车燃料消耗量按0计算，按5倍数量计算生产或进口量（2016～2017年）。由此可见，降低企业平均燃料消耗的有效途径主要有两方面，一是降低传统汽车产品油耗，二是大力发展以纯电动汽车为代表的新能源汽车。
轻量化是降低传统汽车产品油耗的最直接途径。从技术层面看，降低油耗可以从变速箱、发动机技术升级和车身轻量化两方面寻求突破。但变速箱、发动机技术升级投入大，研发周期长，预期效果不确定，而且目前变速箱、发动机核心技术多掌握在外资企业手中，面临法律和技术壁垒，短期内难以通过变速箱、发动机技术升级大幅降低油耗。与变速箱、发动机技术升级相比，轻量化研发投入小，转化周期短，技术难度相对较低，因此轻量化无疑是降低传统汽车产品油耗最直接有效的工程途径，汽车整备质量每降低10%，平均油耗可下降6%～8%，碳排放下降6%～7%，对改善企业平均燃料消耗量指标更具现实意义。
发展新能源汽车同样离不开轻量化。从企业平均燃料消耗量计算方法中对于新能源汽车的核算规则可知，提升新能源汽车产量是降低企业平均燃料消耗量的捷径。然而在目前电池技术条件下，续航里程的提升都要伴随着电池重量的大幅增加，如现售产品中某品牌A级纯电动轿车，续航里程200km，需要携带约400kg的电池，整备质量达到1500kg（相当于B级轿车的重量），而同款汽油车达到相同的行驶里程只需要消耗约10kg汽油。整备质量持续增加对整车的操控性能、耐久性能、续航里程等具有较大负面影响，严重制约了新能源汽车的长足发展。轻量化可弥补电池重量增加带来的负面影响，促进新能源汽车的持续健康发展，如减重10%，制动距离减少3%～4%，加速时间缩短6%～8%，续航里程增加7%，可见新能源汽车对于车身轻量化的需求更为迫切。
碳纤维复合材料助力汽车轻量化
汽车轻量化技术主要包括轻量化材料应用、结构优化设计和改进制造工艺三方面。轻量化材料应用是汽车轻量化最直接有效的方法。常见的轻量化材料包括高强钢、铝镁合金等金属材料，以及工程塑料和复合材料为代表的非金属材料。在具体车型的工程开发过程中，可根据车型定位、成本目标、开发周期、生产效率等要求，选择合适的材料，应用于合适的部件。碳纤维增强复合材料的密度远低于钢、铝等车身常用金属材料，比强度和比刚度远高于铝镁合金和高强钢（见图1），可以广泛应用于车身覆盖件、内饰件、动力系统、底盘系统、车身结构件等部件，替代传统金属材料，达到轻量化的目的。
此外，碳纤维复合材料还具有耐腐蚀、吸音、降噪、隔热、可导电等特性，在汽车工业中具有广泛的潜在应用价值。如使用缠绕工艺可生产碳纤维复合材料传动轴，在轻量化同时，还具有抗阻尼性好、临界转速提高、不锈蚀、改善NVH等优点。利用碳纤维可导电特性，有厂家已研发出可以储存电能的碳纤维复合材料，用储电材料替代电动汽车的金属车门、顶盖、发动机盖等部件，可以减轻蓄电池和车身重量，达到轻量化和储能节能的双重目的。
随着世界经济的发展，能源危机不断加重，碳排放造成的环境压力日益凸显，汽车工业面临的节能减排政策法规日趋严格，碳纤维复合材料以其轻质、高性能的优势越来越受到汽车工业的重视，在汽车部件中的应用也越来越广泛。
国外在碳纤维复合材料研究使用方面起步较早。早在1979年，福特汽车公司就试制了碳纤维复合材料车身，整车减重33%。日本、美国等碳纤维技术领先的国家，均将碳纤维复合材料应用于汽车制造装配纳入近期的战略目标，制定了汽车产业的发展计划。碳纤维复合材料传动轴、尾翼、引擎盖等部件都已在日本和欧美品牌汽车应用。在不降低安全性的前提下获得了极高的轻量化效果。
乘用车方面，目前碳纤维复合材料的应用代表是宝马，宝马应用了树脂传递模塑（RTM）和湿法模压等多种生产工艺，用于量产碳纤维部件成型，并在此基础上采用胶接和机械连接（螺栓连接和铆接）技术进行部件组装，与传统的“冲、焊、涂、总”四大工艺流程相比，汽车生产自动化程度大幅提高，提升了生产效率和产品质量。如宝马i3（纯电动）采用了全新的Life-Drive模块构架，Life模块的乘员座舱由34个碳纤维增强复合材料部件组成，通过“材料-结构-功能”一体化设计，大幅降低了车身重量，有效对冲了电池带来的重量增加，保证操控性能的同时，提高了续航里程。宝马7系提出了Carbon-Core的设计理念，在乘员舱的受力框架上，用碳纤维复合材料取代一部分高强钢，共计使用了16个碳纤维复合材料部件，减重40kg，减重率达到12%，在轻量化的同时，还带来了声学性能和操控性能的提升，详见图2。
国内在碳纤维复合材料应用方面相对滞后，但是经过多年研究和积累，已基本具备了设计制造碳纤维复合材料的条件和能力。北京汽车在碳纤维复合材料应用方面处于国内领先地位，依托各大高校和科研院所先开展了一系列产学研合作，致力于碳纤维复合材料在自主品牌汽车的应用和推广，积累了碳纤维部件设计、制备工艺、评价要求等方面的丰富经验。如在某自主品牌大型SUV量产车型上，率先搭载了碳纤维复合材料发动机盖，该部件由内外板粘结而成，并在铰链和机盖锁处进行加强设计，重量可比钢制机盖减重50%，比铝制机盖减重20%。
国内应用需克服四大问题
近年来，碳纤维复合材料受到各大车企广泛关注，并得到了越来越广泛的应用，但我国自主品牌车企在碳纤维增强复合材料应用方面仍存在一些问题，使得其发展滞后于欧美日等国外车企。一是材料方面，碳纤维高价格、低产量和树脂体系滞后导致了碳纤维复合材料的高成本，较大程度上制约了其在汽车工业中批量应用。二是制备工艺方面，国内碳纤维复合材料发展相对滞后，某些关键成型技术与欧美日等国家和地区尚有一定差距。三是工业设计方面，碳纤维复合材料应用是一项“材料-结构-功能”一体化设计的系统工程，不是简单的材料替换，需要专业的结构设计和仿真分析能力，国内车企在这方面仍面临诸多挑战。四是评价标准方面，国内目前尚无规范成熟的碳纤维复合材料生产应用评价标准，研发、生产、应用等工作均处在探索阶段，一定程度上制约了碳纤维复合材料长足发展和广泛应用。
基于上述问题，对碳纤维复合材料汽车轻量化领域的应用做了以下几方面思考。首先，要大力推动车用低成本碳纤维的生产，完善配套的树脂体系建设，优化生产工艺和流程，降低碳纤维复合材料成本，为其批量应用于汽车工业创造基础条件。其次，要不断改进碳纤维复合材料制备工艺和低成本成型技术，如RTM、湿法模压、纤维缠绕成型等。再次，要不断提升复合材料部件的结构设计和仿真分析能力，学习借鉴国外先进技术、理念和方法，充分发挥碳纤维复合材料的性能优势，实现其在车身的合理应用。然后，要建立碳纤维复合材料的整车和零部件设计准则和标准，以及相关的配套评价标准和操作规范，提升碳纤维复合材料部件的性能稳定性、可复制性和可推广性。最后，要加强行业合作，碳纤维复合材料是技术密集型的高新科技产品，如何合理地应用于汽车工业，需要汽车工业、材料工业及其他相关行业的共同努力。
碳纤维复合材料零部件的开发和应用是目前汽车轻量化的最重要的途径之一。在国家政策引导和汽车行业内在需求双重驱动下，汽车工业向轻量化方向发展是大势所趋，随着碳纤维成本的下降以及国内碳纤维复合材料产业链的不断完善，碳纤维复合材料在汽车轻量化乃至其他方面的应用将会呈爆发式增长。