汽車碳纖維復合材料的發展現狀及趨勢
文章來源：鍛造與沖壓
汽車輕量化是汽車產業的核心技術和重要發展方向，已經成為國家制造業的發展戰略，《中國制造2025》中多次提到汽車輕量化，涉及了輕量化材料、優化設計、整車輕量化技術等多個方面，《節能與新能源汽車輕量化技術路線圖》也將汽車輕量化作為發展戰略重點之一。國家多部委也都發布了多項惠及汽車輕量化產業的技術標準、法律法規和研發項目。政府的支持為汽車輕量化發展提供了機遇，有利于提高我國汽車輕量化產業的核心競爭力。
汽車碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有輕質高強、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設計性強、易成形、減振阻尼性能好等一系列優點，既能夠滿足部件剛強度、輕量化的設計要求，在車輛安全性上也具有明顯優勢。目前，CFRP已成為繼高強鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復合材料（GFRP）后汽車工業領域流行、具發展潛力的輕量化材料。
CFRP的抗拉強度和拉伸模量受到纖維種類、用量、形態、鋪層方式以及樹脂等多方面因素的影響，表現不一，碳纖維與其他輕量化材料的性能對比情況見表1。從整體上講，抗拉強度、拉伸模量，特別是比強度和比模量都比金屬材料顯著提高，這些是CFRP的核心性能優勢。在汽車行業，一直得到各大汽車企業的廣泛關注。
表1 汽車碳纖維與其他輕量化材料的性能對比
起初，由于成本高、成形時間長，汽車碳纖維僅僅在跑車和少量的昂貴車型上有所應用。隨著技術的發展，原材料的價格降低，制造工藝優化，成形周期縮短，汽車碳纖維增強復合材料在其車輛部件上的應用越來越多。并且，各大主機廠紛紛進行碳纖維車身、零部件的開發。隨著汽車領域對碳纖維的不斷研究和應用，碳纖維的成本將進一步下降，高強、輕質的汽車碳纖維增強零部件將得到越來越廣泛的應用。近年來，隨著電動汽車產業的快速發展，由于電動汽車的輕量化，可以使同樣電池數量的電動汽車行駛更遠的距離，或者同樣續航里程的電動汽車可以安裝更少數量的電池，故使得汽車碳纖維在電動汽車上的應用前景更為廣泛。
碳纖維增強復合材料車身
汽車碳纖維增強復合材料是很理想的汽車覆蓋件用非金屬材料。它的高強度可以在保證汽車的防撞性能的同時，大大降低車身重量。寶馬是汽車碳纖維應用的嘗試者，2009年開始，聯合三菱麗陽和西格里兩家公司，嘗試在其i系車型中采用汽車碳纖維復合材料。通過在寶馬i系列車型中的成功嘗試，證明了汽車碳纖維不僅僅適用于小批量車型，也可以應用于量產車型中。這也證明了通過使用汽車碳纖維復合材料來實現汽車的輕量化設計（用于新能源車尤其是電動車）的潛力非常大。2015年，寶馬i3的銷售接近24000臺，i8的銷售接近5500臺。寶馬在i系列碳纖維車身及零部件積累的經驗，成功轉移到了寶馬其他的車型中。在2015年歐洲車身會議上展出的全新寶馬7系中，在B柱、車頂縱梁/前橫梁、門檻梁、中央通道及C柱采用了汽車碳纖維與高強鋼結合的方式，提高了車身的扭轉剛度，并降低了車身的重量。2016年，寶馬7系實現了6.4萬臺的銷售量，長期的銷售目標有望達到10萬臺。
寶馬對i3的每一個生產環節所涉及的專利進行了梳理，并進行了重要的專利保護。通過表2可以看出，三菱麗陽作為汽車碳纖維供應商，比較重視產業鏈上游的專利布局；西格里作為復合材料的供應商，專利申請主要集中在設計、成形工藝和汽車部件領域；而寶馬公司作為整車廠，在連接、質量檢測、修補和回收方面有大量的專利布局，并在汽車碳纖維束、汽車碳纖維織物方面也申請了少量的專利。
寶馬7系車身碳纖維應用
表2 寶馬i3碳纖維專利申請情況
國內的汽車碳纖維增強復合材料車身目前還停留在小批量試制階段。奇瑞艾瑞澤7和江蘇奧新e25都生產了全碳纖維的車身，輕量化效果明顯。
碳纖維增強復合材料零部件
汽車碳纖維增強復合材料由于其良好的輕量化優勢，還廣泛應用于輪轂、制動系統、傳動系統、內外飾、發動機領域中。
⑴ 碳纖維輪轂：采取碳纖維輪轂的車型見表3，汽車碳纖維能夠大大減少輪轂的質量，從而有助于減少轉動慣量。由于簧下質量每減少1kg，輕量化效果約等于簧上質量減少6kg，所以碳纖維輪轂會顯著地改善車輛的操控性能。同時，汽車碳纖維材質堅固、韌性好，碳纖維輪轂有利于轉向的反應和路感的傳遞。
⑵ 制動系統：碳纖維在制動系統和傳動系統中同樣有著廣泛的應用。碳纖維制動盤具有出色的耐高溫性，可承受2500℃的溫度，并且還能保證性能的穩定，保時捷918spider采取了碳纖維制動盤，可以在50米內將車速從300km/h降低到50km/h；碳纖維傳動軸不僅可以減輕40%以上的重量，還具有非常好的耐久性，豐田86的碳纖維傳動軸僅重5.53kg，和鋼制傳動軸相比，減重50%。
⑶ 發動機周邊：汽車碳纖維復合材料作為汽車進氣系統材料，一方面可減輕重量，達到輕量化的效果；另一方面，汽車碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，碳纖維進氣歧管可有效提高進氣效率。
碳纖維進氣歧管
表3 采取碳纖維輪轂的車型
⑷ 傳動系統：由于汽車傳動系統的受力情況相對復雜，要承受很大的扭矩。汽車碳纖維由于其較高的比強度和較低的比模量，又具有各向異性，可以很好地替代傳統金屬材料的傳動軸。并且，碳纖維傳動軸可以減輕50%以上的重量，還具有優秀的疲勞性和耐久性。
車用碳纖維的成形工藝
傳統的汽車碳纖維成形工藝多源自航空航天領域，品種較多，批量較小，生產成本高，生產周期長。傳統的環氧樹脂類汽車碳纖維零部件的固化周期通常超過4小時，無法滿足汽車行業大批量、低成本的要求。因此，針對于汽車產業，國際上主流的汽車碳纖維企業和汽車企業聯合開發出眾多快速成形工藝。目前，應用比較多、具有發展潛力的碳纖維成形工藝包括RTM、PCM、SMC、LFT等等。
⑴ 快速RTM成形：RTM成形工藝是主要的液體模塑成形技術，它成形周期短、制品纖維含量高、表面光潔度好、尺寸精度高、成本相對較低，但由于傳統RTM工藝在成形速度上無法滿足汽車工業的要求，因此，針對汽車工業開發了快速RTM成形技術，成為大型復雜結構碳纖維部件的首選成形技術。
⑵ 高壓RTM成形：高壓RTM是通過增大注射壓力提升注射速度的有效方法。采用該工藝注射壓力能夠達到幾千兆帕，保證了較高的合模速度和壓制速度，大大縮短部件成形時間，提高了工藝效能。寶馬i3車身主要采取的就是高壓RTM成形技術，固化時間縮短到5分鐘以內，并且零部件數量僅為傳統金屬件數量的1/3。
⑶ PCM成形：PCM成形是把沖壓后的碳纖維件半成品放入模具，然后通過加熱加壓固化的方式成形。由于制品內纖維取向性好，因此制品的強度、剛度相對較高，已成為車用碳纖維近年來應用比較多的成形工藝之一。但是熱固性碳纖維復合材料的敏感分解溫度比其固化溫度高很多，如何回收將是熱固性碳纖維發展的一個瓶頸。
⑷ SMC模壓成形：SMC廣泛應用于玻璃纖維增強復合材料，成形效率高，表面質量好，成形周期短，成本低，適合大批量生產。目前，SMC工藝在碳纖維成形方面，主要用于片狀短切纖維復合材料的生產，由于纖維的非連續性，制品強度不高，且強度具有面內各向同性特點。而碳纖維的潤濕性相對不好，需要對碳纖維進行必要的表面處理，采用適當的潤濕分散劑能夠有效提高碳纖維在樹脂糊中的潤濕性和均勻性。
⑸ LFT成形：LFT成形工藝具有優異的成形加工性，成形率高、成品率高，且設備相對簡單、工藝成本較低，制品內部由于纖維長度較長而形成骨架結構，使得制品具有較好的抗沖擊性和剛度，因此LFT制品可用于受力較大的車體部件。LFT已經在汽車車身上獲得了廣泛應用，也是具有很大應用潛力的成形工藝。
結束語
隨著寶馬i3、i8車型的相繼量產，讓人們對汽車碳纖維在量產車型上的廣泛應用有了充分的信心。國際主流車企和材料企業共同開發了適用于高性能汽車碳纖維的多種新型快速成形工藝。根據中國汽車工程學會在2016年出版的《節能與新能源汽車技術路線圖》預測，碳纖維復合材料到2030年，無論是成本上還是生產周期都會得到大幅度下降，將會達到目前的1/3左右。這將給我國汽車碳纖維行業帶來巨大的機遇。當然，汽車碳纖維復合材料在汽車領域的應用，是涉及到材料技術、結構優化技術、快速成形工藝、連接技術、回收技術等的系統工程，需要跨產業、跨學科的共同發展。
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