董學(xué)鋒

1 前言

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑之一，復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料以它的低密度、高性能、抗腐蝕等諸多優(yōu)勢而越來越受到汽車業(yè)的青睞，特別是新能源汽車（電動汽車和混合動力汽車等），較重的動力電池使車輛的整備質(zhì)量與傳統(tǒng)汽油車相比，超重達(dá)10%以上，因此，對新能源汽車而言，汽車輕量化更為重要，當(dāng)然碳纖維復(fù)合材料的成本高、制作周期長等對于汽車工業(yè)來說還是劣勢，也是目前不能廣泛應(yīng)用在汽車上的主因，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，在汽車上的應(yīng)用也會越來越廣。

2 復(fù)合材料及其性能

2.1 碳纖維（CF）及性能

碳纖維(Carbon Fiber，簡稱CF)，學(xué)名是“聚丙烯腈基碳纖維”，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料，碳纖維是用聚丙烯腈（PAN：Poly?acrylnitrile）生產(chǎn)出來的。其最重要的技術(shù)工藝是：首先是在機械載荷和溫度(250～300℃)控制下的材料拉伸處理，第二步是通過熱解（溫度～1 600℃，惰性氣體氣氛中）還原成石墨層（碳化，質(zhì)量百分比的C含量為96～98%）。為進(jìn)一步提高純度和定向質(zhì)量，可以進(jìn)行石墨化處理步驟（溫度＞1 800℃）。能源密集型制造工藝使得碳纖維成本高，這也是迄今為止在汽車行業(yè)中通常只有在賽車或跑車中才使用的根本原因。最重要的特性是極低密度、高彈性模量和抗拉強度的組合，以及生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的強烈各向異性，同樣也反映在熱膨脹特性上的沿纖維方向和垂直于纖維方向的極大差別，全面優(yōu)化利用材料的這些特性，從而轉(zhuǎn)化為汽車創(chuàng)新的輕量化方案，才是碳纖維材料在汽車上開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵所在。碳纖維與其它纖維的性能比較見表1。

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碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維。目前用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維，占市場的90%左右。對于聚丙烯腈基纖維和瀝青基纖維，在制備碳纖維的“預(yù)氧化→碳化→石墨化→表面處理”工藝流程中，調(diào)整得到所需的特性。表2和表3給出了一些聚丙烯腈基纖維和瀝青基纖維的特性。

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2.2 纖維復(fù)合材料（FRP）及性能

（1）復(fù)合材料的輕量化潛力

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纖維復(fù)合材料一般是指基體材料中嵌有纖維材料的組合。碳纖維多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強材料。纖維在很大程度上決定了復(fù)合材料的機械性能，例如：強度和剛度，只有在織物或無紡布中使用連續(xù)纖維（相對于零部件尺寸的纖維長度）才能實現(xiàn)高性能特性?；w材料傳遞力、支持纖維防止縱向彎曲、防止外部沖擊。一般情況下，在汽車結(jié)構(gòu)應(yīng)用中會使用玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維增強材料。

纖維復(fù)合材料（纖維增強塑料），特別是能夠承載高負(fù)荷的碳纖維復(fù)合材料（碳纖維增強塑料），與其它材料相比，具有最大的輕量化潛力和各種附加功能。很多應(yīng)用實例已證明其能夠比鋁減輕20%的質(zhì)量，比鋼減輕60%的質(zhì)量。見圖1，復(fù)合材料本身是由嵌在基體中的盡可能滿足負(fù)荷要求的增強纖維（主要是玻璃或碳）構(gòu)成的。纖維的特性和方向使材料獲得最佳的機械性能，而基體又有耐高溫性和耐介質(zhì)性。由于材料幾乎是在零部件的制作期間形成的，因此很難通過最終在結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)來確定纖維、基質(zhì)和工藝技術(shù)之間非常復(fù)雜的關(guān)系和相互作用。其特性從本質(zhì)上不同于金屬材料。可根據(jù)纖維方向調(diào)整其特性（各向異性），此外，不會出現(xiàn)塑性變形且斷裂伸長率極低。

圖1 不同材料的輕量化潛力

（2）復(fù)合材料的性能

在使用某種材料時，通過質(zhì)量參數(shù)可了解在一個類似的結(jié)構(gòu)下某一特定負(fù)荷類型減輕質(zhì)量或增加質(zhì)量。表4顯示鋁材的質(zhì)量參數(shù)。所有大于1的值表示相應(yīng)材料形成的結(jié)構(gòu)比由鋁制成的相同結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕。纖維增強塑料的值與束狀結(jié)構(gòu)和纖維方向有關(guān)，給出的值作為預(yù)選材料的參考值。在一定屈曲穩(wěn)定性下，碳纖維增強塑料的壓桿比相同結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)壓桿輕1.76倍，而玻璃纖維增強塑料材質(zhì)的壓桿則比鋁棒重（1/0.82）倍。如果使用這些材料作為彈性元件（如轎車螺旋彈簧），則情況正好相反。在吸收能相同的情況下，玻璃纖維增強塑料材質(zhì)的彈簧比鋁質(zhì)彈簧輕9.14倍，而僅比碳纖維增強塑料的彈簧輕2.29倍（在此例中，鋁僅作為基準(zhǔn)材料）。

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圖2顯示了各種纖維復(fù)合材料的質(zhì)量特定屬性與鋼或鋁的對比。這清楚地說明，通過使用碳纖維可以在極輕質(zhì)量水平下實現(xiàn)強度和剛度方面的最高特性組合。與所考慮的金屬相比，纖維增強復(fù)合材料顯示出在可比剛度水平下更高的強度。

圖2 纖維復(fù)合材料與金屬材料的性能對比[5]

纖維基體的粘附性與纖維復(fù)合材料良好的碰撞性能和能量吸收能力相關(guān)。通過在復(fù)合材料中形成許多界面，在負(fù)荷作用下也能相應(yīng)地產(chǎn)生許多破壞位置或破壞表面。通過層壓板內(nèi)界面較多，可能在一個很小的空間中轉(zhuǎn)換大量的能量。復(fù)合材料與鋼和鋁的能量吸收能力的對比（圖3）表明，鋼和鋁制部件可吸收（15～25）kJ/kg的能量，而同等情況下纖維復(fù)合材料可吸收（70～100）kJ/kg，說明在汽車的被動安全方面，如果設(shè)計的好，復(fù)合材料的耐撞性能會優(yōu)于目前應(yīng)用最廣的鋼和鋁材料。

對被動安全性方面的要求是主要的。密度約為1.3g/cm3時，碳纖維增強塑料具有最高的強度，因此具有最大的輕量化潛力。然而，問題是當(dāng)斷裂伸長率低于2%時，其延展性極低。這是因為碳纖維原則上只進(jìn)行彈性變形，因此極脆易斷裂。只有通過具可延展性的塑料基質(zhì)，才可實現(xiàn)極溫下的塑性變形，并吸收能量。熱塑性基質(zhì)工藝是趨勢，這種工藝可以重復(fù)使用，因此不會對環(huán)境造成過大的負(fù)擔(dān)。帶熱塑性基質(zhì)的纖維復(fù)合材料能夠更好地吸收事故發(fā)生時產(chǎn)生的能量，因為在撞車時其不會像熱固性塑料那樣出現(xiàn)脆性分層。就這方面來說，從碰撞視角來看，未來的纖維復(fù)合材料通常會加速實現(xiàn)極高的輕量化潛力。

圖3 纖維復(fù)合材料與金屬吸能潛力的對比

3 CFRP在汽車上的應(yīng)用與研究

3.1 在車身上的應(yīng)用與研究

（1）車身上用CFRP的總概況

碳纖維復(fù)合材料的輕量化結(jié)構(gòu)，首先在跑車的車身上開始應(yīng)用，后來所有小批量OEM廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品中都會采用這種大量使用碳纖維復(fù)合材料的輕量化方案。碳纖維復(fù)合材料的加工是一種手工加工工藝，且由于周期時間長，材料昂貴，因此多用于賽車、跑車或研究。奧迪通過R8 GT概念詮釋了改進(jìn)方法，提高了在車身區(qū)域應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料方面的認(rèn)知。該車將平面碳纖維復(fù)合材料集成在現(xiàn)有的型材結(jié)構(gòu)中，并努力使白車身的質(zhì)量再減輕10%以上，如圖4所示。

圖4 奧迪R8 GT[6]

M.Goede博士的路線圖（圖5）試圖在質(zhì)量（輕量化潛力）上將材料與汽車制造的量產(chǎn)大小聯(lián)系起來。該路線圖反映出在考慮碳纖維復(fù)合材料和多材料設(shè)計（MMD）方法的前提下電動汽車較高的輕量化潛力。

研究歐洲車身年會的交流資料[8]，把車身分成兩組，一組是深度輕量化的車身（以鋁或碳纖維為主體材料]，另一組是一般輕量化車身（包括高強鋼、熱成形鋼等），見圖6。用橫坐標(biāo)表示車身的體積V（長X寬X高），縱坐標(biāo)是車身的質(zhì)量（重量），可以看出，鋁和碳纖維對車身的輕量化有顯著的作用，由2013 Alfa Romeo 4C Coupe（FRP）、2010 Lexus LFA（FRP）、2013 BMW i3（FRP）、2010 Audi A8(鋁)、2013 Range Rover Sport(鋁)、2012 Range Rover(鋁)組成的深度輕量化的車身質(zhì)量遠(yuǎn)低于其它車身的質(zhì)量。以纖維和鋁為主的深度輕量化車身質(zhì)量與車大小的關(guān)系可表示為：Gs1=15.048Vs+68.88，其它一般輕量化車身（平均水平）表示為：Gsa=23.764Vs+81.703，兩者的差值是：△Ga1=8.716Vs+12.8，也就是說纖維和鋁為主材的深度輕量化車身比其它一般輕量化車身輕△Ga1=8.716Vs+12.8，（Vs是車輛的大?。嚿磔p量化材料與車身輕量化詳見文獻(xiàn)[9]，這里不再詳述。

圖5 電動汽車多材料設(shè)計[MMD]趨勢[7]

圖6 車身的輕量化統(tǒng)計圖

對比近10年的歐洲車展中車身材料的構(gòu)成，按纖維復(fù)合材料占比的多少進(jìn)行排隊，如圖7所示，不論是小批量的跑車，還是大批量的一般乘用車，寶馬i3的碳纖維占比都是領(lǐng)先的，也是碳纖維在汽車上應(yīng)用的成功范例。

（2）寶馬汽車的復(fù)合材料應(yīng)用

圖7 纖維材料在車身應(yīng)用占比排序圖

復(fù)合材料在民用汽車上的商品化應(yīng)用，寶馬汽車公司是捷足先登的，BMW i3是第一款大批量生產(chǎn)的采用碳纖維復(fù)合材料車身的車型，圖8是2013年在歐洲車身年會上展出BMW i3車型和車身，不論是在車身結(jié)構(gòu)，還是在制造技術(shù)上，顛覆了傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)與制造工藝，在整車設(shè)計上，采用了傳統(tǒng)的非承載式的車身型式，將車劃分成上下兩個部分，即兩個所謂的模塊，下部分是“驅(qū)動（drive）”模塊，上部分是“生活（life）”模塊，下部的驅(qū)動部分主要是動力系和行走系，包含車架與電池平臺、電機傳動和底盤部分，上部的生活部分就是車身，車身沒有B柱，對開式車門，上下車極為方便，如圖9所示。在被動安全的設(shè)計上，前部撞擊時通過drive和life的兩個模塊，達(dá)到最佳效果，高強度CFRP乘員艙幾乎無變形，側(cè)撞能量由車身裙部主動吸收并傳遞給drive模塊及l(fā)ife的模塊（駕乘艙）的上部，高強度的CFRP大大降低了碰撞后的車身侵入量，更好地保護(hù)乘員。

圖8 BMW i3車型（上下模塊）

圖9 BMW i3無B柱，對開車門

為實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)、性能、間隙品質(zhì)、維修和輕量化等多方面的需求，BMW在車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和覆蓋件上有不同的取向，車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由CFRP材料制作，還有少量的鋁材和鋁型材，主要出于結(jié)構(gòu)強度、剛度、安全等性能方面的考量，利用CFRP的高強度、纖維方向和鋪層多少，滿足不同部位的力學(xué)要求，但車身的外部覆蓋件是熱塑性塑料，滿足前罩蓋的行人保護(hù)、車外表的間隙控制、車輛的維修和車輛改型方面的需要，但車頂是CFRP，合適的材料用在適合的地方。圖10和圖11所示，車身上大量地使用了非金屬材料，各種材料的質(zhì)量占比分別是：CFRP占49.41%、熱塑性塑料9.55%、熱塑性彈性體0.5%、膠粘劑和泡沫14.04%，圖11是質(zhì)量占比餅圖。車身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共有34個CFRP零件如圖12，其中包括：13個RTM整體件（48個預(yù)成型件），2個剖面有泡沫支撐核（Flechtpro?file）的RTM件，19個整體纖維增強模壓件。

圖10 BMW i3車身的里子[車身內(nèi)結(jié)構(gòu)]和面子（覆蓋件）

圖11 BMW i3車身材料的重量占比

圖12 BMW i3車身結(jié)構(gòu)的CFRP部件

對于幾何復(fù)雜的車身部件采用RTM工藝，考慮滿足大部件不同位置的較大力學(xué)變化需要進(jìn)行設(shè)計與制作，由多個預(yù)成型件來實現(xiàn)不同要求，選擇纖維方向，形成各向同性或各向異性的預(yù)制件，再采用RTM成型為一個件，34個CFRP零件中的最復(fù)雜的典型部件，CFRP側(cè)圍內(nèi)板如圖13所示，是由多重的預(yù)制件（9個）組合而成，A柱為各向異性，A柱下腳板基本是各向同性的。主要由纖維和樹脂構(gòu)成的纖維復(fù)合材料，如同建筑中的鋼筋和混凝土，部件與復(fù)合材料一起形成；與航空和航天工業(yè)用的復(fù)合材料有所不同，符合大批量生產(chǎn)需要的外形設(shè)計是必須的。纖維織物套系中的每個織物具有固定的重量和方向，可實現(xiàn)設(shè)計靈活性和成本優(yōu)化。

作為傳統(tǒng)的鋼制或鋁制車身，其中的三大工藝，沖壓、焊接和涂裝，在碳纖維的車體中，都有所改變，沖壓和涂裝也不再需要，焊接也變成了以粘接為主的工藝過程，見圖14。

圖13 BMW i3CFRP部件中的側(cè)圍內(nèi)板

圖14 CFRP部件的工藝改變

車身的外覆蓋件都是熱塑性材料（圖10右），包括發(fā)動機罩、前后車門外板、前翼子板和后防護(hù)板，材料都是PP/EPDM TV30，涂漆溫度為85℃；車頂縱梁材料是ABS/PC在（85℃）下Min20的涂漆；車頂蓋的材料為CFRP在85℃涂清漆。

對于CFRP結(jié)構(gòu)，BMW公司有CFRP車身損傷和維修的應(yīng)對策略，定義了幾個維修界面，例如側(cè)圍外板如圖15。受到側(cè)面沖撞后，如果需要更換損壞的轎車門檻邊梁，車間進(jìn)行目視檢查和損失評估。使用獲得專利的銑削刀具拆除需要修復(fù)的門檻邊梁部分。制造必要的門檻邊梁組件，然后安裝在損壞的車輛上。使用維修材料將新的零件粘合到分離點。任意授權(quán)的BMWi經(jīng)銷商可以修復(fù)車身外部，維修中心有專業(yè)的員工修理CFRP結(jié)構(gòu)損壞的車輛。

圖15 BMW i3 CFRP部件中的維修

在2015年的歐洲車身年會上，寶馬公司又在7系上推出了新概念“碳核(Carbon Core)”，在車身中有16個碳纖維復(fù)合材料部件，占車身總重的3%，采用了CFRP?濕壓模、CFRP?樹脂傳遞成型、CFRP?鋼混合、CFRP?片狀模塑料共4種工藝制造技術(shù)。CFRP?濕壓模制件用在車身頂橫梁、中通道、門檻縱梁等部位，CFRP?樹脂傳遞成型件用在中柱上橫梁和車頂縱梁上；與鋼的混合結(jié)構(gòu)用在B柱處；CFRP?片狀模塑料在C柱和包裹架上，見圖16?19。

圖16 BMW 7的CFRP部件

圖17 BMW 7 CFRP濕模壓和樹脂傳遞成型

圖18 BMW 7 CFRP-鋼混合

圖19 BMW 7 CFRP-片狀模塑料

（3）奧迪和奔馳的混合材料應(yīng)用

奧迪公司的輕量化以鋁為主，但2017年歐洲車身年會新一代奧迪A8后座椅背板是用碳纖維材料制作的，與前一代相比，密度下降45%，重量降低50%，2013年歐洲車身年會，奔馳S的后背板用的是塑料與鋁的混合材料，整個背板模塊重量為7kg。

（4）CFRP在車身上的應(yīng)用研究

當(dāng)前的乘用車懸架固定座，按傳統(tǒng)的設(shè)計是鋼板沖壓焊接或激光拼焊而成,已量產(chǎn)的輕量化結(jié)構(gòu)基本上是鑄鋁制作；前縱梁是鋼板沖壓焊接成盒型,已量產(chǎn)的輕量化方案是鋁型材；在“車輛模塊中的復(fù)合材料強化輕量化設(shè)計”[10]中，有多個CFRP和鋼或鋁的混合結(jié)構(gòu)的在研示例，比如前懸架固定座用CFRP和鋼板沖壓件的混合設(shè)計如圖23（左）,還有前縱梁角處、縱梁結(jié)構(gòu)、前保險杠橫梁、車門、儀表板橫梁等地方，都是利用CFRP材料發(fā)揮著獨特作用，見圖22～24。

圖20 奧迪A8的CFRP背板

圖21 奔馳S塑料與鋁混合的背板

圖22 CFRP用在儀表板橫梁和車門

圖23 CFRP用在懸架固定座和縱梁角處

圖24 CFRP在防撞系統(tǒng)和混合縱梁中的應(yīng)用

（5）一汽CFRP在轎車上的應(yīng)用研究

在紅旗H7的開發(fā)中，一汽在發(fā)動機罩蓋和行李箱蓋上，進(jìn)行過鋼、鋁和碳纖維的多方案研究與開發(fā)，其中的碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)如圖25（a)所示，前后蓋由碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制成，前后蓋外板都是9層，其中碳纖維有6層，玻璃纖維有3層，采用熱壓罐工藝，與鋼板結(jié)構(gòu)相比，發(fā)罩降重達(dá)13kg，行李箱蓋降重4.4kg，進(jìn)行了試驗與驗證，由于成本原因，在生產(chǎn)上最終沒有應(yīng)用。

以“小型乘用車輕量化技術(shù)研究”為課題，一汽在B30的電動車平臺上，開展了碳纖維乘員艙的研究與開發(fā)，如圖25(b）。在車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE分析與仿真、車身的性能試驗和碰撞安全方面進(jìn)行了大量的研究工作，試制了兩輛車并進(jìn)行了部分整車的試驗。

圖25 （a） 一汽的CFRP發(fā)罩的行李箱蓋

圖25 （b） 一汽的CFRP乘員艙

（6）碳纖維復(fù)合材料車身的比較

在車身方面，按結(jié)構(gòu)型式分為承載式車身和非承載式車身（殼式結(jié)構(gòu)），與如前所述的碳纖維復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)相比，另一種“加強筋?空間?框架結(jié)構(gòu)”的車身型式與之相比，在變更驅(qū)動系統(tǒng)和模塊化方面有靈活性，在由傳統(tǒng)燃油車向電動化方向過渡時期更具優(yōu)勢，見圖26。

圖26 碳纖維復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)對比[17]

3.2 復(fù)合材料在底盤上的研究與應(yīng)用

（1）底盤部件的輕量化趨勢

在乘用車中，車身的輕量化是重中之重，因為車身在底盤的上部，車身的質(zhì)量是簧上質(zhì)量，車身也是乘用車中最大最重的總成，車身和乘員的質(zhì)量都是由底盤來承擔(dān)，底盤是承載系統(tǒng)，底盤的輕量化用承載能力來評價，也就是在同樣的能力下，關(guān)注哪個最輕。碳纖維的低密度和高強度性能是底盤部件所需要的。

隨著底盤行駛機構(gòu)的結(jié)構(gòu)演變，出現(xiàn)了越來越多的面向需求的底盤及車輪的結(jié)構(gòu)。因此，部件特定的材料選擇也變得越來越重要。單一材料概念早已成為過去，現(xiàn)在輕量化趨勢正日益朝著多材料設(shè)計的方向發(fā)展（圖27）。圖28是賽車底盤懸架的下控制臂，用碳纖維材料的例子。

圖27 （a） 懸架下控制臂的輕量化對比

圖27 （b） 底盤行走機構(gòu)組件的材料發(fā)展趨勢

圖28 賽車上的碳纖維下控制臂

圖29 ZF纖維復(fù)合材料減振支柱模塊[11]

（2）CFRP的懸架部件

以一個減振支柱為例，采埃孚股份公司通過試驗證實，當(dāng)車輪負(fù)荷較小時，與鋁材結(jié)構(gòu)相比，纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)（功能集成在部件中的減振柱和車輪架上）可以減輕50%的質(zhì)量。

除材料和概念輕量化外，還可以應(yīng)用輕量化策略實現(xiàn)部件集成和功能集成。通過適當(dāng)?shù)牟ＡЮw維?Turane?樹脂復(fù)合材料（Turane樹脂是一種環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂的化合）可以選擇最適用于應(yīng)用目的特定剛度和強度材料等級。使用這種纖維增強塑料還可以實現(xiàn)希望的功能集成，例如，車輪導(dǎo)向機構(gòu)(連桿和懸架控制臂)和懸架彈簧（橫向板彈簧）。圖30為后軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，與量產(chǎn)的基準(zhǔn)底盤相比，底盤的質(zhì)量減輕了25%左右。

圖30 緊湊型轎車的非驅(qū)動四連桿后懸架設(shè)計方案（?采埃孚）

中級車的4個傳統(tǒng)鋼質(zhì)螺旋彈簧的質(zhì)量約為10kg。通過用纖維增強塑料代替鋼可以減輕約4kg的質(zhì)量(圖31)。也有用碳纖維復(fù)合材料制造汽車用扭力桿的例子，其扭力彈簧由碳纖維復(fù)合材料管制作，扭轉(zhuǎn)臂是鑄鋁，見圖32。

圖31 玻璃纖維增強塑料與鋼質(zhì)螺旋彈簧對比[12]

圖32 碳纖維復(fù)合材料的扭力桿

減振器用碳纖維的例子，如圖33所示，減振器的油缸用碳纖維復(fù)合材料制成，整個重量達(dá)到了原鋼制件的27%。

圖33 碳纖維材料的減振器及重量比較

（3）CFRP的轉(zhuǎn)向部件

通過部件以及材料改變的系統(tǒng)輕量化潛力分析，在附加成本適中的情況下，仍可實現(xiàn)顯著的減重。因此，在本例中圖34，通過CFRP材料的轉(zhuǎn)向柱殼體及支架，實現(xiàn)質(zhì)量的減輕。寶馬碳纖維零件可能還有全碳纖維轉(zhuǎn)向盤，見圖35。

圖34 轉(zhuǎn)向柱中的CFRP支架等

圖35 寶馬公司的CFRP轉(zhuǎn)向盤

（4）CFRP的副車架及傳動軸

麥格納在研究開發(fā)CFRP的副車架,其給出的圖片如圖36所示；CFRP傳動軸在寶馬的M3、M4車型上已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用多年，與鋼制傳動軸的對比測試，結(jié)果顯示碳纖維傳動軸能承受的最大轉(zhuǎn)矩是鋼材質(zhì)傳動軸的2倍多。

圖36 CFRP的副車架（麥格納）

（5）CFRP的車輪及制動部件

圖37 CFRP的傳動軸管

CFRP車輪，早在2008年日本W(wǎng)eds Sports公司推出原型產(chǎn)品但沒量產(chǎn)。隨后澳洲Carbon Revolution也推出型號為CR?9的量產(chǎn)CFRP車輪，但售價太高。寶馬的CFRP車輪如圖38(左)，據(jù)說比鍛造鋁車輪輕35%，使汽車的彈簧下質(zhì)量大幅減少。但是依然尚未開辟專屬的生產(chǎn)線以及提交相關(guān)的認(rèn)證，預(yù)計在兩年內(nèi)就會出現(xiàn)在市場上。另外，寶馬生產(chǎn)i3與i8過程中產(chǎn)生的碳纖維廢料將可以被用在座椅支架、備胎等零件的制造中。中國也在研究碳纖維車輪，早年的樣品如圖38b；CFRP材料使踏板機構(gòu)的質(zhì)量減輕1.5kg，圖39。

圖38 CFRP車輪

圖39 CFRP踏板機構(gòu)[13]

如果可以用碳復(fù)合材料的制動盤代替金屬制動盤，則可以實現(xiàn)超過60%的減重潛力。這種材料長期以來一直用于高性能汽車和賽車中。然而，由于附加成本原因會導(dǎo)致制造工藝成本很高，因此這種材料在可預(yù)見的時間內(nèi)尚不能用于量產(chǎn)車。圖40是來自于西格里碳集團(tuán)，是不同材料的制動盤對比，包含了鋼制、灰鑄鐵、碳纖維復(fù)合材料及陶瓷制動盤的性能對比，包括質(zhì)量、使用壽命、摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)共4個方面，從中可以看出，碳化硅陶瓷制動盤在所有方面都具有明顯優(yōu)勢。

圖40 不同材料制動盤的性能對比

圖40 不同材料制動盤的性能對比

4 汽車制造中碳纖維復(fù)合材料的前景展望

4.1 CFRP在汽車上應(yīng)用的影響因素

在航空航天工業(yè)中每減輕1kg質(zhì)量可以節(jié)省上萬歐元的費用，在民航領(lǐng)域也能節(jié)省幾百歐元。而在汽車領(lǐng)域中，輕量化甚至只能節(jié)省幾歐元。長期以來，對于傳統(tǒng)汽車，每減輕1kg的質(zhì)量花費4歐元的額外成本已經(jīng)是極限。由于燃油價格急劇上升以及CO2罰款，這個值已超出了5歐元。在電動汽車中，這個值超過了12歐元，這是由于通過使用碳纖維增強復(fù)合材料輕量化可對質(zhì)量高達(dá)400kg的電池進(jìn)行部分補償并使其續(xù)駛里程加長。在此，纖維復(fù)合材料的功能特性也非常重要，例如：可以通過良好的絕緣性能優(yōu)化熱管理。另一方面，考慮到目前的汽車采用碳纖維材料每千克的成本約為15歐元，相比之下，鋼材的成本只有幾歐元，這對產(chǎn)業(yè)突破來說顯然是一個巨大的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到主要成本驅(qū)動因素并不在材料領(lǐng)域而是在工藝成本方面。圖41所示為大批量生產(chǎn)中零部件生產(chǎn)的典型成本分布情況。

圖41 CFRP部件生產(chǎn)的成本構(gòu)成[14]

目前的研究項目目標(biāo)是降低整個鏈條的成本。尤其是用于電動汽車上的纖維復(fù)合材料適用的結(jié)構(gòu)，“從粗紗到成品部件”的自動化過程和高能效的碳纖維生產(chǎn)。特別是熱塑性基體系統(tǒng)的應(yīng)用也在“維護(hù)”和“回收”領(lǐng)域帶來了巨大的進(jìn)步。因此可以假定，除了鋼、鋁和鎂之外，碳纖維增強復(fù)合材料將成為一種適于大批量生產(chǎn)智能混合結(jié)構(gòu)的材料。

碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，例如：RTM技術(shù)或熱壓罐成形工藝都需要非常長的循環(huán)周期。不太適合于大批量生產(chǎn)，用模具中熱擠壓的方法制作預(yù)成型件，可縮短生產(chǎn)周期。在圖42中相對列出了熱擠壓，RTM工藝和熱壓罐成形工藝的周期時間。適用于汽車行業(yè)批量生產(chǎn)的周期時間應(yīng)該在5～10min之間。只有熱擠壓工藝才能滿足這個要求。其它兩種方法的周期時間分別為30～60min或明顯超過200min。

圖42 CFRP生產(chǎn)工藝周期時間

4.2 在汽車上的應(yīng)用預(yù)測與展望

在從2015開始到2025年的10年中[15]，預(yù)計碳纖維占車重20%的車輛將達(dá)到60%以上，現(xiàn)在有88%的汽車制造商有實施碳纖維新材料或計劃實施碳纖維新材料的戰(zhàn)略規(guī)劃，見圖43～44。

圖43 CFRP占比20%的時間表

圖44 CFRP占比20%的戰(zhàn)略時間表

有文獻(xiàn)估計[16]，到2050年，通過實施汽車的輕量化戰(zhàn)略，對于汽車的整備質(zhì)量，汽油車將從2010年的1331kg達(dá)到時2050年的837kg；天燃?xì)廛噷?010年的1401kg達(dá)到時2050年的907kg；燃料電池車將從2010年的1602kg達(dá)到時2050年的934kg；電動車將從2010年的1769kg達(dá)到時2050年的932kg。參見表6，2050年碳纖維和玻璃纖維的材料應(yīng)用將占總重量的1/4以上，見圖45。到2050年燃料電池汽車和電動汽車的成本會大大下降，僅比現(xiàn)在傳統(tǒng)汽車成本的高出10%左右，見圖46。

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圖45 未來汽車材料預(yù)測

圖46 未來汽車成本預(yù)測

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