李春曉

1 前言

汽車輕量化是汽車產業(yè)的核心技術和重要發(fā)展方向，已經成為國家制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，《節(jié)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(fā)展戰(zhàn)略重點之一。國家多部委也都發(fā)布了多項惠及汽車輕量化產業(yè)的技術標準、法律法規(guī)和研發(fā)項目。政府的支持為汽車輕量化發(fā)展提供了機遇，有利于提高我國汽車輕量化產業(yè)的核心競爭力。碳纖維及其復合材料具有質量輕、強度高、耐腐蝕、安全性好等不可替代的優(yōu)勢，是作為汽車輕量化所使用的最佳材料。正是由于兼具優(yōu)異性能，碳纖維在汽車領域均有廣泛的應用前景，國務院發(fā)布的《中國制造2025》中已明確將碳纖維及其復合材料汽車零部件技術作為節(jié)能與新能源汽車領域的重要發(fā)展方向。

2 碳纖維及其復合材料

碳纖維（Carbon Fiber， CF），為含碳量在95%以上的高強度碳材料，它是由石墨微晶等有機物纖維沿纖維軸向堆砌而成，經碳化及石墨化工藝處理而得到的微晶石墨集合體。碳纖維以其優(yōu)異的比強度、比模量、耐腐蝕、吸能等性能，在航天航空、軍工核能、軌道交通、汽車、體育休閑等領域得到廣泛的應用。

碳纖維與高分子樹脂、陶瓷、金屬等基體材料復合而制成的結構材料簡稱“碳纖維復合材料”。碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有密度小、質量輕、高強度、高斷裂韌性、耐化學腐蝕、可設計性強、加工性能好、熱膨脹系數小、抗輻射抗老化、減振阻尼性能好等顯著優(yōu)點，既能夠滿足設計部件高強度、輕量化的設計要求，還能提高汽車的安全性能。目前碳纖維復合材料已成為繼高強特種鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復合材料等材料后汽車工業(yè)領域最前沿、最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p量化材料。

碳纖維復合材料的抗拉強度和拉伸模量受到碳纖維品種、內部結構、用量、鋪層使用方式以及樹脂種類等多方面因素的綜合影響，性能和使用方式不一。碳纖維復合材料與其他輕量化材料的性能對比情況見表1，由表中數據對比可知，碳纖維復合材料在抗拉強度、比強度、拉伸模量，尤其是在比強度和比模量方面比現(xiàn)有使用材料體系有顯著提高，這些是碳纖維復合材料的核心性能優(yōu)勢和價值體現(xiàn)，也是碳纖維在汽車行業(yè)得到廣泛關注的原因。

3 碳纖維在汽車上的應用

隨著汽車的發(fā)展，車身尺寸不斷增大、安全系數不斷提高、配置越來越豐富、結構越來越復雜，又要保持合理的車重，選擇合適的材料至關重要?？梢哉f，輕量化材料的選擇，真正體現(xiàn)了汽車品牌之間的研發(fā)核心技術差距。碳纖維復合材料的應用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求，又實現(xiàn)了汽車的輕量化。碳纖維不但能達到節(jié)能減排的全球性需求，也能解決消費者所關心的節(jié)能省油問題，因此碳纖維復合材料可以作為汽車的未來主流材料。

碳纖維的密度接近鋼鐵材料的1/5，目前車體常規(guī)質量在400～500kg，而一個全碳纖維跑車的車體質量不足百公斤。汽車質量每減小10%，可降低6%以上的油耗使續(xù)航能力大幅提升，降低5%以上的排放。正因其廣泛的應用前景，碳纖維被稱為21世紀即將井噴的“黑色黃金”。據研究表明，汽車制造商為了減輕1kg車重所投入的費用比增加1馬力動力更為高昂。

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，大大減輕車身質量。以中國科學院研發(fā)的一輛碳纖維汽車為例，在金屬材質的汽車引擎蓋上，使用榔頭用力敲擊，漆蓋上會有明顯的凹陷，而利用碳纖維制作的汽車車殼卻非常堅固，用力擊打車蓋后會迅猛反彈，車身表面無受損痕跡。中國科學院研究人員表示使用碳纖維復合材料做的汽車，與普通用鋼材制造的汽車相比，質量輕、速度快、油耗低，質量比普通鋼材的汽車減少60%，在同樣油耗工況條件下，這輛碳纖維汽車每小時至少多行駛50km[1]。

寶馬是碳纖維應用的嘗試者，2009年開始，聯(lián)合日本三菱麗陽株式會社和西格里集團2家公司，嘗試在其i系車型中采用碳纖維復合材料。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碳纖維復合材料來實現(xiàn)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24 000臺，i8的銷售接近5 500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柱采用了碳纖維與高強鋼結合的方式，提高了車身的扭轉剛度，并減輕了車身的質量。2016年，寶馬7系實現(xiàn)了6.4萬臺的銷售量，長期的銷售目標有望達到10萬臺。

在新能源汽車領域，碳纖維是新能源汽車“瘦身革命”的領導者，在汽車輕量化方面發(fā)揮著關鍵作用的同時，提高了新能源汽車的續(xù)航里程。碳纖維復合材料也得到了大量使用[2]。2018年12月15日，在2018 NIO Day現(xiàn)場，蔚來汽車正式發(fā)布了其第2款量產新能源車型蔚來ES6。全面的高性能表現(xiàn)成為ES6最大的亮點：綜合工況續(xù)航里程510km，百公里加速4.7 s，百公里制動距離33.9m，整車抗扭剛度高達4 930N·m/deg，這一切比肩賽車的優(yōu)良性能離不開其碳纖維復合材料的車身結構。

經過NIO全球測試證明，碳纖維后地板的使用讓車身整體的扭轉剛度更高，被動安全性能提高，整體耐久性也得到很大提升。遵循“合適的材料用到合適位置”的設計選擇，碳纖維后地板嵌入到全鋁車身中，比鋁合金減重30%以上，與相同體積的高強度鋼相比，質量僅是它的1/5。

國內碳纖維制造企業(yè)康得集團與康得新集團聯(lián)合打造的碳纖維輕量化產業(yè)平臺已經與近60家汽車主機廠展開交流與合作，為客戶提供了從設計、研發(fā)、試制到批產的碳纖維輕量化整體解決方案。已完成了多個車型的引擎蓋、翼子板、行李箱蓋、車門等車身覆蓋件；頂蓋、上邊梁、側邊梁、中通道、車身、座椅、電池箱、底盤等車身結構件的汽車碳纖維復合材料輕量化項目。項目涉及燃油汽車輕量化部件替代、新能源汽車（包括鋰電池車和氫燃料汽車）的整車輕量化解決方案。

北京長城華冠旗下的新能源汽車品牌前途汽車，與美國電動車制造商、分銷商Mullen Tech公司簽訂協(xié)議，計劃在美國加州投產電動跑車——前途K50。前途K50電動跑車采用全鋁合金車身設計并使用碳纖維復合材料，大大提高了汽車的整體性能。

碳纖維增強復合材料由于其良好的輕量化優(yōu)勢，還廣泛應用于汽車輪轂、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、內外飾、發(fā)動機領域中。

3.1 碳纖維輪轂

采取碳纖維材料制作的輪轂，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，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，從而使車輛擁有更快的啟動、停止以及轉向速度。

3.2 制動系統(tǒng)

碳纖維復合材料在制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)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2 500℃的溫度，并且還能保證性能的穩(wěn)定，保時捷918 spider采取了碳纖維制動盤，可以在50m內將汽車車速從300km/h降低到50km/h；碳纖維制作的傳動軸不僅可以減輕40%以上的質量，還具有非常好的耐久性，豐田86的碳纖維傳動軸僅重5.53kg，和主流的鋼制傳動軸相比，減重50%。

3.3 汽車進氣系統(tǒng)、發(fā)動機領域

碳纖維復合材料作為汽車進氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕其質量，達到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料加工性能好，易加工成各種曲面的復雜形狀，且材料表面較為光滑，可有效提高汽車進氣效率。而碳纖維良好的高溫性能使其在發(fā)動機領域得以應用，碳纖維復合材料可承受2 500℃的高溫，且性能穩(wěn)定。

3.4 汽車內飾、門窗等領域

碳纖維復合材料具有很好的吸力減震效果，對撞擊等有強大的緩沖作用，且減少撞擊可能產生的碎片，提高了汽車的整體安全性能。利用碳纖維制作汽車內外飾材料，在汽車輕量化的同時，還簡化了汽車零部件的生產制造工藝，進而減少零部件在加工、裝配、維修過程中產生的成本，進而降低汽車生產成本和消費者使用費用。

4 結語

近幾年，我國在高性能碳纖維及其復合材料領域取得了一定的進展和突破，在關鍵技術、裝備及應用等方面也有大幅的提高，但和國外依然有很大的差距。目前全球碳纖維制造的主導者是美國、日本和德國。與國外的碳纖維產業(yè)相比，國產原絲雜質含量高、生產的碳纖維質量不夠穩(wěn)定、離散系數大，生產成本還需進一步降低，碳纖維研發(fā)、生產與應用脫節(jié)嚴重，針對碳纖維市場的應用技術開發(fā)滯后，產業(yè)凝聚力弱等。目前國內碳纖維企業(yè)生產的產品雖然在航空航天、體育休閑和其他工業(yè)產業(yè)3大領域中都有一定應用，但高端應用領域占比僅4%，高端碳纖維產品嚴重依賴進口。碳纖維在汽車領域的應用也有很大的差距。

應用在汽車領域的材料產業(yè)規(guī)律是：當一種汽車材料壟斷地位已經形成，后來者就很難完全顛覆和取代，只有等待下一次汽車產業(yè)革命浪潮。如今，隨著新能源汽車時代的加速到來，一個全新的、充滿想象空間的汽車用材料市場機會正在不斷開啟。以碳纖維復合材料為首的汽車輕量化材料正迎來一個前所未有的機遇和歷史黃金期。

我國碳纖維需要潛心鉆研，實現(xiàn)技術突破，形成體系化、系列化的碳纖維產業(yè)鏈發(fā)展模式，盡快打破國外的技術壟斷。這需要國家、省和地方政府共同援手，給予相關碳纖維企業(yè)相應的配套扶持資金，為碳纖維產業(yè)發(fā)展提供更具有針對性的財政、人才、稅收等保障服務，培養(yǎng)出一批碳纖維生產制造和應用的龍頭企業(yè)。

參考文獻

[1] GUO Miaocai，YI Xiaosu.The production of tough， electrically conductive carbon fiber composite laminates for use in airframes[J].Carbon，2013（58）：241-244.

[2] ZhANG Xiaoqing，XU Haibing，F(xiàn)AN Xingyu.Grafting of amine-capped cross-linked polyphosphazenes onto carbon fiber surfaces：a novel coupling agent for fiber reinforced composites[J].RSC Adv，2014，4（24）：12198-12205.