籍龍波 朱學(xué)武 丁建鵬 王孫斌

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：乘用車 碳纖維復(fù)合材料 研究進(jìn)展

1 前言

隨著對(duì)汽車燃料經(jīng)濟(jì)性和排放控制要求的提高，采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)乘用車輕量化成為主要的研究方向[1]。碳纖維復(fù)合材料密度僅為1.45～1.60×103kg/m3，比鋼輕了75%左右。應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的車身結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身，可減重30%～60%[2]。若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油效率能夠提高6%～8%[3]。在輕量化要求的背景下碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用具有良好的前景。

2 概述CFRP在乘用車上應(yīng)用現(xiàn)狀

由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異特性，國(guó)內(nèi)外車企開(kāi)展大量的研究與應(yīng)用。寶馬[4]于2007 年確定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，率先全面開(kāi)啟碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。寶馬i3、i8車身[1]采用的便是碳纖維復(fù)合材料，成為碳纖維在乘用車設(shè)計(jì)中大幅度應(yīng)用的明星車型，成為業(yè)內(nèi)標(biāo)桿車型，其他車企相繼推出了應(yīng)用的車型（表1）。

國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用比例較高的車型集中在跑車上。長(zhǎng)城華冠推出的前途K50跑車，全車覆蓋件及內(nèi)飾上大面積應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。一汽集團(tuán)在紅旗S9大面積應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。此外，上汽、廣汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)車企業(yè)也推出了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車型。

為了降低乘用車上碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本，汽車制造廠商也逐步加大與碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)合作。寶馬汽車公司（BMW）與碳纖維生產(chǎn)商SG加強(qiáng)合作以推進(jìn)碳纖維在乘用車中的應(yīng)用[5]。與寶馬等國(guó)外車企相比，國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例及車型銷售量仍存在較大的差距。但隨著國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)逐步與國(guó)際接軌、國(guó)內(nèi)車企研發(fā)投入的加大，這種差距會(huì)逐步縮小。

表1 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車型 [4,6-9]

3 CFRP應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 CFRP成形工藝研究

汽車零部件的生產(chǎn)需要滿足大批量使用，因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料成形工藝研究尤為重要[10]。碳纖維復(fù)合材料成形的技術(shù)主要分為熱壓成形與液體成形(圖1)。熱壓成形工藝又分為熱壓罐成形技術(shù)、模壓成形技術(shù)、真空袋成形技術(shù)、軟模成形技術(shù)和拉擠成形技術(shù)等；液體成形主要包含樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（RTM）、樹(shù)脂膜滲透技術(shù)（RFI）、真空輔助樹(shù)脂滲透技術(shù)（VARI）、真空樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（VARTM）和樹(shù)脂浸漬成形技術(shù)（SCRIMP）等。其中應(yīng)用較多的為熱壓罐技術(shù)、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（RTM）、樹(shù)脂膜滲透技術(shù)（RFI）和真空輔助樹(shù)脂滲透技術(shù)（VARI）。目前車身部件應(yīng)用最為廣泛的為RTM。寶馬i3 在車身部件成形時(shí)就廣泛應(yīng)用RTM工藝[11]。

由于不同工藝的難度、周期與成本各異，改進(jìn)成形工藝也是推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的重要途徑，特別是對(duì)快速成形性工藝的研究十分必要。許多學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料成形工藝進(jìn)行了深入的研究。

圖1 碳纖維復(fù)合材料成形工藝

秦浩[12]通過(guò)設(shè)計(jì)不同熱壓罐工藝路線，探索了制備工藝對(duì)性能的影響，并對(duì)薄板快速成形工藝進(jìn)行了研究。亓淑源[13]對(duì)碳纖維汽車件用RTM 快速成形樹(shù)脂體系進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)出快速成形的耐高溫與韌性樹(shù)脂體系，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料成形效率與工藝質(zhì)量的統(tǒng)一。羅金亮[14]采用纏繞包覆法和層壓法制備聚酯基碳纖維復(fù)合材料，并對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的制備工藝。紀(jì)俊洋[15]采用真空輔助成形工藝（VARI）制作了汽車前地板，并對(duì)成形過(guò)程中的材料性能參數(shù)進(jìn)行了研究。宋偉[16]設(shè)計(jì)了以孔隙率為表征、以成型壓力和加壓時(shí)機(jī)為變量的工藝方案，通過(guò)研究確定了碳纖維預(yù)浸料的最優(yōu)拉擠工藝方案。吳方賀[17]通過(guò)數(shù)值仿真，研究纖維滲透率、樹(shù)脂注射溫度和注射壓力工藝參數(shù)對(duì)樹(shù)脂充模時(shí)間的影響。

不同成形工藝、成形速度、質(zhì)量、成本、與成型設(shè)備的研制緊密相關(guān)。我國(guó)在成型設(shè)備研制方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距，需要加大研發(fā)投入。

3.2 CFRP應(yīng)用性能研究

應(yīng)用性能的研究集中于采用碳纖維復(fù)合材料替換鋼制部件的應(yīng)用效果。研究的部件集中于保險(xiǎn)杠、發(fā)罩、覆蓋件、B柱、地板與車身骨架。

張曉紅[18]、吳瓊[19]、王慶[20]等人研究碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于防撞梁的可行性，在保證耐撞性前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化30%以上。作為性能較為獨(dú)立的發(fā)罩系統(tǒng)，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的研究也較多[17、21-23]，研究表明應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料有較好的輕量化效果。美國(guó)通用汽車研發(fā)中心[24]運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料乘用車頂棚，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比減重高達(dá)70%。

由于碳纖維的性能特點(diǎn)，在車身覆蓋件上應(yīng)用研究也較為普遍。馮奇[25]使用碳纖維增強(qiáng)材料替代鈑金翼子板，整體較原有設(shè)計(jì)減重38%。潘玲玲[26]運(yùn)用模擬分析論證了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在燃料電池轎車車身外覆蓋件上應(yīng)用的可行性。鈄李昕[27]以純電動(dòng)賽車車身覆蓋件為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造等三方面著手研究，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于純電動(dòng)賽車，以實(shí)現(xiàn)其輕量化的目的。

將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到車身骨架上也成為熱門的研究方向。侯凡龍[28]針對(duì)B柱承力件應(yīng)用進(jìn)行了研究，與金屬材料相比碳纖維復(fù)合材料B 柱降重30%以上，且側(cè)面性能略有提升。熊長(zhǎng)麗[29]采用樹(shù)脂傳遞模塑成形工藝（RTM）制作碳纖維復(fù)合材料B柱，可減重70%以上。

紀(jì)俊洋[15]研究了碳纖維復(fù)合材料汽車前地板成形工藝，制備出的地板和金屬地板剛度和模態(tài)頻率相當(dāng)，減重比例達(dá)到50%以上。劉保公[30]采用了新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)非承載式純電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，還有學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸[31]、螺旋彈簧[32]及控制臂[33]性能進(jìn)行了研究。隨著碳纖維復(fù)合材料的工藝改進(jìn)及成本的下降，在乘用車應(yīng)用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大。

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的幾何形狀設(shè)計(jì)、最佳鋪層角度設(shè)計(jì)、鋪層厚度設(shè)計(jì)以及鋪層順序設(shè)計(jì)對(duì)零件性能有重要影響。Ghiasi[34-35]以變剛度設(shè)計(jì)和不變剛度設(shè)計(jì)考慮，對(duì)復(fù)合材料鋪層順序進(jìn)行了研究。通過(guò)鋪層角度研究以提高性能承載能力和臨界屈曲載荷也是研究的熱點(diǎn)[36-38]。陸振玉[39]、Park[40]、許玉容[41]的研究表明采用遺傳算法對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化可大幅度提升鋪層優(yōu)化效率。

總體而言，現(xiàn)有研究集中于以單一部件與總成替換金屬結(jié)構(gòu)，這種單一結(jié)構(gòu)的采用仍然是開(kāi)發(fā)金屬部件的流程，與正向開(kāi)發(fā)碳纖維為主體的構(gòu)架開(kāi)發(fā)模式存在較大差距，不能充分發(fā)揮出碳纖維復(fù)合材料的成本優(yōu)勢(shì)。未來(lái)的研究趨勢(shì)應(yīng)結(jié)合碳纖維工藝特點(diǎn)，逐步探索新的產(chǎn)品生產(chǎn)模式，推動(dòng)乘用車生產(chǎn)流程的革新，充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料工藝靈活的特點(diǎn)，降低其在乘用車上的應(yīng)用成本。

3.3 CFRP材料本構(gòu)研究

在汽車的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造時(shí)，需要已知碳纖維復(fù)合材料的各個(gè)材料參數(shù)，才可實(shí)現(xiàn)對(duì)車用碳纖維復(fù)合材料的準(zhǔn)確力學(xué)模擬，評(píng)估汽車的承載能力與安全性能。主要的研究方向集中于材料本構(gòu)求解方法、連接方法與碳纖維復(fù)合材料破壞方面的研究。

材料本構(gòu)求解研究方面，楊思滿[42]提出一種基于數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)的車用碳纖維復(fù)合材料本構(gòu)參數(shù)反演方法。洪佳瑩[43]利用雙尺度漸進(jìn)展開(kāi)的均勻化法，求解各尺度等效彈性材料參數(shù)，將不同尺度（微觀、介觀和宏觀）之間的材料彈性參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

連接方法研究方面，楊青博士[44]提出纖維-基體間的界面層設(shè)計(jì)是研究設(shè)計(jì)高剛性復(fù)合材料的關(guān)鍵。羅書(shū)舟[45]分別用內(nèi)聚力單元、黏性接觸和Tie 接觸模擬碳纖維復(fù)合材料層合板層間關(guān)系，并指出內(nèi)聚力單元模擬層間關(guān)系最為準(zhǔn)確。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料破壞方面的研究表明，其一方面可提高結(jié)構(gòu)的吸能效果；另一方面會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差。特別對(duì)于車身承力結(jié)構(gòu)件，針對(duì)指定結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的整體響應(yīng)與損傷預(yù)測(cè)的研究則尤為重要。Farley[46]通過(guò)研究指出了碳纖維復(fù)合材料吸能盒在軸向碰撞過(guò)程中發(fā)生的4 種失效模式。Mamalis[47-48]針對(duì)碳纖維復(fù)合材料軸向準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的壓潰行為進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明漸進(jìn)失效模式能夠吸收更多的能量，為碳纖維復(fù)合材料的理想失效模式。曾帝[4]也指出漸進(jìn)損傷模式是較為理想的壓潰失效模式，適用于汽車吸能部件。

由于碳纖維復(fù)合材料在受到外部沖擊載荷下極易發(fā)生分層損傷，最新研究方向?yàn)閷觾?nèi)和層間損傷的研究。由于碳纖維復(fù)合材料在多種復(fù)雜工況下呈現(xiàn)的損傷是非線性行為，未來(lái)研究手段越來(lái)越依賴于仿真分析。Yamamoto[49]開(kāi)展了纖維束與基體微觀的結(jié)構(gòu)及破壞機(jī)理進(jìn)行仿真研究。Xu[50]基于試驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)仿真研究了碳纖維復(fù)合材料的界面特性與纖維浸潤(rùn)的影響因素。

疲勞分層也是碳纖維復(fù)合材料重要的失效現(xiàn)象，朱煒垚[51]引入疲勞分層擴(kuò)展阻力概念用于表述復(fù)合材料產(chǎn)生疲勞分層擴(kuò)展時(shí)所需的能量，并提出了以歸一化應(yīng)變能釋放率為控制參量的疲勞分層擴(kuò)展速率模型。Zhao[52]綜合考慮纖維橋接、應(yīng)力比和加載混合比對(duì)疲勞分層擴(kuò)展行為的影響，建立了考慮應(yīng)力比的歸一化疲勞分層擴(kuò)展速率模型。Gong[53]從能量角度出發(fā)建立了疲勞分層擴(kuò)展阻力計(jì)算的解析模型，可實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展阻力的定量化評(píng)價(jià)。

隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的微觀化及仿真化趨勢(shì)，為揭示碳纖維損傷機(jī)理及精細(xì)描述材料本構(gòu)起到了促進(jìn)作用，更為碳纖維復(fù)合材料性能提升奠定了理論基礎(chǔ)。

3.4 碳纖維/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)研究

由于現(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料成本仍舊偏高，且作為車身結(jié)構(gòu)件應(yīng)用，在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生局部屈曲等不穩(wěn)定的失效模式，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)吸能特性降低。為了更好的發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料輕量化的效果，并兼顧使用成本及碰撞吸能特性，金屬/碳纖維的混合材料也成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)重要分支。

朱國(guó)華[54]研究了鋁/碳纖維復(fù)合材料混合板應(yīng)用于乘用車前縱梁的可行性。楊艷[55]通過(guò)對(duì)鋼/碳纖維復(fù)合材料連接技術(shù)研究，提出了提升膠結(jié)接頭的承載力的方法。通過(guò)金屬與碳纖維復(fù)合材料的合理設(shè)計(jì)，使承力結(jié)構(gòu)上發(fā)生理想的失效模式，將大大提升碳纖維復(fù)合材料在車身主要承力構(gòu)件上應(yīng)用的可行性。Reyes[56]的研究表明，金屬/碳纖維混合材料相比于單一材料具有更優(yōu)異的疲勞性能，這也大大提升了此種材料的應(yīng)用范圍。張亮亮[10]提出對(duì)金屬/碳纖維混合材料的連接技術(shù)的研究，有助于提升其應(yīng)用范圍。

隨著研究深入，金屬/碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的混合車身，能更好的發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)缺點(diǎn)。在碳纖維復(fù)合材料成本較高的背景下，也會(huì)成為車身輕量化重要的研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的特性，必將成為未來(lái)乘用車領(lǐng)域主要的輕量化用材。現(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料的成本較高，在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用仍然受到制約。要推動(dòng)在乘用車領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用，仍需要在以下方面做出突破。

（1）加大研發(fā)投入?，F(xiàn)階段對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究仍集中于實(shí)驗(yàn)室或單一部件的研究。單一零件的低成本化并不能發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。正向集成式的碳纖維設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，將從零件數(shù)量、設(shè)計(jì)的工序、生產(chǎn)過(guò)程及周期上革新原有的生產(chǎn)制造過(guò)程，大大降低上述環(huán)節(jié)的投入。這就需要汽車生產(chǎn)廠商進(jìn)一步加大對(duì)于以碳纖維復(fù)合材料為基礎(chǔ)研發(fā)投入，特別是對(duì)于全流程的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)-工藝-生產(chǎn)一體式應(yīng)用的研究。

（2）加強(qiáng)國(guó)際合作。國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)雖然經(jīng)歷的高速發(fā)展，但仍與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)存在較大差距，這就需要積極與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)合作、取長(zhǎng)補(bǔ)短。特別是在研發(fā)、制造以及生產(chǎn)設(shè)備上推進(jìn)國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料行業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量的發(fā)展階段。

（3）產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。單純依靠汽車制造廠商或碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，不能發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì)。汽車制造廠商要積極加強(qiáng)與生產(chǎn)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的合作，以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，激發(fā)研發(fā)、生產(chǎn)、制造全體系的創(chuàng)新活力，合力突破技術(shù)瓶頸。

此外，隨著碳纖維復(fù)合材料在乘用車上應(yīng)用日益廣泛，但其回收再生技術(shù)一直是個(gè)難題。碳纖維回收一方面阻止了碳纖維使用一次后就被填埋的浪費(fèi)；第二方面，回收可大大減少了能源消耗；第三方面，可有效降低乘用車維修費(fèi)用，無(wú)形中降低使用成本。因此，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)與回收也是一項(xiàng)難點(diǎn)課題。

由于碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)屬于高能耗行業(yè)，其成本受到電價(jià)高低的影響，隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等環(huán)保電力的日益廣泛的應(yīng)用，用電成本持續(xù)下降，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用成本會(huì)進(jìn)一步下降。針對(duì)于低成本碳纖維復(fù)合材料的研究，例如瀝青基材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，還會(huì)進(jìn)一步降低碳纖維復(fù)合材料的成本。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，碳纖維復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用也會(huì)迎來(lái)更光明的前景。