＊李家麗

（寧德時代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

引言

在現(xiàn)今社會經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的背景下，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ?、工作中不可或缺的交通工具之一，其為人們的出行帶來了極大的便利條件，這也進一步推動了汽車行業(yè)的發(fā)展進步?？墒桥c此同時，汽車行業(yè)的發(fā)展進步也給社會帶來了諸多環(huán)境問題和能源問題，伴隨著人們對節(jié)能減排重視度的提升，新能源汽車得到了進一步的發(fā)展，這也給新型復(fù)合型新材料的發(fā)展提供了新的契機。其中碳纖維復(fù)合材料作為應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的一種新型材料，不僅在國內(nèi)備受青睞，在國外一些汽車產(chǎn)業(yè)市場發(fā)展極其成熟的日本、歐美國家已經(jīng)將其投入了生產(chǎn)和使用，實現(xiàn)了汽車性能、汽車生產(chǎn)成本、車體結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

1.碳纖維復(fù)合材料概念

碳纖維作為一種碳含量達到95%以上的纖維材料，具備高模量、高強度等特點。其是通過片狀石墨微晶等有機纖維，順著纖維軸的方向堆積形成的，然后再經(jīng)由石墨化和碳化等工藝加工處理而成的，其強度要比鋼鐵高很多，質(zhì)量卻比鋁還要輕，在抗腐蝕方面有著非常好的表現(xiàn)，并有著較高的模量。其不但保持碳材料原本的特性，更是兼具纖維的可加工性和柔軟性，碳纖維復(fù)合材料則是指由樹脂、陶瓷、金屬等基體和碳纖維復(fù)合而成，如由樹脂和碳纖維構(gòu)成的復(fù)合材料的比模量和強度在現(xiàn)今所有材料里是表現(xiàn)最優(yōu)的。因碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異表現(xiàn)，使其在汽車、軍工、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用都非常的廣泛[1]。

2.碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能

（1）力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料具備密度低的性能，其密度僅為1.5～2g/cm3，僅是鋁合金密度的1/2，僅是鋼密度的1/5，其在大量耐高溫材料中是材質(zhì)最輕的一類，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料所制的零部件是傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)零部件的15%～30%。在較高溫度下依舊能夠保持著較為優(yōu)良的強度，其彈性模量與拉伸強度也比一般材料要高很多，同時其抗疲勞性與斷裂韌性也相對較高[2]。

（2）熱物理性能。碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相對較小，在室溫內(nèi)的熱膨脹系數(shù)是（-0.5～-1.6）×10-6/k，在200～400℃的熱膨脹系數(shù)是0，在1000℃時的熱膨脹系數(shù)是1.5×10-6/k，在如此大溫差下熱膨脹系數(shù)并無太大變化，因此，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制作的器材精準度更高。比熱容相對較高，具備較好的吸收能量的作用，因此其耐熱摩擦、耐高溫性能也極其突顯[3]。

（3）碳纖維復(fù)合材料的特征。①拉伸彈性較強。在大多數(shù)情形下，碳纖維復(fù)合材料具有超強的拉伸彈性，通常都大于3500MPa，其是鋼材料拉伸彈性的7倍。其能夠達到2300～ 4300MPa抗拉彈性模量，遠比鋼高。其中2000MPa/(g·cm-3)為碳纖維符合材料比模量，但是鋼的比模量只有59MPa/ (g·cm-3)，其比模量同樣遠超過鋼[4]。②耐高溫、耐腐蝕性。同諸多材料進行比對，碳纖維復(fù)合材料在耐腐蝕、耐高溫等方面的性能也超強。理論上碳纖維耐高溫能夠達到2600℃，碳纖維樹脂基復(fù)合材料耐溫在200℃左右。因其特有的碳結(jié)構(gòu)特性使得其整體成型具有大面積的特性。此外，可塑性和穩(wěn)定性同樣也是其優(yōu)勢所在，這些特有的優(yōu)勢促使其能夠?qū)崿F(xiàn)汽車車身輕量化持續(xù)增長的目的[5]。③能量吸收性能優(yōu)越。在新能源汽車的制造過程中，因碳纖維復(fù)合材料在吸收能量方面出色的表現(xiàn)使其也被廣泛地使用。同時，在材料質(zhì)量方面，碳纖維復(fù)合材料還不到鋼質(zhì)同類零部件50%的重量，是鋁制同類材料的70%左右，并且抵抗沖擊的性能也更好，其優(yōu)勢是顯而易見的[6]。

3.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，對于新能源汽車來說，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用剛好符合其可持續(xù)性的發(fā)展目標，很好地詮釋了經(jīng)濟適用、環(huán)保低碳的理念。碳纖維復(fù)合材料雖說在汽車中實際應(yīng)用的時間還較短，但發(fā)展勢頭卻極為迅猛。將國內(nèi)外在新能源汽車行業(yè)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的情況進行對比不難看出，國外汽車行業(yè)在碳纖維復(fù)合材料持續(xù)發(fā)展的這幾十年內(nèi)建立的體系已經(jīng)非常成熟，而對于國內(nèi)來說在新能源汽車中碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還處在起步階段，在材料自主研發(fā)創(chuàng)新領(lǐng)域相對來說還較為薄弱，一些比較高端材料主要還是依靠進口，因此，國內(nèi)還需要進一步加強對碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)力度。下面針對各國新能源汽車行業(yè)中碳纖維復(fù)合材料的實際應(yīng)用狀況做如下分析[7]。

（1）德國。相比于其他國家而言，德國的汽車行業(yè)非常發(fā)達處在領(lǐng)先地位，在新能源汽車方面，其發(fā)展比較迅猛，對于汽車車身重量的控制和管理較為突顯。如，寶馬純電動汽車i3就擁有非常穩(wěn)定的車身結(jié)構(gòu)，其車身重量和以往電動車相比要輕一半左右，并且其底盤更好，使得重量和質(zhì)量獲得了反比增長。德國新能源汽車的輕量化方面獲取了較大成就，不但使車身重量得到了進一步降低，而且汽車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也得到有效加強，進一步實現(xiàn)了新能源汽車的“瘦身”目標[8]。

（2）日本。日本作為一個比較注重高新技術(shù)發(fā)展的國家，對于新能源汽車行業(yè)的發(fā)展也起到了極大的推動作用，如東麗公司推出的碳纖維復(fù)合材料，其車身的構(gòu)造是一體成型的中空結(jié)構(gòu)，重量不足鋼制材料車體的一半，同時還使汽車的性能得以有效提升，更好地落實了節(jié)能減排的發(fā)展目標。碳纖維復(fù)合材料在日本汽車行業(yè)的使用，達到了汽車結(jié)構(gòu)一體化目標，不僅使得汽車生產(chǎn)工藝進一步縮減，而且還大大節(jié)省了制造成本，在有效降低汽車重量的前提下，還滿足了節(jié)能減排的標準[9]。

（3）國內(nèi)。在20世紀70年代初期，碳纖維復(fù)合材料逐漸開始受到世界各國科研人員的重視和關(guān)注。對于國內(nèi)來說，對其的研究和應(yīng)用相對來說起步較晚，不過經(jīng)過30年來持續(xù)的創(chuàng)新和發(fā)展，目前國內(nèi)的碳纖維復(fù)合材料也已經(jīng)形成了一個較為完整完善的產(chǎn)業(yè)，其被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、航空航天等行業(yè)。國內(nèi)最近幾年汽車行業(yè)也有了長足的發(fā)展，已經(jīng)開始從動態(tài)發(fā)展狀態(tài)逐步進入穩(wěn)健的發(fā)展時期，提高企業(yè)自主的創(chuàng)新和研發(fā)能力，降低研發(fā)、生產(chǎn)等成本，有效增強其經(jīng)濟效益是目前國內(nèi)車企搶奪市場占比最為重要的手段。近兩年國內(nèi)長安、奇瑞、長城、江淮等車企對于新能源汽車的研發(fā)都比較重視[10]。早在2014年奇瑞就在北京市場率先推出了國內(nèi)的第一批新能源汽車，這是由中國科學(xué)院和奇瑞攜手打造的，其車身主要也是由碳纖維復(fù)合材料組成的，富有人性化和流暢感。此外，長城也自主研發(fā)了一款使用了非常多碳纖維復(fù)合材料的跑車，長城華冠EVENT，極大地降低了跑車的質(zhì)量，有效地實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能的目標，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也使產(chǎn)品的抗暴力、安全性等方面也有了進一步的保證。在汽車制造方面和常規(guī)材料相比，零部件的集成化、全體化以及自動化能夠有效降低車身的設(shè)計成本，并對制造成本進行壓縮和有效降低成品重量等方面能夠優(yōu)化近20%左右。所以，增強對于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用水平，對我國的汽車行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新有著不可忽視的作用。

4.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中的應(yīng)用

（1）碳纖維復(fù)合材料在汽車車身上的應(yīng)用。鋼鐵等金屬材料在傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)中是占比較大的，但將碳纖維復(fù)合材料替代原本新能源汽車底盤和車身的金屬材料能夠使得整個汽車降低40%～60%的重量，比鋼結(jié)構(gòu)能夠輕1/3～1/6的重量，碳纖維復(fù)合材料的拉伸輕度是同類鋼結(jié)構(gòu)拉伸輕度的 7～8倍左右。與此同時，還能夠確保汽車車身的抗沖擊能力和安全性。碳纖維材料能夠方便加工成其他不同繁雜的結(jié)構(gòu)，能夠達到一體化新能源汽車車身制作的目標?？梢栽谡麄€程度上使得工藝制造流程更為簡化，進而使得制造成本得到進一步降低。因此可以說，在汽車車身上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠具備較高的發(fā)展前景。英國對碳纖維復(fù)合材料做過減重實驗，結(jié)果顯示應(yīng)用鋼制車設(shè)計的汽車車身其重量在368kg，而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制作的車身其重量在172kg，整體減重量大約占50%?，F(xiàn)今部分改裝車和賽車大多數(shù)都是應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料制作汽車車身，其不僅能夠達到減重的目的，而且還能夠降低撞擊產(chǎn)生的碎片，大大提升了其安全性能。

（2）碳纖維復(fù)合材料在汽車車轂中的應(yīng)用。新能源汽車的車轂作為汽車中極其重要的組成部分，是確保汽車是否可以安全行駛的關(guān)鍵。車轂不但需要承載整個汽車本身重量和負載量，而且還需要傳遞扭矩和驅(qū)動。所以，要求汽車車轂質(zhì)量標準較高，其要求新能源汽車車轂抗沖擊性、強度、導(dǎo)熱性、安全性、耐熱性、耐久性等較強。其中碳纖維復(fù)合材料就具備很好的耐久性、耐熱性、耐疲勞性和力學(xué)性能等先天優(yōu)勢，所以能夠用其代替金屬材料的車轂，進而達到車轂優(yōu)良導(dǎo)熱性、耐熱、抗沖擊、高強度的標準要求。除此之外，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于新能源汽車車轂，能夠使車輪轉(zhuǎn)動慣量降低，促使汽車在轉(zhuǎn)向速度、停止、啟動等方面的性能得到極大提升。

（3）碳纖維復(fù)合材料在汽車內(nèi)外飾上的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料具備較強的耐老化性、耐熱性、韌性、高強度等特性，其能夠摒棄原有塑料制品耐久性較差、脆性較高的缺陷，可以將其應(yīng)用于汽車內(nèi)飾中。碳纖維復(fù)合材料具備抗沖擊性強、剛性高、強度高等吸收能量特性，能夠用其替代金屬材料用做汽車外飾構(gòu)件。另外，碳纖維復(fù)合材料的吸振性效果較強，所以，當汽車在迎接撞擊的過程中，可以將其中產(chǎn)生的巨大沖擊力吸收掉，進而能夠產(chǎn)生較好的緩沖減震作用。另外，還能夠降低由于撞擊產(chǎn)生的碎片，可以在一定程度上使汽車安全性能得以顯著提升。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾中能夠大大減少用戶使用成本和汽車生產(chǎn)成本，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠滿足汽車輕量化。另外，由于易加工成型是碳纖維復(fù)合材料的另一個特點，所以能夠使汽車零部件制作工藝流程得以進一步簡化，有效降低了在零部件加工期間、裝配期間和維修期間的生產(chǎn)成本。

（4）碳纖維復(fù)合材料在剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用。石棉材料是汽車制動器襯片的主要材料，由于在制動期間極易因摩擦而出現(xiàn)高溫，導(dǎo)致性能的熱退化，同時生成的石棉粉塵具備致癌危險。但碳纖維復(fù)合材料具備耐熱性強、耐磨性高、強度好等優(yōu)勢，所以在汽車剎車片上可以應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料代替石棉材料。碳纖維制動盤能夠在50m內(nèi)把車速從300km/h減至50km/h，同時碳纖維制動盤性能較為穩(wěn)定且耐高溫，能夠承載2500℃的高溫。

（5）碳纖維復(fù)合材料在汽車進氣系統(tǒng)上的應(yīng)用。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車進氣系統(tǒng)中，可以發(fā)揮很好的加工性能，極易生產(chǎn)出各類繁雜的曲面形狀，進而滿足實際生產(chǎn)需求。與此同時，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的汽車，其表面光滑度較高，能夠進一步提升新能源汽車的進氣效率。除此之外，碳纖維復(fù)合材料能夠使進氣系統(tǒng)的質(zhì)量得以減輕，從而達到整個汽車質(zhì)量減重的作用，實現(xiàn)良好的輕量化目的。

5.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中應(yīng)用的展望

在新能源汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料還具備以下優(yōu)勢：其一，密度較小。應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化的標準，達到節(jié)能減排的目的，降低環(huán)境污染問題，能夠當做一類環(huán)保型材料。其二，可塑性良好。碳纖維復(fù)合材料的可塑性較為良好，能夠結(jié)合實際需求加工成所需的不同繁雜形狀，其中包含部分金屬材料無法很好完成的曲面，其更有助于達到一體化汽車車身結(jié)構(gòu)。例如，如果設(shè)計一個整體的車座需要使用50～60個金屬材料零部件，而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料就能夠大大降低零部件的使用量，使工藝流程得以簡化，能夠促使工作效率得以有效提升。其三，吸能量良好。吸能量性能良好也是碳纖維復(fù)合材料的一大特性，將其用于車身能夠大大提升安全性，達到減震、緩沖吸能的目的。碳纖維復(fù)合材料現(xiàn)今受到全球汽車生產(chǎn)商的一致好評和認可，進而也使得其被廣泛地推廣和應(yīng)用起來。不難看出現(xiàn)今碳纖維復(fù)合材料可以作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的首選原材料，伴隨著新能源汽車上逐步普及應(yīng)用，使得其需求量持續(xù)增長，碳纖維復(fù)合材料具備更廣闊的發(fā)展前景。為提升新能源汽車工業(yè)的輕化汽車重量、汽車綜合性能，將會應(yīng)用更多碳纖維增強復(fù)合材料，如，碳纖維樹脂基復(fù)合材料、碳纖維陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維陶瓷基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料等。由于碳纖維復(fù)合材料具備的優(yōu)勢較多，所以越來越多的新能源汽車制造企業(yè)，如奧迪、寶馬、奔馳、本田、大眾、福特等高檔汽車企業(yè)都在嘗試使用碳纖維復(fù)合材料，因此，在未來碳纖維復(fù)合材料將被越來越廣泛地應(yīng)用于新能源汽車行業(yè)中?，F(xiàn)階段，因碳纖維材料的價格相對而言較為昂貴，所以制約了碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車制造業(yè)的發(fā)展應(yīng)用。但碳纖維復(fù)合材料還具備環(huán)保節(jié)能的重要作用，能夠與社會發(fā)展趨勢相順應(yīng)，為進一步推動碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車制造業(yè)的廣泛推廣應(yīng)用。一方面，應(yīng)進一步創(chuàng)新研發(fā)碳纖維復(fù)合材料，提升碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量管控、性能指標、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及相應(yīng)的補充技術(shù)等，進而來提升碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量，達到提升其性能、減少成本的目的，其勢必將進一步推動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展。另一方面，國家不僅要借助研發(fā)團隊的力量，材料工業(yè)及汽車制造業(yè)方面也應(yīng)該加強投人研究力度。這樣才可以更有效地促使碳纖維材料能夠在新能源汽車行業(yè)以及其它各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，進而實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展進步。

6.結(jié)束語

現(xiàn)今碳纖維復(fù)合材料在德國、日本、美國已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)雖然對其研發(fā)也取得了一定的成果，但是距離國外還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在離散系數(shù)大、碳纖維質(zhì)量穩(wěn)定性差、原產(chǎn)絲雜質(zhì)含量偏高等缺陷，所以還應(yīng)該加強對碳纖維復(fù)合材料的進一步研究，在提升研發(fā)技術(shù)的同時，還應(yīng)該加強對低成本碳纖維復(fù)合材料的進一步探究，有效突破其他國家技術(shù)壟斷的問題，為實現(xiàn)國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進步奠定基礎(chǔ)。