碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用进展

1. 一汽大众有限公司, 吉林 长春;

2. 吉林工程技术师范大学数据科学与人工智能学院，吉林 长春

碳纤维增强树脂基复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的高强度复合材料。 其中，碳纤维骨架作为增强相，具有轻质、高强、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等优异性能。 热固性树脂或热塑性树脂作为连续相，起连接作用[1]。 研究表明，与传统金属材料相比，碳纤维复合材料在密度、强度、韧性等诸多方面具有明显优势[2-6]。 因此被广泛应用于航空航天、风电、运动休闲、汽车工业、建材等领域。 具有广泛的应用范围。 随着世界对低碳出行、绿色能源达成共识，我国也将燃油汽车节能减排、发展新能源汽车作为减少碳排放、改善全球气候问题的重要举措。 其中，轻量化技术是汽车降低油耗和排放、新能源汽车增加续航里程的最有效途径之一。 据统计，车辆质量每减少100kg，可节省燃油0.003~0.005L/km，减少二氧化碳排放0.08~0.11g/km，加速性能提高8%~10%，制动距离缩短2~7m [7]。

目前，城市投入使用的12-16吨电动城市公交车，车身每减轻100公斤，能耗将降低0.55%，续航里程将增加0.55%。 此外，减轻汽车质量还可以减轻悬架系统的负担，有效提高舒适性，从而降低对悬架系统的要求，降低对整车设备的质量需求[8]。 虽然碳纤维材料轻量化效率高，力学性能和加工性能完全满足工业生产的要求，但由于材料的成本压力，离实现大规模应用还有一定距离。

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碳纤维复合材料的优点

目前，碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）用于汽车轻量化的优势主要体现在以下几个方面：

(1)碳纤维的比例一般为钢的25%。 CFRP的抗拉强度可达到钢材的7倍以上，拉伸弹性模量也高于钢材。 CFRP的比强度可达200​​0MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度约为60MPa/(g/cm3)，因此其轻量化效果明显。

(2)碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂通过复合工艺制成的多元材料。 由于树脂基体多为热固性或热塑性材料，与固化剂反应可形成具有三维网络结构的固体，可通过纤维缠绕、拉挤成型、树脂传递模塑、真空引入成型、预浸料等加工工艺。成型和高压釜。 采用技术等方法一次性成型，大大提高了材料的一体化。 因此，可以有效地减少零件数量。 另外，合成模具具有良好的可设计性和自由建模性，实现流线型曲面的成本相对较低。

(3)碳纤维复合材料振动衰减系数大，吸振能力强，可以降低振动和噪声，从而提高乘坐舒适性。 其冲击吸收性能是金属的五倍，可提高碰撞时人员的安全性，并具有优异的减振性能。

（4）碳纤维材料的生产过程基本实现了高度机械化。 机器人的大量使用保证了整个生产过程的自动化，将人工操作过程限制在最低限度。 这不仅显着提高了生产效率并减少了制造误差，而且还显着降低了劳动力成本。 此外，碳纤维材料的生产方式大量采用模压、粘合工艺代替冲压、焊接，颠覆了传统汽车生产工艺。 不仅生产安全性得到提高，规模化生产成本也在可接受的范围内[9-10]。

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碳纤维复合材料

在燃油汽车上的应用 总质量约1.5t的汽车，车架质量约600kg，占整车质量的40%； 发动机和传动系统均重约100kg，占整车质量的8%； 内饰和座椅各占5%； 其余的是各种电器、玻璃、轮子等设备。 为了满足汽车轻量化的需求，现有的一些厂家已经开始将碳纤维材料应用到不同的零部件上，实现汽车零部件的有效替代。 下面将从车身、发动机传动系统、轮毂等方面介绍碳纤维材料的应用现状[11-17]。

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碳纤维材料在汽车车身上的应用

车身作为占整车质量40%以上的主要部件，不仅起到支撑整体结构的作用，还保证行驶安全。 因此，良好的车身强度和扭转刚度是车身材料所必需的，同时保持舒适的驾驶体验。 此外，车门部件必须尽量减少车门下垂和永久变形，A、B、C柱和门槛必须保证整体结构的力学性能。 保险杠部分必须具有良好的抗冲击性[7, 18]。

早在2003年，戴姆勒克莱斯勒推出的道奇Viper跑车就首次在汽车翼子板中使用了CFRP，减轻了18kg的重量。 不久之后，英国莲花跑车在车身底座中采用了一体式CFRP材料，成功取代了16个金属部件。 到2011年，兰博基尼推出了Murciélago换代车型，该车型采用全碳纤维复合材料硬壳式车身，重量仅为145.5kg。 从2014年开始，宝马在i3和i8主体的Life模块、第六代7系的部分车身以及A、B、C等车型的Life模块中大量使用了与钢或铝合金混合的CFRP整个系列的支柱和门槛。 结构，在实现轻量化的同时，能有效保证整车结构的力学性能。 同时，CFRP零件还应用于沃尔沃Polestar车型的上纵梁、奔驰SLR跑车的前纵梁、阿尔法雷米奥4C的车架结构以及引擎盖等。 奔驰SLR跑车上的两根CFRP材料制成的纵梁可以完全吸收正面碰撞时产生的能量，从而保证乘客舱的结构基本不受影响。 同时，全部由CFRP材料制成的乘客舱在发生追尾或侧面碰撞时也能为车内乘客提供非常可靠的安全空间[19]。

国内方面，北京汽车2016款新款BJ40的发动机罩和车顶盖均采用碳纤维材料，减重约50%。 奇瑞汽车艾瑞泽7的前横梁和覆盖件以及一汽红旗超级跑车S9的车身也采用了碳纤维材料。 但从车辆主体结构来看，大部分仍是概念车或新能源车型。

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碳纤维材料在发动机、传动和制动系统中的应用

在车辆行驶过程中，其发动机、变速器和制动系统往往决定着车辆的整体运动性能。 传统燃油汽车的发动机在碳纤维材料的替代方面还处于实验室阶段。 只有比利时索尔维公司2011年开发的CFRP Polimotor四缸发动机缸体，虽然尚未应用于整车，但也是采用碳纤维材料制成的。 该应用程序提供了新的想法。 此外，只有部分厂家在发动机零部件中使用了一定量的碳纤维替代材料，如上汽荣威E50车型的发动机盖以及福特部分车型油箱底壳采用的CFRP复合材料。

在传动方面，基于碳纤维材料优异的比强度，许多制造商已经开始使用CFRP材料制成的传动轴[20]。 福特的野马卡车使用CFRP将原来的两个部件简化并合并为一个驱动轴。 与钢铁材料相比，重量减轻高达60%至70%。 英国GKN技术公司开发的CFRP传动轴可以减轻传动轴的重量。 虽然比钢重50%至60%，但其抗扭强度是钢的10倍，抗弯强度是钢的15倍； 奥迪Quattro系列、日本日产GTR和Fairladyz车型、阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe车型和马自达RX-8采用CFRP复合材料制成的驱动轴已广泛应用于车型中。 在实际应用中也发现，将CFRP材料应用到改装车辆的旋转轴上，可以有效减轻旋转轴的质量，增强车辆的耐用性和抗疲劳能力。 制动应用主要集中在车辆制动器上。 传统的汽车刹车片主要由石棉摩擦材料组成。 但这种材料在高温下会出现摩擦性能的“热衰减”，存在一定的安全风险，在使用过程中可能对人体产生致癌危害。 石棉粉尘较多，因此有强烈的更换需求。 目前，SGL Carbox AG生产​​的碳纤维陶瓷车用制动盘装置已应用于保时捷918 Spider和GTI IS车型。 当车速从300km/h降至50km/h时，制动距离不超过50m。

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碳纤维材料在轮毂及内饰中的应用

汽车轮毂是汽车高速运动的主要支撑结构部件。 轮毂的轻量化不仅可以提高操纵性，如制动、起步加速、转向等，还可以减少响应时间，显着提高车辆的操控性能。 2009年生产的Shelby Ultimate Aero跑车、2012年生产的保时捷911以及2015年初设计的福特新一代野马Shelby GTR都采用了碳纤维轮毂，可以减轻约50%的重量，同时还显着提高了车辆的操控性能。 这是因为随着轮圈重量的减轻，其旋转角动量减少了约40%，这在一定程度上间接提高了车辆的加速和制动性能。 此外，Carbon Revolution还为日产R35 Nissan GT-R跑车定制了CFRP全碳纤维轮毂。 车轮尺寸为50.80cm×26.67cm，质量为8.84kg。 车辆整体动力性能得到大幅提升[二十一]。

另外，对于内饰、座椅等装饰材料，由于不是纯钢替代品，减重效果并不明显。 据了解，ELG与CRTC联合开发的可回收碳纤维汽车座椅是福特公司开发的碳纤维和钢制成的座椅、夹芯板、座椅框架，部分内饰材料来自一汽红旗超级跑车S9，以及前格栅和后格栅。北汽绅宝D60等的尾翼，其使用目的多是为了凸显运动性和时尚性，作为提升车辆科技感的解决方案。

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碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用

现阶段，随着国家碳排放政策的实施和能源危机的加剧，新能源汽车逐渐成为汽车销售市场的主力军。 由于这些新能源汽车没有燃油发动机，只有电机和电池，因此在材料的选择上会更加注重车辆的轻量化和生产的便利性。 主要轻量化方向分为车架质量和储能。 两个方向的设备[22-25]。 新能源汽车质量每减少10%，相应的续航里程增加约5.5%[26]。 碳纤维材料的使用有利于新能源汽车的轻量化，并能有效延长续航里程。

瑞典初创公司UNITI电动汽车公司新推出的电动汽车“智能手机汽车”是典型的城市交通新能源汽车。 车身采用Zolterp制成 日本帝人公司还设计了一款采用CFRP车身结构制成的4座概念车。 由于采用CFRP材质，车身成型仅需1分钟，47kg的车身质量仅为同等钢制车身结构的1%。 /5。 韩国现代公司推出的Intrado燃料电池概念车也秉承了轻量化的设计理念。 整个框架、引擎盖和侧板均由CFRP材料制成。 与传统钢板制造的汽车相比，重量减轻高达60%。 提高燃油效率，一次加油可行驶600公里以上。 由于车体重量轻，百公里加速时间小于12秒。 还兼顾了驾驶乐趣和车辆的实用性。

国内，2016年3月推出的奥信e25新能源汽车也采用了CFRP车身。 其百公里能耗低于10kW·h，续航表现理想。 此外，奇瑞还开发了CFRP电动汽车，车身质量仅218kg，比金属车身轻48%，并提高了耐碰撞性和操控性。

新能源汽车的动力结构主要包括燃料电池和储能电池两大类。 其中，氢能源汽车的储氢容器和电动汽车的电池组都是优质产品，因此其轻量化解决方案大多以这两者为基础。 方向[27]。 在燃料电池方面，昆腾为铃木燃料电池汽车设计制造了容量160L、工作压力70MPa的CFRP超轻氢燃料压力容器。 该容器能够以最小的体积和质量为燃料电池提供高密度的能量，其快速充放电和渗透率超过业界同行和政府制定的标准。 此外，丰田燃料电池汽车Mirai首次在其燃料电池反应堆框架中使用了CFRP材料，可适应批量生产。

在储能电池方面，2013年左右，沃尔沃在S80的基础上采用新储能材料打造了原型车。 该车采用CFRP超级电容板替代传统车辆的多个部件，包括车门、车顶、行李箱盖等，实现整体减重15%。 使用车身、车门、车顶材料也可以依靠制动动能回收系统和传统的插电方式进行充电。 沃尔沃声称，仅后备箱盖就有能力为汽车提供足够的能量，而且充电时间比传统电池更快。 同时，这种储能材料在充放电过程中不会发生化学反应，因此不存在储能能力。 衰落的问题。 此外，William Advanced Engineering采用可回收碳纤维（RCF）来设计和制造集成电动汽车底盘FW-EVX组件，创新性地将电池组、冷却装置及其轻量化底盘完全集成到一个可扩展的平台中，甚至是外壳如果需要，驱动电机也可以集成到平台中。 CFRP底盘模压成型的悬架梁80%采用RCF件，质量仅为锻造合金件的40%。 这种一体化设计不仅充分发挥了CFRP部件的设计灵活性，而且还可以替代其他装置的金属外壳，减轻质量，使电动汽车更加集约、更强、更轻[28]。 蔚来生产的蔚来ES6除了采用碳纤维后地板总成、碳纤维座椅板总成、碳纤维后地板横梁总成三大部件外，电池包上壳也采用了碳纤维材料，大大提升了车身的性能。减小整体尺寸。 汽车质量。

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结论

综上所述，目前碳纤维复合材料虽然在不同汽车零部件上有相对成熟的应用解决方案，并取得了令人瞩目的技术创新成果，但受限于产品价格高、回收解决方案不一致等问题。 虽然很完美，但大规模应用还是有一定难度。 由于近年来环保政策的要求和“碳中和、碳达峰”的目标，汽车轻量化已成为汽车制造商急需解决的生存问题。 因此，碳纤维增强复合材料也越来越受到汽车制造商的关注。 。 碳纤维复合材料在汽车各部件的广泛应用，可以更好地满足汽车轻量化需求，实现在新能源汽车领域的进一步发展。 （来源：复合材料国家）