碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在汽车上的应用
XIAOXING MA
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1.复材在汽车上应用的历史和发展：
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastic），与传统钢材铝合金材相比，具有高强度、高模量，从纯材料密度角度（1.70～1.80g/cm3），可减重30%左右，同时具有相同的承力能力。这一材料体系在汽车上的应用发展源自这一材料体系在民用航空领域的巨大成功。碳纤维复材本身轻，耐腐蚀，疲劳寿命长，全周期维修成本低，一旦全体系供应链产业链成熟，在轻量化领域，骨架结构承力结构上基本可以替代钢材和铝合金。
航空上至汽车工业领域碳纤维复材产业的发展大致如下：（国内目前已有约40年的技术和产业化积累，汽车领域最近5年起步积累阶段，但增长率高，每年20%）
1953年，科尔维特第一次将玻璃纤维复合材料在汽车上试用[10]。
1976年左右，国际商业化应用于波音飞机B737的尾翼舵面、雷达罩、整流罩等次承力结构；福特汽车公司试验，将其车身、框架等 160 个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重 33％，汽油的利用率提高了44％，同时大大降低了振动和噪音。国内刚刚起步开始研发，北京航空材料研究院（621）、北京航空特种工艺研究院（625）、北航作为先驱；汽车无应用；
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2000
年左右，国际开始研发应用于机身、机翼等主承力结构；国内科研成果向航空转化，中航工业哈飞、沈飞、西飞为复材的首批试点单位，次承力结构商业化应用；汽车内饰部分起步；
2009年年底，国际波音B787首飞，复材结构用量52%，飞机外表可见部分90%以上全部为碳纤维复合材 料，碳纤维复材在飞机上的商业化应用成熟；国内哈飞复材生产线建设完成，其他主机厂开始大规模投入兴建复材生产线，碳纤维复材纳入“十一五”、“十二五”发展规划；私营企业纺织行业转型，复材原材料、工装配套陆续兴建，国际贸易交易进入增长期。但国际国内，CFRP 在汽车商业化领域的应用基本上为零，主要是碳纤复材成本和生产效率难于与汽车匹配，碳纤原材料产量严重不足。
2009年，国际汽车上，BMW 轻量化研发方案确立，提出每车要减重100KG 以上的目标，提高燃油效率，排放减至7.5-12g/KM 以下，美国提出30KM/升油的里程目标；国际最大的碳纤维生产商日本东丽与Daimler 公司签订协议，首先用于Mercedes Benz 车上，该公司所有车型减重10%以上；[1]
【2009年11月，宝马与德国SGL 集团签署协议，成立合资企业，致力于生产轻量电车和混合动力车用碳纤维复合材料。 2011年2月，奥迪与福伊特签署协议，致力于实现纤维增强塑料复合材料的工业化量产。2011年10月，德戴姆勒和日本东丽合资建厂生产碳纤维强化塑料。2011年12月，通用汽车宣布与日本帝人公司签署协议。2012年4月福特陶氏合作开发汽车用低成本碳纤维复合材料。】[12]
2015年，国际汽车，宝马7系全碳车身获“2015欧洲车身大奖”[2][8]，车身减重130kg ，批量化全面开展，复材生产效率将发展以匹配汽车生产，2016年上市销售。国内复材，“十三五”、“中国制造2025”、“新材料新工艺”、“智能制造”均有提及。
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2.
汽车上有哪些部位采用复合材料？
碳纤维复材应用的车种包括赛车、跑车、轿车、客车、货车、特种车辆等，部位包括受力骨架、车顶、底盘、侧板、车门、帽罩、保险杠、翼子板、轮毂、传动轴、板簧等。[1]
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在宝马汽车[11]
中有三十多种零部件使用了碳纤维复合材料（CFRP
），分别有：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅
套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A 柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。大众XL Sport 混动性能车也是采用的CFRP ，即碳纤维增强复合材料制造的车身主体。
从车身到发动机，碳纤维复材正在逐步取代金属材料。CFRP 主要的应用[3]有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。
碳纤维复材的整体化设计，可大幅度降低汽车自重达40～60％[1]。
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但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限[1]，仅在一些F1 赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW 公司的Z-22 的车身，福特公司的GT40 车身、保时捷GT3 承载式车身等。
车身：在BMW7系[9]中，壁柱这个车身结构强度要求最高的地方，将碳纤维增强塑料包在了钢质的金属的材料中间，形成了一个三明治的结构，既保证足够的强度和轻，也保证了足够的韧性。这样不光降低了车身的重量，提高了车身结构强度，同时，还有效地降低了车辆的重心。全新BMW7系车内运用了大量的碳纤维材料，使得车身重量减轻了130多公斤，这意味着在路面行驶时如遇到紧急情况，能更加自如的应对。同时，轻量化的设计进一步提升了刹车的灵敏度，大大提升了驾驶安全性。碳纤维的应用可以说是一个对于安全、对驾控、对整个油耗经济化的一个创新。
碳纤轮毂[14]：福特已经将碳纤维轮圈用到了量产车上边， Shelby GT350R 就标配了碳纤维轮圈。福特Shelby GT350R 标配的碳纤维轮圈由澳大利亚的Carbon Revolution 公司提供，除了大家最容易想到的重量轻以外，碳纤维轮圈对于车辆动态表现的提升将会是全方位的。以福特 Shelby GT350R
Mustang 所装备的碳纤维轮圈为例，将原本每个轮毂重14.98千克的铝合金材质换为8.17千克的碳纤维轮圈后，全车减重27.24公斤，这将显著的改善车辆的操控性能。再者，由于轮圈减重45%，轮圈+轮胎的转动角动量能约减低40%，也改善了加速和刹车的效能。另外，碳纤维轮圈材质坚固有韧性，有利转向的反应并传递路感。所以说，匹配了碳纤维轮圈之后的新一代GT 的动态表现将会更加的值得期待。 另外，根据前面的消息，福特新一代福特GT 定于2017年投产，而且第一年的产量将只有很少的200台。
内饰[4][10]：车内顶棚、仪表板、方向盘、车内门板、座椅、扶手。内饰采用复材的目的是：提高汽车内饰柔软化，使乘客有安全舒适感；简化汽车制造工艺，降低零件加工、装配、维修费用，提高生产效率。良好绝缘性，防止车内电子元件导电；良好吸振效果；弹性变形特性，对强烈撞击有较大的缓冲作用。
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3. 汽车复材减重理念？
碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧 蚀性能三个方面。
（1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3， 密度低（1.7g/cm3 左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的 强度好，在 2200oC 时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa ，；有较高 的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的 碳素材料，弹性模量为 200～400GPa ）。纤维取向明显影响材料的强度，在 受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关 系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的 载荷水平。
（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击 和热摩擦的性能优异 。
（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械 过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的 热量,可阻止热流入材料内部。
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4. 汽车复合材料目前的市场情况？
2008年，汽车总产量为1000万辆，2009年达到1379万辆，2010年突破1800万辆。之后发展如下图所示。
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而新能源汽车，据中国汽车工业协会数据统计, 2012年我国新能源汽车产销仅逾万辆,分别为12552辆和
12791辆。2012年新能源汽车叫好不叫座。2013年新能源汽车的产销为17533辆和17642辆；2014年新能源汽车生产78499辆,销售74763辆； 2015年新能源汽车产量达34万辆,销量33万辆。最近两年，实现井喷式增长，并有国家多种扶持政策。
5. 汽车复合材料化的主要工艺及成本？
汽车能够复材化的最关键因素取决于制造成本及生产效率。目前，复合材料成本高并不是高在材料上，而是制造上，约占总成本的70-80%。与航空采用较多的热压罐工艺不同，汽车领域多采用液体成型工艺、模压和热塑性冲压成形等方法，注重产品的外形精度、表面质量、成型速率，而不是内部孔隙率。其他配套工艺[13]还有：涂装、连接、维修、回收应用。
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能否在汽车工业大量应用复合材料关键就在于低成本制造技术的研发
[1]，成败全系于此。
1) 热塑性GMT （纤维增强热塑性片材）成型/模压[1][7][9]：
德国[7]Pfinztal 的弗朗霍夫生产技术研究所（FICT ）的工程人员为保时捷卡雷拉4生产了行李舱内衬板，称其重量比原先的铝部件要轻50%。改进车辆整体结构的碰撞行为，FICT 的工程人员还对最佳纤维铺放做了计算。据FICT 称，热塑性基底材料和T-RTM 加工的成本都比热固性结构的成本要低50%。
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2) 热塑性DPM （不同压力成型）工艺：[6]
不同压力的成型工艺（简称“DPM”）已在快速原形制造和中、低产量部件的生产中使用了10多年，如与毯式材料共成型的两片式漂亮盖板，已被用于限量版的2012 Mustang 302 Laguna Seca Boss 车中。
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液体成型工艺：
CFRTP 是在树脂中掺入短纤维，其机械特性逊于CFRTS ，但是挤压成形的耗时较短，且易于加工。而CFRTS 是长纤维的织物浸渗于环氧树脂凝固而成，虽然成形耗时较长，但是其强度/刚性较高。
TEEWAVE AR1概念版电动汽车充分考虑了材料特性及车身不同部位的特点，从而使得车子的轻量化和性能提升二者兼顾。车辆的前后的防撞箱子，扮演着冲撞时吸收能量的角色，亦采用CFRTS 材料。车顶或罩板等板状组件，其骨架部分的机械特性要求不高，可以选用低成本、短时间成形的CFRTP 。CFRTP 制板状件的周期时间约是1分钟左右，可以缩短汽车组装工程在节拍时间之内。
4) 其他配套工艺[13]：
配套工艺有可能是决定CFRP 制造成本最关键的因素。
表面涂装：复合材料在汽车车身面板方面使用最多的片状模塑料SMC 部件为例，SMC 车身部件在涂装后通常会产生很多的表面瑕疵，例如：针眼、气孔、裂纹、气泡等，尤其在车身面板的边缘区域气泡情况较为严重。为了弥补这些缺陷，减少不合格产品率，提高部件的表面质量，国内生产厂家目前是通过大量的涂装后修补手段如破泡、打磨、填腻子、抛光等来加以改进，然后再按通常的涂装工艺进行表面再涂装。这样做的结果虽然减少了不合格品率，但增加了大量的后修补工序和再涂装使生产成本大幅上升，另外也限制了SMC 在A 级车身面板上的应用。
连接：最有发展潜力的汽车复合材料连接工艺是采用粘结剂连接固定方法，随着粘结剂向着功能性不断提高、具有双重效力（既可以粘结热固性复合材料又可以粘结热塑性复合材料）以及绿色环保的方向发展，汽车复合材料粘结剂连接固定方法正日益为汽车工业所重视、接受并盛行起来。
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新能源汽车上复材的应用情况：
宝马率先与德国SGL
联合研发CFRP ，并成功应用于i3电动车，开创碳纤维大批量应用的新时代，预计2020年，电动汽车领域碳纤维需求量有望达到18750吨。
日本东丽公司（Toray ）近日对外公开了其最新花费3亿日元（约2451.3万元人民币）研发的电动汽车TEEWAVE AR1概念车。TEEWAVE AR1寓意为：东丽准备赶上开发环保高效汽车的浪潮（TEE 即Toray Eco Efficient 的简称，WAVE 即浪潮，AR1即Advanced Roadstar 1）。 TEEWAVE AR1由英国Gordon Murray Desing 公司设计，该车是是两人座的敞篷式电动汽车，其长宽高为3975×1766×1154mm ，车辆重量为846kg ，其中锂离子电池重量为220kg 。在JC08模式下，其耗电量为耗电量为11.6km/kWh ，续航里程为185km 。
TEEWAVE AR1使用了约160Kg 的碳纤维强化树脂（CFRP ），在超越普通同款式车辆的刚性、碰撞安全性的同时，减少了550kg 左右的钢板用量。
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汽车领域在重点发展新能源汽车，包括混合动力车和电动汽车等，有重大的商机。据知2015年世界上要有500万辆新能源汽车，中国也计划达到100万辆，为此“十二五”期间中央财政拟投入500亿作为该项目研发和产业化的专项基金。新能源汽车对减重有更迫切的需求，如电动汽车讲求一次充电跑的里程要长，这要求车体结构要轻，其次其上的电池、电机、能源转换系统的增重有待车体减重予以平衡。所以对汽车来讲新能源和轻结构的结合是极为重要的发展方向，绝对有无限光明的发展前途！
新能源汽车在CFRP 有天然优势，其零部件可容空间大，复材产品设计灵活。可以借鉴传统汽车的复材应用，同时在电池箱、刹车踏板、水箱、天窗进行应用。
整车轻量化的重点在车身和底盘[16]。电动汽车整车为车身、底盘、非簧载质量构成（制动系统、轮胎）、空调系统、转向系统、动力传动机构、电池、电机及相应的管理系统等构成。整车轻量化需要各个系统的轻量化并有效集成，重点突破应该是车身和底盘的轻量化。
车身、内外饰和底盘约占整车总质量的2/3，通过底盘和车身的轻量化可以最有效达成电动汽车整车的轻量化。
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7. 碳纤维复合材料应用面临的问题？
1.
成本和效率的匹配问题。 2.
缺乏大批量、高生产效率的碳 纤维复合材料汽车零部件的生产方法。 3.
需研究法政能够生长多种形状和性能的汽车零部件工艺方法。 4.
缺乏碳纤维增强复合材料的快速、大批量连接技术。 5.
碳纤维增强复合材料汽车零部件的回收再利用问题。 6.
碳纤维增强复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型 等尚不完善。
参考文献
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2. 爱卡汽车. https://www.doczj.com/doc/ea3993370.html,/a/zixun/2015/1118/1020.html . 宝马7系创新复合材料车身被授予
“2015欧洲车身大奖”. 2015.11.18.
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吗？.2016.1.19
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轮圈性能或更进一步. 2015.10.13.
15. 中国百科网. https://www.doczj.com/doc/ea3993370.html,/college/show.php?itemid=9111&page =. 汽车碳纤维复合材料的广泛应
用. 2015.5.16.
16. 史践. 江苏奥新新能源汽车有限公司. https://www.doczj.com/doc/ea3993370.html,/news/20110316/2082.html . 电动汽车与轻
量化技术. 2011.3.16