碳纤维在汽车领域的应用

冯瑞华

碳纤维在国际上被誉为“黑色黄金”，它不仅具有碳材料固有的本征特性，又兼具纺织纤维的柔软性。碳纤维从原丝到成品需要经过预氧化、高温碳化、石墨化、表面处理等诸多工艺。碳纤维优点之一就是质量轻，这种材料应用在汽车上带来最直观的改变就是整车质量的减轻，在动力系统不变的前提下，减重的车身会带来更出色的加速感受，相对于扔掉空调、音响等配置的减重方法，碳纤维材料的应用在保留舒适配置的同时达到了更好的效果。因此，国外一些国家的政府机构还出台了碳纤维的研发政策和计划，以促进其在汽车领域的应用。

一、国外政策与计划

美国能源部（DOE）、汽车复合材料联盟（ACC）、美国国家科学基金会等致力于碳纤维材料及其复合材料的低成本研发和商业化。美国DOE开展的“轻量化材料项目”和“电动汽车项目”等与碳纤维密切相关。DOE轻量化材料项目由橡树岭国家实验室具体负责项目的实施和研发，其中低成本碳纤维计划包括以下4个研究课题：①来自可再生资源的低成本碳纤维；②低成本碳纤维制备计划；③应用于汽车复合材料的低成本碳纤维；④碳纤维微波辅助制造技术。低成本碳纤维制备计划的目标是把高性能碳纤维价格降低到3美元/磅。DOE电动汽车项目开始于2009年10月，轻量化材料是该项目的重要技术之一。太平洋西北国家实验室负责聚合物复合材料的开发，橡树岭国家实验室负责聚合物复合材料和低成本碳纤维的开发。2011年8月，DOE宣布在未来3～5年投资1.75亿美元用于加快先进汽车技术的开发和部署。这些资金将支持整个汽车的创新，包括碳纤维等轻质材料，研发的目标是更好的燃料和润滑油、轻质材料、更持久和更便宜的电动汽车电池和组件、更高效的发动机技术等。2012年8月，美国能源部部长朱棣文宣布7个新的项目，以加快用于下一代美国制造的轿车和卡车的更轻更坚固材料的开发和部署，新的投资主要支持碳纤维复合材料及先进钢材性能的创新。

日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）早在2003年实施了“汽车轻量化碳纤维强化复合材料开发”（2003-2007）项目，总投资达到9.7亿日元。主要研发课题包括超高速树脂传递模塑成型（RTM）技术，主要指超高速硬化成型树脂、立体成型造型技术、高速树脂含浸成型技术等；汽车用碳纤维增强复合材料（CFRP）联结技术的开发；车身安全设计技术的开发；基于生命周期评价再生利用技术等。开发目标是与正在使用的汽车用软钢钢板相比，自重减半，安全性能提高50%的CFRP车身结构；研发汽车成型时间在10min以内，低成本、可大量生产的制造技术。2013年10月，日本帝人公司自主开发的采用热塑性树脂的新型碳纤维复合材料“Sereebo”首次用于实际产品，“Sereebo”是利用热塑性树脂新开发而成材料制成的碳纤维复合材料，由3种碳纤维长度及排列方向各不相同的中间体材料制造而成。这些材料可随意进行组合。除了强度高和质量轻等特点之外，还实现了成型时间为1min的划时代生产速度，将大幅加快量产型汽车等工业产品的轻量化进程。

欧盟高性能复合材料技术研究项目（HIVOCOMP）旨在将先进材料应用于大型交通工具的轻型结构复合构件中，项目得到欧盟FP7 NMP-2009-2.5-1的资助，已于2010年10月启动，为期4年。该项目2011年研发重点是碳纤维复合材料的批量生产，满足大规模生产汽车的应用。HIVOCOMP项目聚集了全球领先的汽车制造商、材料科学领域的科学家和专家。项目合作伙伴包括欧洲3大汽车原始设备制造商大众、戴姆勒、菲亚特，行李箱制造商新秀丽，复合材料及应用供应商亨斯迈聚氨酯、德国本特勒-西格里、荷兰Airborne composite、ESI集团、德国Propex Fabrics等，以及欧洲的鲁汶大学、利兹大学、佩鲁贾大学、慕尼黑技术大学、洛桑联邦理工学院等大學，构成了欧洲复合材料的前沿研究领域。

2013年11月，我国工业和信息化部发布了《加快推进碳纤维行业发展的行动计划》。该计划提出，未来3年我国要初步建立碳纤维及复合材料的产业发展体系，碳纤维及复合材料的工业应用初具市场规模；到2020年，我国要形成各种规格齐全的碳纤维品种，基本满足国防科技工业和民用工业等对碳纤维及复合材料制品的需求，初步形成2～3家在国际占有一席之地的碳纤维大型生产和应用企业，若干具有完善产业链、创新能力强的碳纤维及复合材料产业集群。

二、碳纤维在汽车领域的应用

由于CFRP具有轻质高强的特点，逐渐成为汽车轻量化首选的最理想材料。利用CFRP制作车身和底盘构件取代钢材，汽车质量可减轻68%，油耗下降40%。利用CFRP制造的板簧等零件，具有模量大、强度高、减磨性好、热膨胀系数小等特点，比现在所用材质可减轻76%。但由于CFRP的成本太高，CFRP零部件还没有实现大批量的生产。专家推测，只有当碳纤维降到6.611美元/kg时，CFRP才有可能在汽车工业中推广应用。但宝马公司已经实现了碳纤维电动车i3的量产，以下主要从碳纤维复合材料应用角度进行分析。

1.碳纤维电动车BMW i3案例分析

BMW i3是宝马公司第一款综合了环保技术以及功能性创新的量产车，属于纯电动车，目前已经达到了每天100辆的生产速度。更引人注目的是BMW i3的全新车身结构，采用的是CFRP车舱和铝合金底盘，因此质量比传统电动车轻了300kg左右。BMW i3主要碳纤维复合材料结构部件包括车身框架、碳纤维车顶、发动机舱盖、底盘部分等。碳纤维是众所周知的轻量化、高强度材质，用在电动车上能抵消蓄电池给车身带来的额外质量，在降低车重的同时，延长了车辆的续航里程，并提高了车辆的驾驶操控性的和安全性。BMW i3电动车的EU标准下的整车质量仅有1 270kg，这与一台普通小型车相近，大量使用的碳纤维材质功不可没。BMW i3主要碳纤维复合材料结构部件包括车身框架（图1）、碳纤维车顶（图2）、发动机舱盖和底盘部分（图3）等。

碳纤维材质的优势不言而喻，但是至今尚不能全面推广也有其原因。一方面是造价昂贵，生产周期长，为了解决这一问题，宝马集团与其合作的材料供应商SGL集团共同努力，在节能环保的同时，加快了加工流程并保证了产品质量；另一方面，碳纤维在碰撞受损后的维修非常困难，为此宝马对BMW i3车身的碳纤维结构的修复也做了专门考虑，针对侧架已限定了多个修理部分，同时还可以完整地更换整个侧架，一定程度上降低了修复的难度和费用。

2.BMW i3主要碳纤维结构部件的制造

制造碳纤维电动车BMW i3的碳纤维原丝实际上最初来自日本欧泰克，属于碳纤维制造商日本三菱丽阳和德国西格里集团2010年合资成立的公司，公司名称为“MRC-SGL原丝有限公司”（MSP），主要生产制造汽车所需的聚丙烯腈（PAN）碳纤维原丝。PAN碳纤维原丝被送到西格里集团与宝马集团的合资公司西格里汽车碳纤维有限责任公司（SGL-ACF）进行加工。该公司位于美国摩西湖，可利用这里相对廉价的水力发电，专门为宝马公司提供碳纤维制品，目前有两个生产线可生产50K大丝束，产能为3 000t/a。摩西湖出产的碳纤维粗纱又被送到SGL-ACF在德国的瓦尔斯多夫（Wackersdorf）工厂，加工转换成可裁剪、叠加的碳纤维面料，为树脂传递成型（RTM）成型做准备。德国瓦尔斯多夫工厂生产的碳纤维面料又被送到碳纤维增强复合材料制造中心，完成碳纤维软性板材（类似坐垫、地毯）（图4）的制造。然后按预成型模具的形状进行加工，再利用超声波切割机切割成所需的形状（图5）。切割后再进行高压树脂传递成型（HP-RTM）（图6）。莱比锡工厂拥有7台3 000t德国Schuler液压机，每台配备2个Krauss-Maffei注射设备。树脂基体采用瑞士亨斯迈先进材料公司的环氧树脂LY3585和固化剂XB3458，注入压强大于4MPa，碳纤维部件制备时间不超过10min。

BMW i3的车体，仅需150个元件便可组成，且全部组件，都透过BMW独家专利的全自动制程，以机械手臂精密地以1.5mm间隙黏接在一起。碳纤维电动车驾乘座舱模块（Life Module）的16个碳纤维RTM部件使用陶氏汽车公司的BETAFORCE聚氨酯基胶粘剂结合在一起（图7）。该胶粘剂由宝马公司与陶氏汽车系统公司联合开发，拥有快速硬化的特性，仅仅需要几秒钟的时间，胶粘剂就能够发挥作用。胶粘剂应用和部件操纵都是自动化的，配备了173个ABB机器人。该模块随后还要和金属硬件、屋顶板、玻璃等组件组合，然后再加入i3的驅动模块进行组装（图8）。碳纤维电动车BMW i3驾乘座舱模块在德国的2个工厂莱比锡和兰茨胡特生产制作。宝马莱比锡工厂于2005年开业，是BWM i3的主要制造业中心，为生产BWM i3的投入4亿欧元，主要生产BMW i3的驾乘座舱模块、驱动模块和模块集成；兰茨胡特工厂主要提供某些补充组件的生产，并使用相同的工艺流程和设备。

三、结语

碳纤维终端产品碳纤维复合材料的细分市场，促使碳纤维企业与终端产品企业联手开辟新的商业模式。美国通过苛刻的汽车燃油经济性指标，使得全球大型汽车制造商开始联合碳纤维生产企业，研发普通汽车广泛适用的碳纤维复合材料轻量化车身技术。福特汽车与陶氏化学公司合作探索碳纤维复合材料大批量应用于主流车型；通用汽车与日本帝人联合开发碳纤维复合材料汽车零部件；宝马与德国西格里集团合资生产电动车和混合动力车用碳纤维复合材料；奥迪与福伊特联手致力于实现复合材料的工业化量产；德戴姆勒和日本东丽合资建厂生产碳纤维复合材料。世界大型汽车制造商已开始联合碳纤维生产企业研发适用于汽车轻量化的碳纤维复合材料，使得碳纤维在汽车工业中的应用将不仅仅停留在示范阶段，而是旨在突破碳纤维零部件的工业化生产，广泛应用于普通汽车上，而不是只应用于高端汽车上。一些国外政府出台政策或提供资助，推动碳纤维生产企业与碳纤维复合材料应用企业间的合作，促进轻量化碳纤维复合材料在更多工业领域实现常态化应用。