碳纤维复合材料在汽车工业中的应用

赵艳荣，胡 平，梁继才，张文杰

（1.大连理工大学汽车工程学院，辽宁省大连市 116024；2.聊城大学机械与汽车工程学院，山东省聊城市 252059；3.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京市 102500）

碳纤维复合材料在汽车工业中的应用

赵艳荣1,2，胡 平1，梁继才1，张文杰3

（1.大连理工大学汽车工程学院，辽宁省大连市 116024；2.聊城大学机械与汽车工程学院，山东省聊城市 252059；3.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京市 102500）

节能减排是当前汽车工业可持续发展迫切需要解决的问题，采用碳纤维复合材料等轻质材料使汽车轻量化是一个有效的解决办法。介绍了碳纤维复合材料的性能特点和在汽车上的应用现状，从材料、设计和成型工艺3个方面分析了其在国内汽车工业应用中的问题，提出了促进碳纤维复合材料广泛应用的发展建议，并展望了其在汽车工业中的应用前景。

碳纤维复合材料 汽车工业 轻量化

进入21世纪以来，能源危机日趋严重，世界各国的排放法规日益严格，如何在保证安全性和动力性的前提下降低油耗和减少排放是目前汽车工业迫切需要解决的问题。采用各种轻质材料取代金属等传统材料，使汽车轻量化是实现节能减排的重要途径。碳纤维复合材料凭借轻质、高强度、高刚度、抗振性能好、抗疲劳、耐腐蚀等众多优点[1]越来越受到汽车工业的重视，在汽车中的应用也越来越多。碳纤维及其复合材料是支撑国家高科技产业发展的关键材料，经过40多年的积累与发展，我国碳纤维及其复合材料研发拥有众多突破性进展，但在汽车领域的应用还远落后于航空航天和其他工业领域[2]。因此有必要分析碳纤维复合材料在我国汽车工业应用中存在的问题，提出合理的发展对策，以适应汽车工业对材料发展的迫切需求。

1 碳纤维复合材料的性能特点和使用优势

碳纤维复合材料是由增强材料碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料，其中碳纤维树脂基复合材料（CFRP）的比强度（拉伸强度与密度之比）、比模量（弹性模量与密度之比）综合指标，在现有结构材料中是最高的，也是应用最广的一类复合材料。

与金属材料相比，碳纤维复合材料具有许多优良性能，应用于汽车上有明显的优势，主要表现在：1）密度小，强度高，CFRP在常用材料中比强度和比模量最高，用于车身及底盘能在减轻车重的同时不损失强度或刚度，汽车安全系数不降低。2）韧性好，具有良好的抗冲击性和能量吸收能力，用于车身及其结构件具有良好的碰撞安全性。3）阻尼高，抗振性能好，用于车身、传动系统及发动机部件具有良好的减振、隔音效果，提高了乘坐舒适性。4）抗疲劳性能极佳，用于承受疲劳载荷的汽车零部件能有效延长其使用寿命。5）优秀的耐热性、抗腐蚀与抗辐射性能，在电动汽车和其他新能源汽车领域应用具有很强的竞争力。6）成型工艺多，可设计性好，易于实现零部件一体化生产，极大缩短开发周期，节约成本。

2 碳纤维复合材料在汽车上的应用

碳纤维复合材料用于汽车部件上不仅可以实现汽车轻量化，而且在安全性与乘用舒适性等方面也有很大提高，因此越来越受到汽车工业的重视，很多汽车制造商生产的高档、豪华轿车（如通用、宝马、大众、奔驰、福特、奥迪、本田、日产等）几乎都开始试用或已经采用了各种碳纤维复合材料[3]。

1）碳纤维复合材料应用于汽车车身、底盘及承力部件，在保证安全性的同时具有十分明显的减重效果。英国材料系统实验室（MSL）的研究结果表明（见图1），在各种材料制造的车身中碳纤维复合材料是最轻的，尤其是与钢制车身相比，轻量化效果达53%以上[4]。

图1 各种材料车身质量对比Fig.1 Quality comparison of car body made of various materials

美国通用汽车公司1992年展出了由碳纤维复合材料制造车身的超轻概念车，车身质量为191.0 kg，整车质量降低68%，节油40%[5]。兰博基尼汽车2011年推出了Murciélago替代车型，该车采用了全碳纤维复合材料单壳体车身，质量仅有145.5 kg[5]。目前，碳纤维复合材料制成的车身结构件已在德国宝马公司开发的Z-9和Z-22系列中大量采用。德国大众汽车公司的“2L车”CC1研究项目，碳纤维复合材料用于车身的比例高达45%[6]。通用汽车公司采用碳纤维复合材料制成的Chevrolet Corvette Z06纪念版轿车的发动机罩盖，质量仅9.3 kg[4]。福特和保时捷的发动机罩也全部采用了碳纤维复合材料，在安全性不降低的前提下获得了极高的轻量化效果。

2003年，戴姆勒克莱斯勒公司研制的Dodge Viper跑车采用了碳纤维复合材料制造的挡板支架系统，每个支架质量仅1.93 kg，4个复合部件总重6.1 kg，与金属挡板支架系统相比，质量减轻了18 kg，刚度提高了22%[4]。此外，作为轻质高强材料，碳纤维复合材料也可应用在高强度承力结构件上，如碳纤维承重架、减振弹簧叶片等。用碳纤维复合材料制造的板簧仅重14 kg，比钢制的轻76%[7]。根据世界铝业协会的报告，汽车质量每减少10%，油耗可降低6%～8%，排放减少5%～6%，每降低消耗1 L燃油，将减少2.45 kg的CO2排放量[8]，可见在汽车上使用碳纤维复合材料，提高燃油经济性，节能环保的作用非常明显。

2）碳纤维复合材料具有良好的抗冲击性和能量吸收能力，用于车身及其结构件具有良好的碰撞安全性。碳纤维复合材料质量仅有钢的50%左右，在碰撞时吸收能量的能力却是钢或铝的4～5倍，使汽车碰撞安全性显著提高。如碳纤维复合材料制成的两根纵梁应用于梅赛德斯-奔驰SLR跑车，可以彻底吸收正面碰撞时产生的能量，以保证乘客厢的结构基本不受影响，而全部由碳纤维复合材料制成的乘客厢，在发生尾部或侧面撞击时为车内乘客提供了非常可靠的安全空间[4]。

3）碳纤维复合材料振动衰减系数大，吸振能力强，用于传动系统和发动机部件，不仅能减轻车的质量，还可以减少振动、降低噪声，从而增加乘坐舒适度[2]。奥迪Quattro系列、日本尼桑GTR和Fairladyz车型、阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe车型和Mazda RX-8车型上已大量使用了碳纤维复合材料制造的传动轴[1]。基于碳纤维复合材料在可靠性、耐久性和强度等方面的优点，日本近年开始在制造汽车涡轮增压器压气机叶轮时用其替代铝合金，将叶轮质量降低48%，从而使转子惯量降低，加速性能提高，极大缩短涡轮增压器的响应滞后，对碳纤维进行表面处理，大幅提高了碳纤维复合材料的强度，为在发动机中应用碳纤维复合材料提供了很好的借鉴[4]。

4）与金属材料相比，采用碳纤维复合材料制造车身可以省去复杂的金属模具、冲压、焊接及喷涂投资，综合生产成本要降低很多。根据MSL的研究成果，在一定产量之内的汽车（低于2万辆），使用树脂传递模塑成型（RTM）生产的碳纤维复合材料车身比金属工艺的车身综合成本低，说明了小批量生产时碳纤维复合材料用于车身的经济优势（见图2），因此其在未来环保车型的开发中具有较强的竞争力和良好的社会效益[4]。

图2 不同生产批量情况下各种材料车身生产成本对比Fig.2 Production cost comparison of car body made of various materials in different production batches

3 碳纤维复合材料在我国汽车工业应用中存在的问题

经过40多年的研究和发展，我国已基本具备设计、制造碳纤维复合材料制品的能力和条件。但与金属材料相比，碳纤维复合材料在设计、选材及制造工艺等方面均缺乏经验和数据积累，未能形成规模化生产。碳纤维复合材料在汽车工业的应用不仅落后于欧美和日本，也远落后于我国航空航天和其他工业领域。

3.1 材料

目前我国车用碳纤维复合材料存在的问题主要有：一是国产碳纤维基础研究工作薄弱造成原丝质量不高、性能不稳定、产品规格和品种少、价格高、难以进行表面处理，目前还无法大批量生产。二是树脂基体的性能和质量不高、产品系列不全，产业规模较小[9]。三是碳纤维的高价格、低产量和树脂基体的小规模生产导致了碳纤维复合材料的价格比较高，从而部件制品的成本也较高。四是连接困难。碳纤维复合材料与金属部件的连接以及碳纤维复合材料部件间的连接，可以用机械连接、黏接或者两者并用[10]。仅靠黏接很难满足功能件的连接需求，采用机械连接（螺栓连接或铆接）又会影响制品的强度[11]。五是回收利用难。目前国外有很多碳纤维复合材料的回收利用技术，如粉碎回填法、焚烧能量回收法和纤维分离法等[11]，但在我国还没有大规模回收利用的成熟案例。

3.2 设计

材料和结构是碳纤维复合材料同时具有的特性，是材料与结构的“复合体”，这在宏观、微观、细观等多种尺度水平上增加了设计自由度，并且其材料成型与结构成型是同时完成的[5]。设计包括计算分析、试验验证等是碳纤维复合材料技术中非常重要的方面之一，国外碳纤维复合材料汽车设计已走向规范化和成熟化，但国内在这方面差距很大[12]。目前，国内缺乏专有的设计分析软件和材料性能数据库，也缺少设计经验和相关的设计标准。部分汽车承力部件采用碳纤维复合材料需要借鉴国外汽车的设计规范，针对不同工况载荷进行应力分析和碳纤维复合材料铺层设计，才能充分发挥碳纤维复合材料轻质高强的特性。

3.3 成型工艺

汽车生产具有量大面广的特点，对成本和生产效率的要求很高。据知，复合材料制件的总成本中，材料成本只占20%左右，制造成本占了70%～80%[12]。虽然现有的复合材料工艺原则上均可用到汽车工业，但考虑到成本和效率因素，对于车用碳纤维复合材料应着重发展低成本快速成型方法（如RTM、罐外热压成型、纤维缠绕成型和拉挤成型等）。国内复合材料低成本成型技术发展起步较晚，技术水平较低，产品品种和产业规模均有待提高。对于某些关键成型技术（如RTM及高压RTM、罐外热压成型等高效成型工艺），我国与欧美等发达国家和地区相比还有一定差距。

4 促进碳纤维复合材料在汽车上广泛应用的对策

碳纤维复合材料应用于汽车工业的前景十分广阔，为促进其在我国汽车工业的广泛应用，提出以下发展建议。

首先，以提高碳纤维原丝质量、降低价格为目标，集中科研力量进行技术和质量攻关，在引进消化吸收国外先进技术的同时，强化碳纤维的自主研发能力，克服壁垒，努力将碳纤维价格由14～30美元/kg降到10美元/kg左右，为制造高性能低成本的碳纤维复合材料提供原料支持。

其次，建立以科研院所技术力量为支持、企业积极参与的碳纤维和树脂基体研发基地，根据市场需求进行品种开发，形成碳纤维和树脂基体的产品系列，扩大生产规模，与车用碳纤维复合材料制造形成产业链，以满足汽车工业大规模的产品需要。

第三，低成本的核心是低成本的制造技术，要加快发展高效低成本的碳纤维复合材料整体化成型技术，包括RTM及高压RTM、罐外热压成型、拉挤成型、纤维缠绕成型等；同时大力发展碳纤维复合材料机械化及自动化制造技术，对相关设备进行更新改造和引进，形成规模化生产能力，以满足汽车工业低成本的生产要求。

第四，加强碳纤维复合材料设计领域的技术建设，学习和借鉴国外先进的设计经验，研究车用碳纤维复合材料结构优化设计的新概念、新方法，发展或引进相关的设计分析软件，建立碳纤维复合材料性能数据库，建立和完善相关的设计标准和规范，发展将先进的计算机模拟方法与数据库技术相结合的智能化设计和验证系统，为碳纤维复合材料在汽车上的应用提供技术支撑。

第五，扩大对碳纤维复合材料的投入领域，碳纤维及其复合材料是多学科和多技术集成的高新技术产品，开发其在汽车工业的应用需要汽车工业和材料工业共同的合作与投入。鉴于碳纤维复合材料的优良性能，今后在汽车工业的应用必将持续增长，国家要发挥总体规划领导和集中调控作用，建立科研机构、原材料制造商、成型加工商、最终产品制造商的协作，共同推进碳纤维复合材料在汽车工业的应用。

5 结语

为实现节能减排的目标，使用碳纤维复合材料等轻质材料使汽车轻量化已成为汽车工业的共识。尤其是在车身覆盖件、结构件上应用碳纤维复合材料，可使车质量降低超过30%。正是由于碳纤维复合材料的优良性能和轻量化对汽车工业的深刻影响，随着碳纤维价格的不断降低和应用技术的发展成熟，碳纤维复合材料等轻质材料将会逐渐取代金属材料，成为车用材料的主力军。

[1] 杨小平,黄智彬,张志勇,等. 实现节能减排的碳纤维复合材料应用进展[J]. 材料导报, 2010,24（2）:1-5, 10

[2] 竺铝涛. 汽车用碳纤维复合材料加工成型工艺研究进展[J]. 石油化工技术与经济, 2013,29（1）:59-62.

[3] 曹永友,李青青,王强.碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展[J].汽车工艺与材料,2008（10）:54-57.

[4] 王东川,刘启志,柯枫.碳纤维增强复合材料在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料, 2005（4）:33-36.

[5] 张靠民,李敏,顾轶卓, 等. 先进复合材料从飞机转向汽车应用的关键技术[J].中国材料进展, 2013,32（11）:685-695.

[6] Eriedrich H E. Challenges of Materials Technology for Low Consumption Vehicle Concepts [J]. Advanced Engineering Materials. 2003,5（3）：105-112.

[7] 张大省,李嘉禄,赵永霞. 汽车用纺织品: 安全、环保与功能性并举[J].纺织导报, 2009（6） : 60-69.

[8] 王智文. 汽车轻量化技术发展现状初探[J].汽车工艺与材料, 2009（2）:1-5, 15

[9] 唐见茂. 碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望[J].航天器环境工程, 2010,27（3）: 269-280.

[10] 井冢淑夫.碳纤维复合材料应用的最新动向[J].合成纤维, 2013,42（9）:51-54.

[11] 周宇飞,朱熠.新型纤维增强复合材料在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料, 2012,（10）:24-29.

[12] 陈绍杰. 先进复合材料在汽车领域的应用[J].高科技纤维与应用, 2011,36（1）:11-17; 23.

Application of carbon fiber composites in the automotive industry

Zhao Yanrong1,2, Hu Ping1,Liang Jicai1,Zhang Wenjie3

（1．School of Automotive Engineering，Dalian University of Technology, Dalian 116024 China; 2.School of Mechanical & Automotive Engineering,Liaocheng University, Liaocheng 252059, China; 3.Beijing Yanshan Branch, SINOPEC, Beijing 102500, China）

Energy conservation and emission reduction are two urgent problems to be solved in the sustainable development of automotive industry, an effective solution is to use carbon fiber composites and other light materials to make automobile lightweight. Performance characteristics and application status in the automotive industry of carbon fiber composites are introduced, application problems in the domestic automotive industry are analyzed from three aspects of material, design and forming process, some development suggestions are put forward and application prospect in the automotive industry is forecasted.

carbon fiber composite; automotive industry; lightweight

TQ 327

A

1002-1396（2015）05-0095

2015-03-29；

2015-07-01。

赵艳荣，女，1979年，硕士，讲师，大连理工大学在读博士，研究方向车身轻量化结构设计与轻质材料。联系电话：13356257001；E-mail：85458416@qq.com。

*通信联系人。E-mail：pinghu@dlut.edu.cn。