碳纤维复合材料(CFRP)在汽车轻量化中的应用

孙少杰

(陕西交通职业技术学院 汽车工程学院，陕西 西安 710018)

随着我国经济的不断发展，汽车工业领域的规模越来越大，人们对于汽车的需求也越来越高。汽车的产量以及保有量的不断增加，使能源、环境以及安全等问题成为亟待解决的关键问题之一。但是传统汽车主要选择金属作为主要制作材料，该材料可使汽车车身的质量不断增加，不利于汽车的安全行驶。而碳纤维复合材料的密度较小，且具有优越的耐冲击性、吸能减震性以及粘弹性等优势，成为汽车产业的关键材料。为此本研究利用汽车轻量化技术，在保证汽车安全性能的前提下，尽可能的减轻汽车质量，从而实现降低油耗、减少排放等目的。

1 碳纤维复合材料的特性

碳纤维复合材料凭借无蠕变、耐高温、耐腐蚀、膨胀系数小等优势，使其在密度、刚度、耐化学性等严苛环境下皆具有较强的竞争优势，被广泛应用于多种领域。

碳纤维复合材料实际上是一种将碳纤维作为该材料的增强体，树脂、金属以及陶瓷等材料作为基体的复合材料，所有复合材料均可称之为碳纤维复合材料。而汽车领域广泛应用的材料主要以树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)作为核心，为汽车实现轻量化奠定有力基础。

传统汽车在制造过程中采用金属材料作为主要原材料，该方式使汽车的质量不断增加，对于汽车的性能可产生不利影响。而碳纤维增强复合材料可使汽车的总质量比使用钢结构作为主要制造材料减重50%以上，比铝、镁合金结构减重30%以上，有利于提升汽车的节能、加速以及制动等性能。除此之外，碳纤维增强复合材料(CFRP)的刚性以及吸能性也高于传统金属材料，其碰撞吸能是钢的6～7倍、铝的3～4倍，进一步保障汽车的行驶安全。为提升驾驶人员的舒适性，该复合材料的震动阻尼可有效提升整车噪声、振动以及声振粗糙度(NVH)性能。而该复合材料集成度高的优势，使其实现造型自由，对于汽车的零部件数量可大大减少，有利于降低汽车的自身质量以及生产升本；同时，可增强汽车的设计感，各类汽车轻量化材料性能如表1所示。

表1 各类汽车轻量化材料性能比较

1.1 减轻车身质量

碳纤维复合材料凭借自身优势，可有效减轻汽车车身的总质量，并使汽车功率小于正常需求。为此，对汽车进行制造时，应采用更小的驱动引擎以及悬挂装置。本研究通过减少动能的方式，为进一步减少汽车的冲击危险奠定基础，该方式的最终结果对于汽车的整体质量具有减轻的作用。由此可证明，使用碳纤维复合材料生产的部件替代传统金属材料部件，对于实现汽车轻量化具有重要作用，并且汽车的轻量化效果比以往更加明显。

1.2 设计灵活

通过使用碳纤维复合材料作为汽车部件的原材料，并结合计算机辅助工程(CAE)对汽车进行结构优化，可有效根据汽车的不同结构及用途广泛的对产品进行设计及加工成型。为实现汽车的最佳轻量化，本研究的设计方案：充分结合汽车实际受力情况，对汽车各部件的纤维结构及排列顺序进行调整，使其形成各向异性和不同厚度的碳纤维复合材料部件，并利用三明治夹层结构，对汽车各部件的整体刚性进行提升。

为实现节约生产成本和减轻汽车整体质量的目的，本研究对汽车部件进行制造时，将碳纤维按照实际受力方向进行排布，并充分发挥碳纤维复合材料强度的各向异性。由于部分汽车零部件对于自身耐腐蚀性能的要求较高，在对碳纤维复合材料部件进行生产时，主要选用耐腐性较好的环氧树脂；而其他性能要求均可通过选择合适的原材料进行满足。

在保证汽车基本性能的前提下，为降低汽车碳纤维复合材料部件的成本，使其生产成本可达到最优化程度，应适当选用一些低成本的材料替换碳纤维复合材料。如不同纤维混合铺层，该材料可充分满足汽车对轻量化的性能指标需求，并且可有效节省汽车零部件的生产成本及加工费用。

1.3 模块化设计

当前汽车主要采用模块化及整体化方式对结构进行设计。而碳纤维复合材料凭借良好的流动性，使汽车在加工制造时，极易制成各种局部不同强度和形状曲面，并使其一体化成型。该方式可有效减少零部件的数量、装配成本以及模具费用等，对于汽车的外观气动性能具有重要提升作用。采用碳纤维复合材料作为原料对汽车模具进行设计，有利于将不同厚度的部件、凸起部、筋、棱、空等一次性整体化成型；该材料更适用于制造汽车部件中较为复杂的几何结构，使部件的精度更加准确，其对于汽车的整体性能具有重要提升作用。

1.4 吸能性和减震性

与传统汽车用金属材料相比，碳纤维复合材料具有优越的耐冲击性、吸能减震性以及粘弹性等优势，有利于吸收汽车的冲击能量，对汽车的安全性具有提升作用。碳纤维复合材料超高的自身频率及吸收震动能量，使该材料的震动阻尼系数高于金属材料。因此，在汽车遭受冲击时，碳纤维复合材料可最大限度的吸收冲击能量，这有利于提高驾驶人员的安全性。

1.5 耐腐蚀性和耐候性

汽车在持续使用过程中，其零部件将承受机油、汽油、汽车传动液等化学制剂的腐蚀，还需要承受外界恶劣环境的影响。在不同环境的影响下，可使传统金属材料制作的汽车零部件的质量一致性以及使用寿命无法得到保证。通常情况下，碳纤维复合材料制成的汽车零部件不存在生锈及腐蚀问题，并且该材料制成零部件具有耐碱、耐盐以及耐有机溶剂腐蚀的优势，是一种优良的耐腐蚀材料。将该材料应用于汽车部件的制造过程中，有利于延长汽车部件的使用寿命并降低汽车的维修费用。

2 碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用

美国能源部门和机构对汽车轻量化进行研究的数据中显示，汽车整体质量每下降10%，油量的消耗可下降6%～8%，排放可降低5%～6%。此数据可表明，汽车轻量化是当前减少油量消耗及保护环境的有效途径。

碳纤维复合材料凭借自身多种优势，被广泛应用于汽车工业领域，该材料在汽车中的潜在应用比例为：车身结构35%、底盘部件20%、转向及悬挂系统17%、覆盖件10%、内饰件18%。

2.1 汽车车身构件

通过上述数据表明，汽车中运用碳纤维复合材料最多的地方应是车身构件。车身构件主要包括引擎盖、车架、车顶框架以及A/B/C/D立柱等部分，各部分均将碳纤维复合材料作为核心制造材料。将碳纤维复合材料与传统金属材料进行对比可知，复合材料的比强度及比刚度明显高于普通金属材料。在相同结构强度条件下，采用碳纤维复合材料制作汽车零部件，其质量可减轻50%，对于汽车的动力学性能具有重要提升作用。

2.2 汽车刹车片

碳纤维复合材料具有较多优良特性，主要包括：

(1)其摩擦系数维持在0.35～0.40，具有良好的稳定性及合适性，可保证汽车在制动过程中处于平稳状态；

(2)该材料的耐热温度可高达2 500 ℃，并且具有较强的耐湿热性及不易老化性，与传统金属材料相比，碳纤维复合材料不存在热损耗问题；

(3)该材料的耐油、耐水以及耐腐蚀等性能，使其成为制造刹车片的理想材料，被广泛应用于刹车片的制造领域。

2.3 汽车轮毂

轮毂是维持汽车正常运转的关键部件之一，可承受汽车的整体质量以及载重。因此，为保证汽车的稳定运行，应使其具备良好的抗冲击性、耐久性、耐热性以及安全性。而碳纤维复合材料可有效满足轮毂的实际需求，有利于实现汽车轻量化。英国Kahm公司利用碳纤维复合材料制成的RX-X型高级汽车专用轮毂，可充分体现该材料的优势，其质量仅6 kg，具有高速行驶以及降低车轮径向惯性力的作用。

2.4 汽车传动轴

为保证汽车的稳定运行，要求传动轴应具有良好的传动能力、耐疲劳性等优势。而碳纤维复合材料独特的各向异性、比强度高等特点，将该材料应用于传动轴中，可将传动轴的质量减至原来的一半以上。在各项条件均相同的情况下，将该材料与传统金属材料相比，其扭矩力可达到钢材的170%以上。并且碳纤维复合材料的使用，可使汽车传动轴的耐久性以及耐疲劳性得到显著提升。

3 碳纤维复合材料在汽车轻量化中的发展趋势

由于碳纤维复合材料具有多种优势，在未来发展中，该材料在汽车领域中的应用范围将不断扩大，其应用层次也将得到显著提升，对于汽车轻量化发展具有重要作用。

3.1 由高端车型向普及型汽车发展

碳纤维复合材料在应用之初，存在生产成本过高、制造流程过于复杂等问题，仅将该材料应用于超级跑车以及F1赛车等车辆的生产制造中，其主要原因：此类车辆对于性能的要求较高，且销售价格超过群众整体消费水准，不适用于普通群众购买。随着碳纤维复合材料的成本逐渐降低、制造工艺逐渐走向成熟，该材料可被应用于各大普及型汽车。

3.2 由次结构件向主结构件发展

对汽车进行构造时，应充分考虑汽车以及驾驶人员的安全性以及制造工艺等问题。因此，碳纤维复合材料仅应用于对性能要求较低的次结构件中，其中次结构件主要包括内饰件、车身覆盖件等，该方式最终造成碳纤维复合材料的性能过剩，不能充分利用该材料的优势。随着成型加工技术以及结构设计方法的不断进步，该材料被广泛应用于汽车的主结构件中，可使碳纤维复合材料的综合性能得到有效利用，其中主结构件主要包括B柱、地板以及轮毂等。

3.3 由单件小批量生产到规模快生产

通常情况下，碳纤维复合材料汽车零部件主要以手工的方式进行单件小批量的生产，该生产模式占据汽车零部件的核心制造过程。但是该方式无法保证碳纤维复合材料零部件的整体质量，并且使汽车零部件的生产成本不断提升、效率不断降低。随着汽车工业领域对碳纤维复合材料零部件的用量不断增加，应用要求不断提高，使汽车零部件的生产方式逐渐走向自动化、数字化以及智能化，该方式对于汽车零部件的生产具有推动作用。

4 结语

碳纤维复合材料具有优越的耐冲击性、吸能减震性以及粘弹性等优势，有利于吸收汽车的冲击能量，为实现汽车轻量化，将碳纤维复合材料应用于汽车工业领域已成为最有效的途径之一。碳纤维复合材料超高的自身频率及吸收震动能量，使该材料的震动阻尼系数高于金属材料。因此，在汽车遭受冲击时，碳纤维复合材料可最大限度的吸收冲击能量，有利于提高驾驶人员的安全性。通过使用碳纤维复合材料作为汽车部件的原材料，并结合计算机辅助工程(CAE)对汽车进行结构优化，可有效根据汽车的不同结构及用途广泛的对产品进行设计及加工成型，为实现汽车工业领域实现最佳轻量化奠定有力基础。