方鯤 孟秀青 王建軍 高國強 尹光虎 李曉科 李玫

先進的碳纖維復合材料（CFRP）研究和應用己經成為汽車輕量化的一種重要技術途徑。在保證汽車安全性能不降低的前提下盡可能地減輕整車質量，從而可提高汽車的動力性、降低燃料消耗、減少二氧化碳（CO2）排放。

1 材料的特性

CFRP是由作為增強材料的碳纖維（CF）和基體樹脂（Resin）組成，早期主要應用于航空航天及軍事領域。隨著碳纖維（CF）生產技術的進步、性能的不斷提高，以及加工技術的不斷提高，CFRP成本下降，因此被越來越多應用到汽車、工業(yè)、體育等領域。CFRP具有比強度高、比模量高、質量輕、抗疲勞性好、膨脹率小和減振性優(yōu)等優(yōu)越綜合性能，因此得到汽車廠家的廣泛關注與應用。

1.1 質輕高強

由于使用CFRP在減輕車身質量的同時也可使汽車功率需求更小，進而采用更小的驅動引擎和懸掛裝置。通過減少動能而減少汽車沖擊危險，這種螺旋式的結果將使汽車車身質量進一步減輕，因此用CFRP部件替換原來的傳統金屬材料部件則其輕量化效果更加明顯。

1.2 設計靈活

通過采用CFRP和部件的計算機輔助工程（CAE）結構優(yōu)化則可以根據不同的汽車結構和用途要求靈活地進行產品設計和加工成型。根據實際受力情況，通過調整纖維的結構及排列制成各向異性和不同厚度的CFRP部件，且可以應用三明治夾層結構來提高整體剛性以達到最佳輕量化的設計方案之一。

將CF按照受力方向進行排布，可充分發(fā)揮CFRP強度的各向異性，從而達到節(jié)約材料和減輕質量的目的。對于有耐腐蝕性能要求的CFRP部件，設計時可選用耐腐蝕性能好的Resin，而對于其他性能要求，如介電性能、耐熱性能等都可通過選擇合適的原材料來滿足。

此外，為使CFRP產品成本達到最優(yōu)化程度可適當選用低成本材料替換，如不同纖維混合鋪層，可在滿足輕量化的性能指標前提下同時節(jié)省CFRP材料和加工成本。

1.3 模塊化設計

模塊化、整體化也是汽車結構設計的一種發(fā)展趨勢。由于CFRP在加工成型時有極好的流動性，易于制成各種局部不同強度和形狀曲面的一體化成型，不但減少了零部件數量，降低裝配成本和模具費用，也可以使汽車外形氣動性能更優(yōu)、外觀更美。通過合理的CFRP部件模具設計，可以把局部不同厚度的零件、凸起部、筋、棱、空等一次性整體化成型，適合于制造復雜幾何結構，而鋼制薄板難于制造、難于保證精度的輕量化部件。如蓮花跑車以整車使用CFRP部件為目標，將車身零件輕量化、模塊化、一體化，不僅減輕了車身質量，也同時使得部件的剛度、強度大大增加，提高了整車性能（圖1）。

1.4 吸能性和減震性

CFRP具備優(yōu)越的耐沖擊性和吸能減震性，同時還具有粘彈性，且比金屬材料更易吸收沖擊能量。受力結構CFRP部件的自震頻率除與形狀有關外，還與結構材料的比模量平方根成正比。CFRP由于有較高的自震頻率，界面有較大的吸收震動能量的能力，致使材料的震動阻尼系數較高，因此在車輛受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能量，則有利于提高人身的安全性。

1.5 耐腐蝕性和耐候性

汽車上的零部件都要承受機油、汽油、汽車傳動液等化學制劑的腐蝕，以及高溫、嚴寒、鹽霧等惡劣環(huán)境，傳統金屬材料難以保證不同環(huán)境下的質量一致性及使用壽命。CFRP制品一般不存在生銹和腐蝕問題，具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能，也能耐堿、鹽和有機溶劑因此是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的汽車部件具有較長的使用壽命和極低的維修費用。

2 新應用

2.1 混合纖維（CF/GF）增強

CF的強度是玻纖（GF）的2倍，質量比GF輕30%。美國Quantum復合材料技術公司研究開發(fā)了最新混合纖維（CF/GF）的AMC—8590材料，該材料是一種低密度乙烯基酯模塑料（SMC），它是由一定配比的短切碳纖維（SCF）和玻璃纖維（SGF）混合制成SMC，具有優(yōu)越的高強度、抗疲勞性和耐熱性，應用該材料制成的汽車部件可以達到高強質輕、高性能化的CFRP部件，但只需要高性能GF的成本。還可以根據不同零部件結構和力學要求，對CF/GF配比進行調整可以達到技術性能和成本控制的最優(yōu)化，則是替代傳統玻纖增強復合材料（GF/SMC）和金屬的汽車輕量化材料理想選擇。

2.1.1 在跑車上的輕量化應用

美國GE公司道奇·蝰蛇跑車上所有用AMC—8590和AMC—8595料的部件都是由Meridian Auoto moive System公司模壓而成碳纖維模塑料（CF/SMC），固化溫度是145～155℃，固化時間為1～3min，持續(xù)均勻的沖壓對模壓件的性能至關重要（圖2）。

通過模壓使CF性能轉移成更薄更輕的CF/SMC結構件，性能如表1和表2。

2.1.2 在車門開發(fā)上的輕量化應用

車門部件開發(fā)過程中最突出的問題就是車門下垂的形變和永久性變形。由于承受一定荷載車門的下垂變形是車體可開起部件中變形最大的部位，而且下垂變形一旦發(fā)生，及時去除荷載也會產生不可逆的永久性變形。新的車門設計方案是將CF/SMC和GF/SMC復合材料同時用于車門結構和內外飾以降低車門自重荷載，改善車門部件的性能。

車門部件的設計要求充分利用輕量化CF/SMC和GF/SMC2種不同材料的特性和優(yōu)勢，在應力集中的部位以最低的成本使其剛性最大化。在門的前部（20%）全部采用輕量化C F / S M C，車門尾部（80%）采用低密度輕量化G F / S M C使車門以最低的成本實現性能的最優(yōu)化。

2.2 在汽車輪轂上的輕量化應用

汽車輪轂是高速運動的主承力結構件。和車身相比輕量化效益更為突出。同時車輪輪轂的輕量化還可以提升汽車機動性能，如制動、啟動加速轉向等性能，減少響應時間。從整車角度綜合考慮，這些性能的改善將是汽車綜合效能明顯提升，因此汽車輪轂的輕量化成為了各類追求卓越性能汽車廠家的重要表現之一。

眾所周知，四輪全地形通常車行駛于沙灘、河床、林道、溪流以及惡劣的沙漠地形。為防止車輪被巖石、泥沙所損壞，就要求車輪轂要有優(yōu)越的抗沖擊強度，以及耐溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性能（圖3）。美國RTP公司為Hiper技術公司開發(fā)的長纖維改性（PA6/66模塑料）所制成的圈地車輪轂，經過7次7.3m高空墜落混凝土地面試驗測試（圖4）。

為了把運動型跑車的性能提高到極限，Carbon Revolution公司為日產的R35 Nissan GT—R跑車量身定制了CFRP全碳纖輪轂，輪轂尺寸20英寸×10.5英寸重8.84kg，整車綜合動力性能有大幅的提升（圖5）。

2.3 車輛主體結構上的輕量化應用

韓國現代汽車和英國采用真空灌注工藝（RTM）聯合研制的CFRP超輕汽車懸架組件。該組件具有鋼的剛性，同時質量卻比鋼組件減少70%。為了減低車身質量和追求運動跑車極限性能，Alfa Romeo 4C在車架結構、引擎蓋全部采用了CFRP部件（圖6）。

日產公司還用CFRP于發(fā)動機進氣歧管生產，具有耐熱性好、耐沖擊性好，可以減少加速時不必要的熱氣湍流，不僅噪音低，而且動力更穩(wěn)定澎湃（圖7）。

西格里（SGL）與寶馬（BMW）合作實現了汽車結構用CFRP部件的量產，BMW i7車身結構同時采用了高強鋼、鋁合金和碳纖維復合材料（黑色部分為CFRP材料）。此后又推出了整體車架全部采用CFRP部件的電動汽車BMW i3和高性能電動跑車BMW i8（圖8）。

BMW i3的上市實現了汽車應用CFRP部件大規(guī)模量產的歷史性突破，同時也是電動汽車生產技術飛躍。整車質量1 224kg，0～100km加速7s，售價只有不到50 000美金，這是輕量化、高性能化CFRP部件規(guī)模化生產和成本優(yōu)化的典范之一。

2.4 可回RCF在汽車輕量化的應用

英國著名的RCF加工企業(yè)ELG公司聯合伯明翰大學、胡德菲爾德大學應用可回收CF為阿爾斯通公司成功開發(fā)了軌道機車的轉向架（圖9），在為客戶提供低成本轉向架輕量化解決方案的同時，也解決了RCF的應用問題，這是CFRP部件產業(yè)實現綠色的良性循環(huán)。

CFRP和部件應用成了汽車輕量化的主要發(fā)展方向之一，但是一直受制于成本等因素尚未能在汽車展開大規(guī)模的應用。CFRP部件的再生和RCF再利用成為業(yè)界期盼的一種低成本解決方案。作為占據世界市場40%的東麗公司與豐田汽車下屬的豐田通商株式會社合作共同推出節(jié)能低成本的CFRP部件回收再生技術，從而拓展汽車應用領域。Gordon Murray利用RCF設計生產的iStream全碳纖維車架（CFRP部件），充分利用RCF低成本優(yōu)勢和CFRP優(yōu)質特性，同時實現經濟和技術指標的最優(yōu)化（圖10）。ELG公司與中國奇瑞汽車公司簽訂了利用RCF用于制造低成本的汽車輕量化部件。圖11是ELG公司與CRTC公司利用RCF聯合研制的CFRP汽車座椅部件。

據歐洲知名咨詢公司SAMR esearch預測，全球CF需求量到2020年將超過16萬t，其中汽車輕量化部件領域將成為增長最快和需求最旺盛的領域之一。因此充分的經濟效益、產業(yè)鏈安全、環(huán)境保護等方面的動因去推動RCF在汽車鄰域的輕量化應用。RCF在企業(yè)行業(yè)的推廣和應用的意義不僅僅在于降低生產成本，而且在于使CFRP部件的加工回收再利用和形成低成本的綠色良性循環(huán)（圖12）。

2.5 在新能汽車上的輕量化應用

瑞典初創(chuàng)UNITI電動汽車公司新推出的電動車“Smartphone Car”，該車采用22kWh電池，一次充電可行駛186英里，30min充電可以行駛124英里，2座版預售價格17 500美元。為了使車身輕量化，且又不犧牲整車的舒適性和安全性，車身采用ZOLTEK PX35的CFRP部件制成（圖13）。

日本Teijin公司生產的CFRTP車體結構4座概念車，車體成型只需1min，47kg質量僅為同樣鋼制車體結構的1/5，這項技術代表了CFRTP部件生產的最新技術（圖14）。

Teijin公司開發(fā)了一種熱塑性樹脂，在加熱時迅速軟化，冷卻室又可以快速硬化而又不影響所要求的技術性能。這一技術不僅適合熱塑性復合材料（TPC）的規(guī)?；a，而且部件還可以在回收循環(huán)利用，將該項技術命名為“Sereebo”纖維加工技術的革命和進化（圖15）。

Quantum公司為鈴木燃料電池汽車設計制造的CFRP超輕氫燃料壓力容器，設計容量160L，工作壓力70MPa。Quantum超輕碳纖維容器能以最小的體積和質量為燃料電池提供更高密度的能量。該容器采用高分子材料內膽和CFRTP連續(xù)纏繞增強工藝，檢測性如快速沖放以及低滲透率等指標超過業(yè)界同行和政府的規(guī)定標準（圖16）。

William 先進工程公司利用可回收碳纖維（RCF）設計制造的整體式電動車底盤FW—EVX部件，該底盤平臺的創(chuàng)新之處在于把電池包、冷卻裝置及其輕量化底盤完全集成到了可擴展的平臺上，如果需要也可以將驅動電機的外殼集成到平臺上。該CFRP底盤模壓成型懸掛橫臂，80%采用了可回收碳纖維（RCF）部件，質量只有鍛造和金件的40%。這一集成化設計不僅充分發(fā)揮了CFRP部件的設計靈活性，更能夠減少其他裝置金屬殼體的質量，使電動汽車更集約化、更強、更輕（圖17）。

3 新工藝、新裝備的輕量化應用

采用德國KM公司最選進的FiberForm加工成形技術是添加連續(xù)纖維（3D纖維編織布）用于增強熱塑性復合材料（TPC）的力學性能，同時實現“結構—功能—工藝”一體化的設計與制造，使制品性價比達到最優(yōu)化，同時滿足安全性、功能性、綠色環(huán)保和循回再使用，具有較高科技創(chuàng)新水平和廣泛市場應同前景。

作為電動汽車核心部件之一的PACK電池包（箱）主耍由電芯與控制系統集成組成，包括上蓋板和下箱體組成，它既是一個結構件，又是一個功能件，其內部與外觀設計與選擇材料對各項技術參數和性能指標的要求十分高，同時滿足“輕量化新材料”“輕量化結構設計”和“輕量化加工成形”的行業(yè)標準和低成本化的耍求，這是業(yè)界面臨的一個共同難點。

Fiber Form是一種數字化智能制造新工藝技術，結合2種傳統熱成形工藝：精密注塑和模壓制備CFRTP車載新型動力PACK電池包（箱），從而使該產品具有突出的抗沖擊性能與輕量化特點。新型PACK電池包（箱）具有顯著特點：生產工藝簡單、加工快速、使用壽命長、比重低、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮低、強度高、高低溫的抗沖擊性好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學溶劑腐蝕等顯著性能，制品屬于輕量化設計與高性能化、低成本化、數字化智能制造，完全可回收使用的綠色環(huán)保產品，特別在需要使用輕量化材料和零部件的新能源汽車部件的生產制造領域具有廣泛的工程應用前景，符合國家低碳經濟與節(jié)能減排、循環(huán)使用與綠色環(huán)保的耍求（圖18）。

4 結語

CFRP以其優(yōu)異獨特的綜合性能優(yōu)勢被廣泛認為是汽車輕量化的主要發(fā)展趨勢之一，然而產業(yè)推廣也面臨一些亟待解決的問題，如成本和效率的匹配問題，缺乏大批量、高生產效率的CFRP汽車零部件的生產方法；需耍加快研究和發(fā)展能夠多種形狀和性能不同的CFRP部件加工方法；缺乏CFRP快速、大批量的低成本生產技術和連接技術；CFRP部件的回收再利用問題；CFRP部件的設計數據、試驗方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。但由于環(huán)保和節(jié)能減排的需要，輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流。

全球汽車產業(yè)鏈和CFRP產業(yè)鏈的企業(yè)都在探索研究低成本、高效化的CFRP汽車部件加工制造技術。鑒于CFRP在整車輕量化應用的廣闊前景，國內汽車廠商和汽車零部件制造企業(yè)應走自主研發(fā)和協同創(chuàng)新之路，為今后包括RCF應用在內的輕量化CFRP部件應用打下良好的基礎。

參考文獻

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