張坤，張丹，鄒瑞睿，沈言錦

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院,湖南 株洲 412000)

隨著汽車產(chǎn)量和保有量的不斷增加,汽車在為人們帶來便利的同時也加劇了能源安全、環(huán)境污染等方面的問題[1]。在當(dāng)前形勢下,為實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,需要在節(jié)能減排領(lǐng)域開發(fā)新技術(shù),用以降低汽車的能耗和污染物排放。在不影響整車性能的前提下,汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑之一[2]。

汽車輕量化可以通過輕量化材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝來實(shí)現(xiàn),輕質(zhì)材料的選取則是重中之重[3]。輕質(zhì)材料不僅可以顯著降低車重,而且還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行二次優(yōu)化減重。在眾多輕量化材料中,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)憑借其不可比擬的密度、比強(qiáng)度、比模量等全方位力學(xué)性能,使其在汽車輕量化領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力[4-5]。筆者從汽車次結(jié)構(gòu)件(包括車身、罩件、座椅等)、主結(jié)構(gòu)件(發(fā)動機(jī)、傳動、剎車系統(tǒng)等)、安全部件(保險杠等)幾個方面闡述CFRP在汽車中的應(yīng)用,從安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等角度分析了CFRP在汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢,并展望了CFRP在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 汽車領(lǐng)域節(jié)能要求與輕量化材料

為解決環(huán)境污染與能源危機(jī),世界上許多個國家和地區(qū)都制定了節(jié)能減排目標(biāo),我國也明確了2022年乘用車新車的平均燃油消耗量要達(dá)到5L/100 km。在當(dāng)前諸多節(jié)能減排途徑中,汽車輕量化是最容易實(shí)現(xiàn)的,具有較大的開發(fā)潛力。對于乘用車而言,車重每減少100 kg,百公里油耗降低0.3～0.6 L,CO2排放量減少5 g/km[6]。

為了滿足油耗要求,采用輕質(zhì)材料替代金屬等常規(guī)材料,使汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。目前,在汽車領(lǐng)域中廣泛采用的輕質(zhì)材料多為輕合金材料,其中具有代表性的有鋁合金、鎂合金等。與鋼相比,鋁合金具有導(dǎo)熱系數(shù)高、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)點(diǎn),是一種優(yōu)質(zhì)的輕量化材料。相關(guān)研究表明,采用鋁合金代替低碳、鑄鐵或高強(qiáng)度鋼可以使整車質(zhì)量減輕30%～60%[7]。相較于鋼和鋁合金,鎂的密度為1.74 g/cm3,是鋁的2/3、鋼的1/4。在實(shí)際應(yīng)用中,鋁合金在焊接時容易出現(xiàn)氣孔、氧化物夾雜等問題,鎂合金存在易氧化燃燒、成型難、強(qiáng)度低、塑性和耐腐蝕性差等缺點(diǎn),這導(dǎo)致輕合金材料不能很好地滿足使用要求[8]。

目前,汽車上應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料是CFRP,它是以碳纖維為增強(qiáng)材料,以樹脂等為基體的復(fù)合材料的總稱[9]。相較于輕合金材料,CFRP在汽車輕量化領(lǐng)域的優(yōu)勢表現(xiàn)為以下方面：一是密度小,強(qiáng)度高,在減輕車重的同時不損失強(qiáng)度和剛度,車輛的安全系數(shù)不降反升；二是韌性好,具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力,提升車身及其結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能能力；三是阻尼高,抗震性能好,對汽車整體降噪效果顯著,提高駕乘人員的乘坐舒適性；四是抗疲勞強(qiáng)度高,延長承載零部件的使用壽命,提升車身及其結(jié)構(gòu)件的可靠性；五是優(yōu)異的耐腐蝕性和抗輻射性,使得CFRP在新能源汽車領(lǐng)域占有一席之地；六是成型工藝多、可設(shè)計(jì)性強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)零部件一體化生產(chǎn),節(jié)約成本的同時極大地縮短了研發(fā)周期[10]。

CFRP按基體性質(zhì)可分為熱固性復(fù)合材料(樹脂基體主要有環(huán)氧、聚酯、乙烯基樹脂、酚醛等)和熱塑性復(fù)合材料(例如聚酰亞胺樹脂基體)兩大類。當(dāng)前,汽車用CFRP仍以熱固性樹脂為主,特別是片狀模塑料(SMC)相當(dāng)廣泛地用于汽車零部件的制造,尤其是在美國和德國。

2 CFRP在汽車中的應(yīng)用

CFRP在汽車輕量化上的應(yīng)用已然成為業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn),在汽車車身及覆蓋件、制動系統(tǒng)、輪轂、發(fā)動機(jī)部件、傳動軸、座椅和內(nèi)飾等方面有著廣泛的應(yīng)用。CFRP的應(yīng)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化,而且還能夠兼顧汽車的安全性、舒適性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性等方面[11]。

2.1 車身、罩件、座椅等次結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用

在保證安全性的前提下,CFRP應(yīng)用于汽車車身及覆蓋件,具有十分明顯的減重效果。以寶馬為例,作為碳纖維應(yīng)用的嘗試者及高壓樹脂傳遞模塑成型技術(shù)的推行者,寶馬實(shí)現(xiàn)了碳纖維在車身中的應(yīng)用。寶馬i3 2013年款車型的車身碳纖維用量達(dá)到49.41%,寶馬i8 2014年款車身碳纖維用量為43%,這兩款車也成為CFRP在汽車構(gòu)件中大幅度應(yīng)用的標(biāo)桿車型[12]。寶馬在2016款7系轎車的A柱、B柱、C柱與門檻等部位大量采用了碳纖維復(fù)合材料與鋼或鋁合金結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)輕量化的同時保證整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。除了寶馬,奧迪Quattro系列、尼桑GTR和Fairladyz車型、阿斯頓·馬丁V8 Vantage Coupe車型和Mazda RX-8車型上也大量使用了CFRP制造的車身結(jié)構(gòu)件[13]。

姜哲[14]以電動車EVB60車身前地板以及B柱加強(qiáng)板為研究對象,通過材料輕量化的方式進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證性能的前提下,基于電動車EVB60結(jié)構(gòu)、側(cè)面碰撞性能、白車身彎扭性能及自由模態(tài)性能,采用T300碳纖維進(jìn)行零部件優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)車身前地板減重54.68%,B柱加強(qiáng)板減重78.33%。

徐作文等[15]以汽車前車門為研究對象進(jìn)行碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鋪層形式進(jìn)行研究。根據(jù)T300牌號碳纖維材料的特點(diǎn),設(shè)計(jì)不等厚的CFRP前車門總成,并對其進(jìn)行模態(tài)、剛度、靜強(qiáng)度、側(cè)碰安全方面進(jìn)行性能分析,達(dá)到減重54.94%的輕量化效果。

此外,CFRP在發(fā)動機(jī)罩件中也得到了廣泛應(yīng)用。通用Chevrolet Corvette Z06紀(jì)念版轎車發(fā)動機(jī)罩蓋采用碳纖維復(fù)合材料,該車發(fā)動機(jī)罩蓋外板完全采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制備,內(nèi)板為碳纖SMC和低密度玻纖SMC共混而成,質(zhì)量僅為9.3 kg[16]。在不影響安全性的情況下,國內(nèi)奇瑞和北汽的發(fā)動機(jī)罩也采用了CFRP,并獲得了顯著的輕量化效果。隨著技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)其他汽企也相繼推出了碳纖維汽車構(gòu)件應(yīng)用的車型,如上汽榮威E50的機(jī)蓋、一汽紅旗的翼子板等[17]。

葉輝等[18]以碳纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)材料,以環(huán)氧樹脂為基體樹脂制造發(fā)動機(jī)罩,實(shí)現(xiàn)減重51.2%,并對復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩鋪層進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),質(zhì)量再次減輕9.7%,最大限度發(fā)揮了CFRP的優(yōu)勢。

吳方賀[19]將纖維復(fù)合材料用于車身覆蓋件（發(fā)動機(jī)罩)作為研究目標(biāo),采用碳纖維和少量玻璃纖維兩種增強(qiáng)體進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì),通過有限元仿真和樣件試驗(yàn)的方法對CFRP發(fā)動機(jī)罩的各項(xiàng)基本性能進(jìn)行研究,制造出了通過行人保護(hù)性能測試的CFRP發(fā)動機(jī)罩,驗(yàn)證了CFRP作為輕量化材料替換車身金屬覆蓋件的可行性。

秦曉宇等[20]以某款混合動力汽車發(fā)動機(jī)油底殼作為研究對象,采用T700型碳纖維單向帶配合BAC172環(huán)氧樹脂對金屬油底殼進(jìn)行CFRP輕量化設(shè)計(jì)。通過Fibersim軟件驗(yàn)證了金屬結(jié)構(gòu)簡化后CFRP油底殼結(jié)構(gòu)可滿足0°、90°和±45°鋪覆要求,對比分析了剪口方案和分塊方案的不合格率和完整度,最終確定剪口方案優(yōu)于分塊方案。

廖耀青[21]以汽車座椅為研究對象,分別采用科思創(chuàng)公司生產(chǎn)的M3107材料和Baydlend T88 GF30材料對靠背骨架的結(jié)構(gòu)板和加強(qiáng)筋進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。基于CFRP/鋼制靠背骨架座椅的安全性能試驗(yàn)的仿真結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)CFRP靠背骨架座椅在滿足相關(guān)安全性能法規(guī)要求的同時,靠背骨架質(zhì)量減輕了39.12%。

赫氏與NaCa Systems合作,赫氏提供環(huán)氧預(yù)浸料的優(yōu)化版本,NaCa Systems提供天然纖維復(fù)合材料,共同開發(fā)一種輕量化的碳纖維預(yù)浸料,并采用快速模壓成型工藝研制CFRP和木纖維復(fù)合材料制成的跑車座椅靠背[22]。

程章等[23]以CFRP翼子板為對象,在保證性能要求的前提下,采用自由尺寸優(yōu)化方法進(jìn)行翼子板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化的翼子板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,搭建了安裝點(diǎn)剛度與鋪層方式的Kriging模型,并引入期望改進(jìn)準(zhǔn)則不斷改進(jìn)模型精度?；跇?gòu)造的Kriging近似模型,利用遺傳算法完成翼子板鋪層優(yōu)化,得到最佳鋪層順序。計(jì)算結(jié)果表明,由平紋機(jī)織CFRP所制翼子板質(zhì)量減輕43.1%,鋪層優(yōu)化后較之前翼子板安裝點(diǎn)剛度提高了12.3%。

2.2 保險杠等安全結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用

CFRP具有良好的抗沖擊性、能量吸收能力,可以提升車身及結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能能力。雖然CFRP的質(zhì)量比鋼的輕50%左右、比鎂/鋁合金的輕30%左右,但其碰撞吸能能力卻是鋼的6～7倍、鋁的3～4倍,大大提升了汽車的碰撞安全性[24]。梅賽德斯-奔馳也利用了這種特性,在SLR跑車上配備了CFRP制成的兩根縱梁和乘客艙,在車輛發(fā)生正面碰撞時,兩根縱梁可以完全吸收碰撞產(chǎn)生的能量,確保乘客艙結(jié)構(gòu)基本不受影響；在汽車受到尾部或側(cè)面撞擊時,由CFRP制成的乘客廂可以為駕乘人員乘客提供可靠的安全空間。由于CFRP超強(qiáng)的碰撞吸能能力,在F1、Aston Martin等高性能跑車上得到廣泛應(yīng)用[25]。

汽車保險杠是安裝在汽車車身前后兩端的部件,是汽車低速碰撞時的主要承載和吸能構(gòu)件。王慶等[26]設(shè)計(jì)了一種整體式碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料汽車保險杠,所用CFRP中的碳纖維絲為臺麗TC33,基體材料為LY1564SPIAradur3486環(huán)氧樹脂。在有限元仿真的基礎(chǔ)上,以耐撞性為約束對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì),采用拉丁超立方采樣、Kriging近似建模技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化求解。結(jié)果表明,優(yōu)化后的CFRP保險杠能夠滿足耐撞性要求,所得CFRP復(fù)合材料保險杠較原鋁合金保險杠減重0.91 kg,達(dá)到了減重率36.4%的輕量化效果。

田凱[27]以5205環(huán)氧樹脂基體,T300作為鋪層材料,對CFRP防撞梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。首先確定橫截面形狀和鋪層順序的最優(yōu)組合,然后對防撞梁結(jié)構(gòu)鋪層厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,在其碰撞性能提高的基礎(chǔ)上,減重效果達(dá)到將近65%,充分驗(yàn)證了CFRP巨大的輕量化優(yōu)勢。

吳飛[28]采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（以環(huán)氧樹脂基體,向其中添加連續(xù)碳纖維配制而成）作為原料,對傳統(tǒng)的一體式結(jié)構(gòu)的汽車保險杠進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)的汽車保險杠包括蒙皮、吸能裝置和保險杠梁,在保證安全性的前提下對各部件的厚度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)出質(zhì)量更輕的保險杠。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)汽車時速不超過4 km/h,發(fā)生正面碰撞時,除了汽車保險杠之外,車身縱梁、座艙等結(jié)構(gòu)均無較大形變。

2.3 傳動及發(fā)動機(jī)等主結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用

CFRP具有較大的減振系數(shù)和較強(qiáng)的吸振能力,因此可用于傳動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)部件。這樣不僅能夠減輕整車質(zhì)量,而且能夠降低振動和噪音,進(jìn)而提高乘坐舒適性。野馬采用碳纖維集成制造的傳動軸減重60%～70%,英國GNK公司研發(fā)的碳纖維傳動軸廣泛應(yīng)用于奧迪A4等車型,豐田開發(fā)的Driveshaft Shop碳纖維驅(qū)動軸不僅將重量減半,而且驅(qū)動效率更高[29]。

曹培歡等[30]提出一種適用于CFRP汽車傳動軸的材料、結(jié)構(gòu)、性能一體化設(shè)計(jì)方法。既實(shí)現(xiàn)了CFRP在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,同時解決傳動軸優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中鋪層纏繞工藝約束不易添加的問題。由T700/5015環(huán)氧樹脂單向纖維復(fù)合材料所制的傳動軸滿足扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)性能要求,且有鋪層纏繞工藝約束的CFRP傳動軸相比原鋼制傳動軸質(zhì)量減輕了22.8%。

張運(yùn)東等[31]選擇12KT700碳纖維加環(huán)氧樹脂為傳動軸管材料,采用纏繞法成型工藝完成碳纖維復(fù)合材料軸管的成型,鉚粘連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸管與金屬萬向節(jié)的可靠連接,開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料傳動軸減重超過40%。臺架試驗(yàn)結(jié)果顯示,產(chǎn)品靜扭強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞壽命、臨界轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T29082—2019《汽車傳動軸總成技術(shù)條件及臺架試驗(yàn)方法》的要求。

輪轂是汽車最重要的部件之一,不僅支撐著整車的重量和載荷,還承擔(dān)驅(qū)動功率和扭矩的傳遞。因此,車輛的輪轂不僅要具有良好的抗沖擊性,還要有優(yōu)異的耐久性和耐熱性。在保證力學(xué)性能的前提下,澳大利亞Carbon Revolution公司開發(fā)的CFRP輪轂比鋁合金輪轂輕40%～50%,英國Kahm公司在RX-X汽車中使用的特殊碳纖維車輪僅重66 kg,瑞典Koenigsegg公司在Agera R上使用的中空、片式CFRP輪轂使其非簧載質(zhì)量減少約20 kg[32]。

近年來,隨著渦輪增壓器發(fā)動機(jī)技術(shù)日趨成熟,日本開始在渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的制造中使用CFRP替代鋁合金,這不僅使葉輪質(zhì)量降低48%,而且使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量減小,提高了轉(zhuǎn)子加速性能,渦輪增壓器的響應(yīng)延遲問題得到改善,為后續(xù)CFRP在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供了很好的借鑒,并指明了研發(fā)方向[33]。

2.4 剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用

CFRP不僅具有良好的抗沖擊性,同時還具有優(yōu)秀的耐高溫和耐摩擦性能。CFRP制動襯片的平均使用壽命可高達(dá)8～12萬km以上,是普通汽車制動使用壽命的3～6倍,且硬度值好、剎車時無噪音,保證了轎車快速行駛中剎車的平穩(wěn)性、安全性與舒適性。如今許多賽車和豪華車型已經(jīng)在使用碳纖維剎車片。西格里生產(chǎn)的CFRP制動盤具有優(yōu)異的制動穩(wěn)定性,并已應(yīng)用于保時捷PorscheAG、、911 Turbo GT等車型。隨著CFRP價格的逐年下降,由CFRP制成的高性能剎車片將得到廣泛應(yīng)用[34]。

CFRP摩擦材料組成包括黏結(jié)樹脂、纖維材料和摩擦改性劑等。目前普遍采用酚醛樹脂作為黏結(jié)樹脂基體。但為改善其在耐高溫方面的缺陷,通常采用改性的方法,例如：(1)化學(xué)改性。即在酚醛樹脂的分子鏈上通過化學(xué)反應(yīng)的方式接入其他改性分子,主要包括環(huán)氧化反應(yīng)和醚化羥基反應(yīng)；(2)共混改性。即加入無機(jī)納米粒子、纖維、橡膠等材料進(jìn)行共混,發(fā)揮其他材料的特點(diǎn)；(3)多組分改性。例如,加入植物油改性酚醛柔韌性,通過硼改性提高其耐熱性[35]。

在剎車片材料種類中,除酚醛樹脂外,聚酰亞胺作為黏結(jié)樹脂基體材料,因其具有良好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊性,同時在極端環(huán)境下具有優(yōu)異的摩擦性能,在剎車片領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大[36]。

3 CFRP在汽車工業(yè)中的前景

3.1 制造成本、環(huán)保方面的優(yōu)勢

與輕質(zhì)合金材料相比,CFRP制成的車身不再需要沖壓和焊接,而是采用模壓和粘結(jié)工藝,節(jié)約了模具、夾具、生產(chǎn)線等設(shè)施的投資,大大降低了綜合生產(chǎn)成本。根據(jù)英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究,當(dāng)汽車產(chǎn)量低于2萬輛時,采用樹脂傳遞模塑工藝生產(chǎn)的CFRP車身的總體成本低于金屬車身,這說明CFRP不僅具有先進(jìn)生產(chǎn)工藝的技術(shù)優(yōu)勢,同時兼有小批量生產(chǎn)成本低的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[37]。

如前所述,在輕量化效果方面,由CFRP制成的車身部件比鋁制部件可以減重30%以上,比同類鋼制零件減重50%以上。相關(guān)研究表明,車重每減少10%,油耗可降低6%,有助于節(jié)能減排[38]。因此,在開發(fā)環(huán)保型汽車方面,CFRP具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

3.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外碳纖維的開發(fā)應(yīng)用時間早、生產(chǎn)技術(shù)成熟,碳纖維性能優(yōu)越。發(fā)展至今,已不再局限于軍工、航空航天等領(lǐng)域,已延伸至日常生活領(lǐng)域[39]。

相較于發(fā)達(dá)國家,我國對于CFRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚,技術(shù)相對落后,還處于應(yīng)用推廣階段。近年來,伴隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高,生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,加之自主品牌的強(qiáng)勢崛起,為我國車用CFRP的發(fā)展夯實(shí)了基礎(chǔ)[40]。

2014年,奇瑞汽車與國內(nèi)科研院所聯(lián)合研發(fā)了一款插電式混合動力汽車（艾瑞澤7）,這是國內(nèi)首款采用CFRP打造車身的量產(chǎn)車型,車身質(zhì)量為218 kg,比金屬車身輕48%[41]。2015年,江蘇奧新研發(fā)的新能源汽車E25A級車在鹽城生產(chǎn)下線,車身客艙采用全碳纖維制造,較老款車型減重50%。另外,通過優(yōu)化集成零件模塊的方式,將汽車零部件的數(shù)量減少到現(xiàn)有汽車零部件的40%[42]。2016年以來,北汽集團(tuán)先后成功研發(fā)CFRP發(fā)動機(jī)罩、車身功能件等,并將CFRP發(fā)動機(jī)罩應(yīng)用在新款SUV上,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部件減重50%[43]。在“十三五”開局之年,長安汽車響應(yīng)國家號召,依托“新能源汽車”重大科技專項(xiàng)“輕量化純電動汽車集成開發(fā)技術(shù)”項(xiàng)目,于2020年4月成功試制下線首款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維/鋁合金混合結(jié)構(gòu)車身,為碳纖維在純電動轎車上的規(guī)?；瘧?yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐[44]。

3.3 汽車工業(yè)中CFRP應(yīng)用瓶頸及發(fā)展方向

從目前的應(yīng)用狀況來看,CFRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在賽車、超級跑車等高端車型,經(jīng)濟(jì)型轎車的應(yīng)用相對較少。隨著碳纖維元素的加入,汽車充滿了科技感,但加工制造成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、回收再利用困難等限制了碳纖維在汽車輕量化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用[45]。盡管CFRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景在業(yè)內(nèi)存在爭議,但CFRP本身的性能優(yōu)勢是毋庸置疑的。隨著CFRP設(shè)計(jì)方法和加工技術(shù)的逐漸成熟,CFRP在汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大,應(yīng)用層次也將不斷提高,具體體現(xiàn)為以下幾個方面：

(1)由“小眾車”向大眾車轉(zhuǎn)變。在CFRP發(fā)展之初,由于其成本高、制造工藝復(fù)雜,只用于對性能有高要求的賽車和跑車上。隨著CFRP成本的降低和制造工藝的不斷改進(jìn),CFRP汽車零部件將越來越多地應(yīng)用于家用汽車和新能源汽車。

(2)由次結(jié)構(gòu)件向主結(jié)構(gòu)件發(fā)展?？紤]到安全性、制造工藝等問題,CFRP僅用于內(nèi)飾件和車身覆蓋件等性能要求不高的次結(jié)構(gòu)件,往往導(dǎo)致材料性能“供大于求”。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和成型加工技術(shù)的逐步成熟,CFRP不斷應(yīng)用在傳動軸、剎車片、輪轂等結(jié)構(gòu)件上,材料的綜合性能得到進(jìn)一步開發(fā)。

(3)由小批量向規(guī)?；D(zhuǎn)變。在CFRP汽車零部件的制造工序上,現(xiàn)有的小批量的生產(chǎn)方式大多存在制造成本高,生產(chǎn)效率低的問題。隨著CFRP汽車零部件應(yīng)用需求的不斷提高,需要向以自動化、數(shù)字化、智能化為主的批量化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變,助力CFRP在汽車輕量化上的應(yīng)用向好、向快發(fā)展。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo),在汽車上應(yīng)用CFRP等輕質(zhì)材料已是業(yè)內(nèi)共識。由于CFRP的優(yōu)異性能,被應(yīng)用于汽車車身及覆蓋件、制動系統(tǒng)、輪轂、發(fā)動機(jī)部件、傳動軸、座椅和內(nèi)飾等部件,實(shí)現(xiàn)整車質(zhì)量減重30%以上,但加工制造成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、回收再利用困難等限制了碳纖維在汽車輕量化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。隨著碳纖維價格的不斷下降和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟,CFRP等輕質(zhì)材料將逐步取代輕合金材料,成為車用材料的中流砥柱。