＊李家麗

（寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

引言

在現(xiàn)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的背景下，汽車(chē)已成為人們?nèi)粘Ｉ?、工作中不可或缺的交通工具之一，其為人們的出行帶?lái)了極大的便利條件，這也進(jìn)一步推動(dòng)了汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。可是與此同時(shí)，汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步也給社會(huì)帶來(lái)了諸多環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，伴隨著人們對(duì)節(jié)能減排重視度的提升，新能源汽車(chē)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，這也給新型復(fù)合型新材料的發(fā)展提供了新的契機(jī)。其中碳纖維復(fù)合材料作為應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的一種新型材料，不僅在國(guó)內(nèi)備受青睞，在國(guó)外一些汽車(chē)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)發(fā)展極其成熟的日本、歐美國(guó)家已經(jīng)將其投入了生產(chǎn)和使用，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)性能、汽車(chē)生產(chǎn)成本、車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

1.碳纖維復(fù)合材料概念

碳纖維作為一種碳含量達(dá)到95%以上的纖維材料，具備高模量、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。其是通過(guò)片狀石墨微晶等有機(jī)纖維，順著纖維軸的方向堆積形成的，然后再經(jīng)由石墨化和碳化等工藝加工處理而成的，其強(qiáng)度要比鋼鐵高很多，質(zhì)量卻比鋁還要輕，在抗腐蝕方面有著非常好的表現(xiàn)，并有著較高的模量。其不但保持碳材料原本的特性，更是兼具纖維的可加工性和柔軟性，碳纖維復(fù)合材料則是指由樹(shù)脂、陶瓷、金屬等基體和碳纖維復(fù)合而成，如由樹(shù)脂和碳纖維構(gòu)成的復(fù)合材料的比模量和強(qiáng)度在現(xiàn)今所有材料里是表現(xiàn)最優(yōu)的。因碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異表現(xiàn)，使其在汽車(chē)、軍工、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用都非常的廣泛[1]。

2.碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能

（1）力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料具備密度低的性能，其密度僅為1.5～2g/cm3，僅是鋁合金密度的1/2，僅是鋼密度的1/5，其在大量耐高溫材料中是材質(zhì)最輕的一類(lèi)，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料所制的零部件是傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)零部件的15%～30%。在較高溫度下依舊能夠保持著較為優(yōu)良的強(qiáng)度，其彈性模量與拉伸強(qiáng)度也比一般材料要高很多，同時(shí)其抗疲勞性與斷裂韌性也相對(duì)較高[2]。

（2）熱物理性能。碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相對(duì)較小，在室溫內(nèi)的熱膨脹系數(shù)是（-0.5～-1.6）×10-6/k，在200～400℃的熱膨脹系數(shù)是0，在1000℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)是1.5×10-6/k，在如此大溫差下熱膨脹系數(shù)并無(wú)太大變化，因此，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制作的器材精準(zhǔn)度更高。比熱容相對(duì)較高，具備較好的吸收能量的作用，因此其耐熱摩擦、耐高溫性能也極其突顯[3]。

（3）碳纖維復(fù)合材料的特征。①拉伸彈性較強(qiáng)。在大多數(shù)情形下，碳纖維復(fù)合材料具有超強(qiáng)的拉伸彈性，通常都大于3500MPa，其是鋼材料拉伸彈性的7倍。其能夠達(dá)到2300～ 4300MPa抗拉彈性模量，遠(yuǎn)比鋼高。其中2000MPa/(g·cm-3)為碳纖維符合材料比模量，但是鋼的比模量只有59MPa/ (g·cm-3)，其比模量同樣遠(yuǎn)超過(guò)鋼[4]。②耐高溫、耐腐蝕性。同諸多材料進(jìn)行比對(duì)，碳纖維復(fù)合材料在耐腐蝕、耐高溫等方面的性能也超強(qiáng)。理論上碳纖維耐高溫能夠達(dá)到2600℃，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料耐溫在200℃左右。因其特有的碳結(jié)構(gòu)特性使得其整體成型具有大面積的特性。此外，可塑性和穩(wěn)定性同樣也是其優(yōu)勢(shì)所在，這些特有的優(yōu)勢(shì)促使其能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化持續(xù)增長(zhǎng)的目的[5]。③能量吸收性能優(yōu)越。在新能源汽車(chē)的制造過(guò)程中，因碳纖維復(fù)合材料在吸收能量方面出色的表現(xiàn)使其也被廣泛地使用。同時(shí)，在材料質(zhì)量方面，碳纖維復(fù)合材料還不到鋼質(zhì)同類(lèi)零部件50%的重量，是鋁制同類(lèi)材料的70%左右，并且抵抗沖擊的性能也更好，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的[6]。

3.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，對(duì)于新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用剛好符合其可持續(xù)性的發(fā)展目標(biāo)，很好地詮釋了經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保低碳的理念。碳纖維復(fù)合材料雖說(shuō)在汽車(chē)中實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間還較短，但發(fā)展勢(shì)頭卻極為迅猛。將國(guó)內(nèi)外在新能源汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的情況進(jìn)行對(duì)比不難看出，國(guó)外汽車(chē)行業(yè)在碳纖維復(fù)合材料持續(xù)發(fā)展的這幾十年內(nèi)建立的體系已經(jīng)非常成熟，而對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)在新能源汽車(chē)中碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還處在起步階段，在材料自主研發(fā)創(chuàng)新領(lǐng)域相對(duì)來(lái)說(shuō)還較為薄弱，一些比較高端材料主要還是依靠進(jìn)口，因此，國(guó)內(nèi)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)力度。下面針對(duì)各國(guó)新能源汽車(chē)行業(yè)中碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用狀況做如下分析[7]。

（1）德國(guó)。相比于其他國(guó)家而言，德國(guó)的汽車(chē)行業(yè)非常發(fā)達(dá)處在領(lǐng)先地位，在新能源汽車(chē)方面，其發(fā)展比較迅猛，對(duì)于汽車(chē)車(chē)身重量的控制和管理較為突顯。如，寶馬純電動(dòng)汽車(chē)i3就擁有非常穩(wěn)定的車(chē)身結(jié)構(gòu)，其車(chē)身重量和以往電動(dòng)車(chē)相比要輕一半左右，并且其底盤(pán)更好，使得重量和質(zhì)量獲得了反比增長(zhǎng)。德國(guó)新能源汽車(chē)的輕量化方面獲取了較大成就，不但使車(chē)身重量得到了進(jìn)一步降低，而且汽車(chē)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也得到有效加強(qiáng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了新能源汽車(chē)的“瘦身”目標(biāo)[8]。

（2）日本。日本作為一個(gè)比較注重高新技術(shù)發(fā)展的國(guó)家，對(duì)于新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展也起到了極大的推動(dòng)作用，如東麗公司推出的碳纖維復(fù)合材料，其車(chē)身的構(gòu)造是一體成型的中空結(jié)構(gòu)，重量不足鋼制材料車(chē)體的一半，同時(shí)還使汽車(chē)的性能得以有效提升，更好地落實(shí)了節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。碳纖維復(fù)合材料在日本汽車(chē)行業(yè)的使用，達(dá)到了汽車(chē)結(jié)構(gòu)一體化目標(biāo)，不僅使得汽車(chē)生產(chǎn)工藝進(jìn)一步縮減，而且還大大節(jié)省了制造成本，在有效降低汽車(chē)重量的前提下，還滿(mǎn)足了節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

（3）國(guó)內(nèi)。在20世紀(jì)70年代初期，碳纖維復(fù)合材料逐漸開(kāi)始受到世界各國(guó)科研人員的重視和關(guān)注。對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，對(duì)其的研究和應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)起步較晚，不過(guò)經(jīng)過(guò)30年來(lái)持續(xù)的創(chuàng)新和發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)的碳纖維復(fù)合材料也已經(jīng)形成了一個(gè)較為完整完善的產(chǎn)業(yè)，其被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天等行業(yè)。國(guó)內(nèi)最近幾年汽車(chē)行業(yè)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始從動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)逐步進(jìn)入穩(wěn)健的發(fā)展時(shí)期，提高企業(yè)自主的創(chuàng)新和研發(fā)能力，降低研發(fā)、生產(chǎn)等成本，有效增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)效益是目前國(guó)內(nèi)車(chē)企搶奪市場(chǎng)占比最為重要的手段。近兩年國(guó)內(nèi)長(zhǎng)安、奇瑞、長(zhǎng)城、江淮等車(chē)企對(duì)于新能源汽車(chē)的研發(fā)都比較重視[10]。早在2014年奇瑞就在北京市場(chǎng)率先推出了國(guó)內(nèi)的第一批新能源汽車(chē)，這是由中國(guó)科學(xué)院和奇瑞攜手打造的，其車(chē)身主要也是由碳纖維復(fù)合材料組成的，富有人性化和流暢感。此外，長(zhǎng)城也自主研發(fā)了一款使用了非常多碳纖維復(fù)合材料的跑車(chē)，長(zhǎng)城華冠EVENT，極大地降低了跑車(chē)的質(zhì)量，有效地實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能的目標(biāo)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也使產(chǎn)品的抗暴力、安全性等方面也有了進(jìn)一步的保證。在汽車(chē)制造方面和常規(guī)材料相比，零部件的集成化、全體化以及自動(dòng)化能夠有效降低車(chē)身的設(shè)計(jì)成本，并對(duì)制造成本進(jìn)行壓縮和有效降低成品重量等方面能夠優(yōu)化近20%左右。所以，增強(qiáng)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用水平，對(duì)我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新有著不可忽視的作用。

4.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用

（1）碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用。鋼鐵等金屬材料在傳統(tǒng)汽車(chē)生產(chǎn)中是占比較大的，但將碳纖維復(fù)合材料替代原本新能源汽車(chē)底盤(pán)和車(chē)身的金屬材料能夠使得整個(gè)汽車(chē)降低40%～60%的重量，比鋼結(jié)構(gòu)能夠輕1/3～1/6的重量，碳纖維復(fù)合材料的拉伸輕度是同類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)拉伸輕度的 7～8倍左右。與此同時(shí)，還能夠確保汽車(chē)車(chē)身的抗沖擊能力和安全性。碳纖維材料能夠方便加工成其他不同繁雜的結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到一體化新能源汽車(chē)車(chē)身制作的目標(biāo)?？梢栽谡麄€(gè)程度上使得工藝制造流程更為簡(jiǎn)化，進(jìn)而使得制造成本得到進(jìn)一步降低。因此可以說(shuō)，在汽車(chē)車(chē)身上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠具備較高的發(fā)展前景。英國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料做過(guò)減重實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示應(yīng)用鋼制車(chē)設(shè)計(jì)的汽車(chē)車(chē)身其重量在368kg，而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制作的車(chē)身其重量在172kg，整體減重量大約占50%?，F(xiàn)今部分改裝車(chē)和賽車(chē)大多數(shù)都是應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料制作汽車(chē)車(chē)身，其不僅能夠達(dá)到減重的目的，而且還能夠降低撞擊產(chǎn)生的碎片，大大提升了其安全性能。

（2）碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)轂中的應(yīng)用。新能源汽車(chē)的車(chē)轂作為汽車(chē)中極其重要的組成部分，是確保汽車(chē)是否可以安全行駛的關(guān)鍵。車(chē)轂不但需要承載整個(gè)汽車(chē)本身重量和負(fù)載量，而且還需要傳遞扭矩和驅(qū)動(dòng)。所以，要求汽車(chē)車(chē)轂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高，其要求新能源汽車(chē)車(chē)轂抗沖擊性、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、安全性、耐熱性、耐久性等較強(qiáng)。其中碳纖維復(fù)合材料就具備很好的耐久性、耐熱性、耐疲勞性和力學(xué)性能等先天優(yōu)勢(shì)，所以能夠用其代替金屬材料的車(chē)轂，進(jìn)而達(dá)到車(chē)轂優(yōu)良導(dǎo)熱性、耐熱、抗沖擊、高強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求。除此之外，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于新能源汽車(chē)車(chē)轂，能夠使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，促使汽車(chē)在轉(zhuǎn)向速度、停止、啟動(dòng)等方面的性能得到極大提升。

（3）碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)內(nèi)外飾上的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料具備較強(qiáng)的耐老化性、耐熱性、韌性、高強(qiáng)度等特性，其能夠摒棄原有塑料制品耐久性較差、脆性較高的缺陷，可以將其應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾中。碳纖維復(fù)合材料具備抗沖擊性強(qiáng)、剛性高、強(qiáng)度高等吸收能量特性，能夠用其替代金屬材料用做汽車(chē)外飾構(gòu)件。另外，碳纖維復(fù)合材料的吸振性效果較強(qiáng)，所以，當(dāng)汽車(chē)在迎接撞擊的過(guò)程中，可以將其中產(chǎn)生的巨大沖擊力吸收掉，進(jìn)而能夠產(chǎn)生較好的緩沖減震作用。另外，還能夠降低由于撞擊產(chǎn)生的碎片，可以在一定程度上使汽車(chē)安全性能得以顯著提升。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)外飾中能夠大大減少用戶(hù)使用成本和汽車(chē)生產(chǎn)成本，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化。另外，由于易加工成型是碳纖維復(fù)合材料的另一個(gè)特點(diǎn)，所以能夠使汽車(chē)零部件制作工藝流程得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，有效降低了在零部件加工期間、裝配期間和維修期間的生產(chǎn)成本。

（4）碳纖維復(fù)合材料在剎車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用。石棉材料是汽車(chē)制動(dòng)器襯片的主要材料，由于在制動(dòng)期間極易因摩擦而出現(xiàn)高溫，導(dǎo)致性能的熱退化，同時(shí)生成的石棉粉塵具備致癌危險(xiǎn)。但碳纖維復(fù)合材料具備耐熱性強(qiáng)、耐磨性高、強(qiáng)度好等優(yōu)勢(shì)，所以在汽車(chē)剎車(chē)片上可以應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料代替石棉材料。碳纖維制動(dòng)盤(pán)能夠在50m內(nèi)把車(chē)速?gòu)?00km/h減至50km/h，同時(shí)碳纖維制動(dòng)盤(pán)性能較為穩(wěn)定且耐高溫，能夠承載2500℃的高溫。

（5）碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)上的應(yīng)用。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)中，可以發(fā)揮很好的加工性能，極易生產(chǎn)出各類(lèi)繁雜的曲面形狀，進(jìn)而滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。與此同時(shí)，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的汽車(chē)，其表面光滑度較高，能夠進(jìn)一步提升新能源汽車(chē)的進(jìn)氣效率。除此之外，碳纖維復(fù)合材料能夠使進(jìn)氣系統(tǒng)的質(zhì)量得以減輕，從而達(dá)到整個(gè)汽車(chē)質(zhì)量減重的作用，實(shí)現(xiàn)良好的輕量化目的。

5.碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)中應(yīng)用的展望

在新能源汽車(chē)上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料還具備以下優(yōu)勢(shì)：其一，密度較小。應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)輕量化的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)能減排的目的，降低環(huán)境污染問(wèn)題，能夠當(dāng)做一類(lèi)環(huán)保型材料。其二，可塑性良好。碳纖維復(fù)合材料的可塑性較為良好，能夠結(jié)合實(shí)際需求加工成所需的不同繁雜形狀，其中包含部分金屬材料無(wú)法很好完成的曲面，其更有助于達(dá)到一體化汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)。例如，如果設(shè)計(jì)一個(gè)整體的車(chē)座需要使用50～60個(gè)金屬材料零部件，而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料就能夠大大降低零部件的使用量，使工藝流程得以簡(jiǎn)化，能夠促使工作效率得以有效提升。其三，吸能量良好。吸能量性能良好也是碳纖維復(fù)合材料的一大特性，將其用于車(chē)身能夠大大提升安全性，達(dá)到減震、緩沖吸能的目的。碳纖維復(fù)合材料現(xiàn)今受到全球汽車(chē)生產(chǎn)商的一致好評(píng)和認(rèn)可，進(jìn)而也使得其被廣泛地推廣和應(yīng)用起來(lái)。不難看出現(xiàn)今碳纖維復(fù)合材料可以作為新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的首選原材料，伴隨著新能源汽車(chē)上逐步普及應(yīng)用，使得其需求量持續(xù)增長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料具備更廣闊的發(fā)展前景。為提升新能源汽車(chē)工業(yè)的輕化汽車(chē)重量、汽車(chē)綜合性能，將會(huì)應(yīng)用更多碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳纖維陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維陶瓷基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料等。由于碳纖維復(fù)合材料具備的優(yōu)勢(shì)較多，所以越來(lái)越多的新能源汽車(chē)制造企業(yè)，如奧迪、寶馬、奔馳、本田、大眾、福特等高檔汽車(chē)企業(yè)都在嘗試使用碳纖維復(fù)合材料，因此，在未來(lái)碳纖維復(fù)合材料將被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于新能源汽車(chē)行業(yè)中。現(xiàn)階段，因碳纖維材料的價(jià)格相對(duì)而言較為昂貴，所以制約了碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展應(yīng)用。但碳纖維復(fù)合材料還具備環(huán)保節(jié)能的重要作用，能夠與社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)相順應(yīng)，為進(jìn)一步推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)制造業(yè)的廣泛推廣應(yīng)用。一方面，應(yīng)進(jìn)一步創(chuàng)新研發(fā)碳纖維復(fù)合材料，提升碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量管控、性能指標(biāo)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及相應(yīng)的補(bǔ)充技術(shù)等，進(jìn)而來(lái)提升碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量，達(dá)到提升其性能、減少成本的目的，其勢(shì)必將進(jìn)一步推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展。另一方面，國(guó)家不僅要借助研發(fā)團(tuán)隊(duì)的力量，材料工業(yè)及汽車(chē)制造業(yè)方面也應(yīng)該加強(qiáng)投人研究力度。這樣才可以更有效地促使碳纖維材料能夠在新能源汽車(chē)行業(yè)以及其它各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)步。

6.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今碳纖維復(fù)合材料在德國(guó)、日本、美國(guó)已經(jīng)較為成熟，國(guó)內(nèi)雖然對(duì)其研發(fā)也取得了一定的成果，但是距離國(guó)外還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在離散系數(shù)大、碳纖維質(zhì)量穩(wěn)定性差、原產(chǎn)絲雜質(zhì)含量偏高等缺陷，所以還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，在提升研發(fā)技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)低成本碳纖維復(fù)合材料的進(jìn)一步探究，有效突破其他國(guó)家技術(shù)壟斷的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。