碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用
转自新材料产业
1 前言
汽车轻量化是汽车产业的核心技术和重要发展方向，已经成为国家制造业的发展战略，《节能与新能源汽车轻量化技术路线图》也将汽车轻量化作为发展战略重点之一。国家多部委也都发布了多项惠及汽车轻量化产业的技术标准、法律法规和研发项目。政府的支持为汽车轻量化发展提供了机遇，有利于提高我国汽车轻量化产业的核心竞争力。碳纤维及其复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、安全性好等不可替代的优势，是作为汽车轻量化所使用的最佳材料。正是由于兼具优异性能，碳纤维在汽车领域均有广泛的应用前景，国务院发布的《中国制造2025》中已明确将碳纤维及其复合材料汽车零部件技术作为节能与新能源汽车领域的重要发展方向。
2 碳纤维及其复合材料
碳纤维(Carbon Fiber， CF)，为含碳量在95%以上的高强度碳材料，它是由石墨微晶等有机物纤维沿纤维轴向堆砌而成，经碳化及石墨化工艺处理而得到的微晶石墨集合体。碳纤维以其优异的比强度、比模量、耐腐蚀、吸能等性能，在航天航空、军工核能、轨道交通、汽车、体育休闲等领域得到广泛的应用。
碳纤维与高分子树脂、陶瓷、金属等基体材料复合而制成的结构材料简称“碳纤维复合材料”。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有密度小质量轻、高强度、高断裂韧性、耐化学腐蚀、可设计性强、加工性能好、热膨胀系数小、抗辐射抗老化、减振阻尼性能好等显著优点，既能够满足设计部件高强度、轻量化的设计要求，还能提高汽车的安全性能。目前碳纤维复合材料已成为继高强特种钢、铝合金、镁合金、工程塑料和玻璃纤维复合材料等材料后汽车工业领域最前沿、最具发展潜力的轻量化材料。
碳纤维复合材料的抗拉强度和拉伸模量受到碳纤维品种、内部结构、用量、铺层使用方式以及树脂种类等多方面因素的综合影响，性能和使用方式不一。碳纤维复合材料与其他轻量化材料的性能对比情况见表1，由表中数据对比可知，碳纤维复合材料在抗拉强度、比强度、拉伸模量，尤其是在比强度和比模量方面比现有使用材料体系料有显著提高，这些是碳纤维复合材料的核心性能优势和价值体现，也是碳纤维在汽车行业得到广泛关注的原因。
3 碳纤维在汽车上的应用
随着汽车的发展，车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂，又要保持合理的车重，选择合适的材料至关重要。可以说，轻量化材料的选择，真正体现了汽车品牌之间的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足足够的汽车刚性性能需求，又实现了汽车的轻量化，碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求，也能解决消费者所关心的节能省油问题，因此碳纤维复合材料可以作为汽车的未来主流材料。
碳纤维的密度接近钢铁材料的1/5，目前车体常规质量在400～500kg，而一个全碳纤维跑车的车体质量不足百公斤。汽车质量每减小10%，可降低6%以上的油耗使续航能力大幅提升，降低5%以上的排放。正因其广泛的应用前景，碳纤维被称为21世纪即将井喷的“黑色黄金”。据研究表明，汽车制造商为了减轻1 kg车重所投入的费用比增加1马力更为高昂。
碳纤维增强复合材料是很理想的汽车覆盖件用非金属材料。它的高强度可以在保证汽车的防撞性能的同时，大大减轻车身质量。以中国科学院研发的一辆碳纤维汽车为例，在金属材质的汽车引擎盖上，使用榔头用力敲击，漆盖上会有明显的凹陷，而利用碳纤维制作的汽车车壳却非常坚固，用力击打车盖后会迅猛反弹，车身表面无受损痕迹。中国科学院研究人员表示使用碳纤维复合材料做的汽车，与普通用钢材制造的汽车相比，质量轻、速度快、油耗低，质量比普通钢材的汽车减少60%，在同样油耗工况条件下，这辆碳纤维汽车每小时至少多行驶50km。
宝马汽车是碳纤维应用的尝试者，2009年开始，联合日本三菱丽阳株式会社和西格里集团2家公司，尝试在其i系车型中采用碳纤维复合材料。通过在宝马i系列车型中的成功尝试，证明了碳纤维不仅仅适用于小批量车型，也可以应用于量产车型中。这也证明了通过使用碳纤维复合材料来实现汽车的轻量化设计(用于新能源车尤其是电动车)的潜力非常大。2015年，宝马i3的销售接近24 000台，i8的销售接近5 500台。宝马在i系列碳纤维车身及零部件积累的经验，成功转移到了宝马其他的车型中。在2015年欧洲车身会议上展出的全新宝马7系中，在B柱、车顶纵梁/前横梁、门槛梁、中央通道及C柱采用了碳纤维与高强钢结合的方式，提高了车身的扭转刚度，并降低了车身的质量。2016年，宝马7系实现了6.4万台的销售量，长期的销售目标有望达到10万台。
在新能源汽车领域，碳纤维是新能源汽车“瘦身革命”的领导者，在汽车轻量化方面发挥着关键作用的同时，提高了新能源汽车的续航里程。碳纤维复合材料也得到了大量使用[2]。2018年12月15日，在2018 NIO Day现场，蔚来汽车正式发布了其第2款量产新能源车型蔚来ES6。全面的高性能表现成为ES6最大的亮点：综合工况续航里程510km，百公里加速4.7 s，百公里制动距离33.9m，整车抗扭刚度高达4 930N·m/deg，这一切比肩赛车的优良性能离不开其碳纤维复合材料的车身结构。
经过NIO全球测试证明，碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转刚度更高，被动安全性能提高，整体耐久性也得到很大提升。遵循“合适的材料用到合适位置”的设计选择，碳纤维后地板嵌入到全铝车身中，比铝合金减重30%以上，与相同体积的高强度钢相比，质量仅是它的1/5。
国内碳纤维制造企业康得集团与康得新集团联合打造的碳纤维轻量化产业平台已经与近60家汽车主机厂展开交流与合作，为客户提供了从设计、研发、试制到批产的碳纤维轻量化整体解决方案。已完成了多个车型的引擎盖、翼子板、行李箱盖、车门等车身覆盖件;顶盖、上边梁、侧边梁、中通道、车身、座椅、电池箱、底盘等车身结构件的汽车碳纤维复合材料轻量化项目。项目涉及燃油汽车轻量化部件替代、新能源汽车(包括锂电池车和氢燃料汽车)的整车轻量化解决方案。
北京长城华冠旗下的新能源汽车品牌前途汽车，与美国电动车制造商、分销商Mullen Tech公司签订协议，计划在美国加州投产电动跑车——前途K50。前途K50电动跑车采用全铝合金车身设计并使用碳纤维复合材料，大大提高了汽车的整体性能。
碳纤维增强复合材料由于其良好的轻量化优势，还广泛应用于汽车轮毂、制动系统、传动系统、内外饰、发动机领域中。
3.1 碳纤维轮毂
采取碳纤维材料制作的轮毂，能够大大减少轮毂的质量，从而有助于减少转动惯量。由于簧下质量每减少1kg，轻量化效果约等于簧上质量减少6kg，所以碳纤维轮毂会显著地改善车辆的操控性能。同时，碳纤维材质坚固、韧性好，碳纤维轮毂有利于转向的反应和路感的传递，从而使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。
3.2 制动系统
碳纤维复合材料在制动系统和传动系统中同样有着广泛的应用。碳纤维制动盘具有出色的耐高温性，可承受2500℃的温度，并且还能保证性能的稳定，保时捷918 spider采取了碳纤维制动盘，可以在50m内将汽车车速从300km/h降低到50km/h;碳纤维制作的传动轴不仅可以减轻40%以上的质量，还具有非常好的耐久性，丰田86的碳纤维传动轴仅重5.53kg，和主流的钢制传动轴相比，减重50%。
3.3 汽车进气系统、发动机领域
碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料，一方面可减轻其质量，达到轻量化的效果;另一方面，碳纤维材料加工性能好，易加工成各种曲面的复杂形状，且材料表面较为光滑，可有效提高汽车进气效率。而碳纤维良好的高温性能使其在发动机领域得以应用，碳纤维复合材料可承受2 500℃的高温，且性能稳定。
3.4 汽车内饰、门窗等领域
碳纤维复合材料具有很好的吸力减震效果，对撞击等有强大的缓冲作用，且减少撞击可能产生的碎片，提高了汽车的整体安全性能。利用碳纤维制作汽车内外饰材料，在汽车轻量化的同时，还简化了汽车零部件的生产制造工艺，进而减少零部件在加工、装配、维修过程中产生的成本，进而降低汽车生产成本和消费者使用费用。
4 结语
近几年，我国在高性能碳纤维及其复合材料领域取得了一定的进展和突破，在关键技术、装备及应用等方面也有大幅的提高，但和国外依然有很大的差距。目前全球碳纤维制造的主导者是美国、日本和德国。与国外的碳纤维产业相比，国产原丝杂质含量高、生产的碳纤维质量不够稳定、离散系数大，生产成本还需进一步降低，碳纤维研发、生产与应用脱节严重，针对碳纤维市场的应用技术开发滞后，产业凝聚力弱等。目前国内碳纤维企业生产的产品虽然在航空航天、体育休闲和其他工业产业3大领域中都有一定应用，但高端应用领域占比仅4%，高端碳纤维产品严重依赖进口。碳纤维在汽车领域的应用也有很大的差距。
应用在汽车领域的材料产业规律是：当一种汽车材料垄断地位已经形成，后来者就很难完全颠覆和取代，只有等待下一次汽车产业革命浪潮。如今，随着新能源汽车时代的加速到来，一个全新的、充满想象空间的汽车用材料市场机会正在不断开启。以碳纤维复合材料为首的汽车轻量化材料正迎来一个前所未有的机遇和历史黄金期。
我国碳纤维需要潜心钻研，实现技术突破，形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式，尽快打破国外的技术垄断。这需要国家、省和地方政府共同援手，给予相关碳纤维企业相应的配套扶持资金，为碳纤维产业发展提供更具有针对性的财政、人才、税收等保障服务，培养出一批碳纤维生产制造和应用的龙头企业。
转自新材料产业
1 前言
汽车轻量化是汽车产业的核心技术和重要发展方向，已经成为国家制造业的发展战略，《节能与新能源汽车轻量化技术路线图》也将汽车轻量化作为发展战略重点之一。国家多部委也都发布了多项惠及汽车轻量化产业的技术标准、法律法规和研发项目。政府的支持为汽车轻量化发展提供了机遇，有利于提高我国汽车轻量化产业的核心竞争力。碳纤维及其复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、安全性好等不可替代的优势，是作为汽车轻量化所使用的最佳材料。正是由于兼具优异性能，碳纤维在汽车领域均有广泛的应用前景，国务院发布的《中国制造2025》中已明确将碳纤维及其复合材料汽车零部件技术作为节能与新能源汽车领域的重要发展方向。
2 碳纤维及其复合材料
碳纤维(Carbon Fiber， CF)，为含碳量在95%以上的高强度碳材料，它是由石墨微晶等有机物纤维沿纤维轴向堆砌而成，经碳化及石墨化工艺处理而得到的微晶石墨集合体。碳纤维以其优异的比强度、比模量、耐腐蚀、吸能等性能，在航天航空、军工核能、轨道交通、汽车、体育休闲等领域得到广泛的应用。
碳纤维与高分子树脂、陶瓷、金属等基体材料复合而制成的结构材料简称“碳纤维复合材料”。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有密度小质量轻、高强度、高断裂韧性、耐化学腐蚀、可设计性强、加工性能好、热膨胀系数小、抗辐射抗老化、减振阻尼性能好等显著优点，既能够满足设计部件高强度、轻量化的设计要求，还能提高汽车的安全性能。目前碳纤维复合材料已成为继高强特种钢、铝合金、镁合金、工程塑料和玻璃纤维复合材料等材料后汽车工业领域最前沿、最具发展潜力的轻量化材料。
碳纤维复合材料的抗拉强度和拉伸模量受到碳纤维品种、内部结构、用量、铺层使用方式以及树脂种类等多方面因素的综合影响，性能和使用方式不一。碳纤维复合材料与其他轻量化材料的性能对比情况见表1，由表中数据对比可知，碳纤维复合材料在抗拉强度、比强度、拉伸模量，尤其是在比强度和比模量方面比现有使用材料体系料有显著提高，这些是碳纤维复合材料的核心性能优势和价值体现，也是碳纤维在汽车行业得到广泛关注的原因。
3 碳纤维在汽车上的应用
随着汽车的发展，车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂，又要保持合理的车重，选择合适的材料至关重要。可以说，轻量化材料的选择，真正体现了汽车品牌之间的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足足够的汽车刚性性能需求，又实现了汽车的轻量化，碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求，也能解决消费者所关心的节能省油问题，因此碳纤维复合材料可以作为汽车的未来主流材料。
碳纤维的密度接近钢铁材料的1/5，目前车体常规质量在400～500kg，而一个全碳纤维跑车的车体质量不足百公斤。汽车质量每减小10%，可降低6%以上的油耗使续航能力大幅提升，降低5%以上的排放。正因其广泛的应用前景，碳纤维被称为21世纪即将井喷的“黑色黄金”。据研究表明，汽车制造商为了减轻1 kg车重所投入的费用比增加1马力更为高昂。
碳纤维增强复合材料是很理想的汽车覆盖件用非金属材料。它的高强度可以在保证汽车的防撞性能的同时，大大减轻车身质量。以中国科学院研发的一辆碳纤维汽车为例，在金属材质的汽车引擎盖上，使用榔头用力敲击，漆盖上会有明显的凹陷，而利用碳纤维制作的汽车车壳却非常坚固，用力击打车盖后会迅猛反弹，车身表面无受损痕迹。中国科学院研究人员表示使用碳纤维复合材料做的汽车，与普通用钢材制造的汽车相比，质量轻、速度快、油耗低，质量比普通钢材的汽车减少60%，在同样油耗工况条件下，这辆碳纤维汽车每小时至少多行驶50km。
宝马汽车是碳纤维应用的尝试者，2009年开始，联合日本三菱丽阳株式会社和西格里集团2家公司，尝试在其i系车型中采用碳纤维复合材料。通过在宝马i系列车型中的成功尝试，证明了碳纤维不仅仅适用于小批量车型，也可以应用于量产车型中。这也证明了通过使用碳纤维复合材料来实现汽车的轻量化设计(用于新能源车尤其是电动车)的潜力非常大。2015年，宝马i3的销售接近24 000台，i8的销售接近5 500台。宝马在i系列碳纤维车身及零部件积累的经验，成功转移到了宝马其他的车型中。在2015年欧洲车身会议上展出的全新宝马7系中，在B柱、车顶纵梁/前横梁、门槛梁、中央通道及C柱采用了碳纤维与高强钢结合的方式，提高了车身的扭转刚度，并降低了车身的质量。2016年，宝马7系实现了6.4万台的销售量，长期的销售目标有望达到10万台。
在新能源汽车领域，碳纤维是新能源汽车“瘦身革命”的领导者，在汽车轻量化方面发挥着关键作用的同时，提高了新能源汽车的续航里程。碳纤维复合材料也得到了大量使用[2]。2018年12月15日，在2018 NIO Day现场，蔚来汽车正式发布了其第2款量产新能源车型蔚来ES6。全面的高性能表现成为ES6最大的亮点：综合工况续航里程510km，百公里加速4.7 s，百公里制动距离33.9m，整车抗扭刚度高达4 930N·m/deg，这一切比肩赛车的优良性能离不开其碳纤维复合材料的车身结构。
经过NIO全球测试证明，碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转刚度更高，被动安全性能提高，整体耐久性也得到很大提升。遵循“合适的材料用到合适位置”的设计选择，碳纤维后地板嵌入到全铝车身中，比铝合金减重30%以上，与相同体积的高强度钢相比，质量仅是它的1/5。
国内碳纤维制造企业康得集团与康得新集团联合打造的碳纤维轻量化产业平台已经与近60家汽车主机厂展开交流与合作，为客户提供了从设计、研发、试制到批产的碳纤维轻量化整体解决方案。已完成了多个车型的引擎盖、翼子板、行李箱盖、车门等车身覆盖件;顶盖、上边梁、侧边梁、中通道、车身、座椅、电池箱、底盘等车身结构件的汽车碳纤维复合材料轻量化项目。项目涉及燃油汽车轻量化部件替代、新能源汽车(包括锂电池车和氢燃料汽车)的整车轻量化解决方案。
北京长城华冠旗下的新能源汽车品牌前途汽车，与美国电动车制造商、分销商Mullen Tech公司签订协议，计划在美国加州投产电动跑车——前途K50。前途K50电动跑车采用全铝合金车身设计并使用碳纤维复合材料，大大提高了汽车的整体性能。
碳纤维增强复合材料由于其良好的轻量化优势，还广泛应用于汽车轮毂、制动系统、传动系统、内外饰、发动机领域中。
3.1 碳纤维轮毂
采取碳纤维材料制作的轮毂，能够大大减少轮毂的质量，从而有助于减少转动惯量。由于簧下质量每减少1kg，轻量化效果约等于簧上质量减少6kg，所以碳纤维轮毂会显著地改善车辆的操控性能。同时，碳纤维材质坚固、韧性好，碳纤维轮毂有利于转向的反应和路感的传递，从而使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。
3.2 制动系统
碳纤维复合材料在制动系统和传动系统中同样有着广泛的应用。碳纤维制动盘具有出色的耐高温性，可承受2500℃的温度，并且还能保证性能的稳定，保时捷918 spider采取了碳纤维制动盘，可以在50m内将汽车车速从300km/h降低到50km/h;碳纤维制作的传动轴不仅可以减轻40%以上的质量，还具有非常好的耐久性，丰田86的碳纤维传动轴仅重5.53kg，和主流的钢制传动轴相比，减重50%。
3.3 汽车进气系统、发动机领域
碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料，一方面可减轻其质量，达到轻量化的效果;另一方面，碳纤维材料加工性能好，易加工成各种曲面的复杂形状，且材料表面较为光滑，可有效提高汽车进气效率。而碳纤维良好的高温性能使其在发动机领域得以应用，碳纤维复合材料可承受2 500℃的高温，且性能稳定。
3.4 汽车内饰、门窗等领域
碳纤维复合材料具有很好的吸力减震效果，对撞击等有强大的缓冲作用，且减少撞击可能产生的碎片，提高了汽车的整体安全性能。利用碳纤维制作汽车内外饰材料，在汽车轻量化的同时，还简化了汽车零部件的生产制造工艺，进而减少零部件在加工、装配、维修过程中产生的成本，进而降低汽车生产成本和消费者使用费用。
4 结语
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