碳纤维及其复合材料在汽车上的应用_严成平

・３・ ２０１５年１０月３０日　第１０期严成平（重庆理工大学 ４０００５４）碳纤维及其复合材料在汽车上的应用０　引言碳纤维是在２０世纪６０年代开始迅速发展起来的一种高科技新材料，是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至１５００℃形成的纤维状碳材料，碳含量在９０％以上。

碳纤维具摘 要：在汽车行业，碳纤维及其复合材料运用越来越广泛，正逐步取代金属材料，极大的提高了汽车的性能。

介绍了碳纤维及其复合材料在国内外研发进展，例举了碳纤维复合材料在汽车行业的运用现状。

关键词：碳纤维　复合材料　汽车　运用有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等一系列优异性能，在２０００℃以上的高温惰性环境中，是唯一能保持强度不下降的材料，而且还同时具备了纤维的柔曲【试验・研究】・４・　２０１５年１０月３０日　第１０期性和可编性。

作为在在国际上备受称誉为“黑色黄金”，　碳纤维从原丝到成品需要经过预氧化、高温碳化、石墨化、表面处理等诸多工艺。

以碳纤维为增强体，树脂、陶瓷、金属等为基体，经过特殊复合成型工艺制得性能优异的碳纤维复合材料，既可作为承载负荷用的结构材料又可作为功能材料满足一些功能性要求，已经成为一种军民两用的高科技纤维材料，在汽车领域也在随着成型工艺的完善和成本的压缩而不断提高市场占有率。

碳纤维复合材料应用在车身结构件中，减轻质量效果明显，比钢铁材料轻５０％，比铝材轻３０％，油耗下降４０％，在动力系统不变的前提下，减重的车身会带来更出色的加速感受，相对于扔掉空调、音响等配置的减重方法，碳纤维材料的应用在保留舒适配置的同时达到了更好的效。

围绕“碳纤维汽车”，全世界的汽车企业展开了激战，国际碳纤维巨头也纷纷扩能，抢占这一具有巨大潜力的市场，碳纤维复合材料需求增长最快的也将是汽车工业［１］。

１　成型工艺及开发现状碳纤维复合材料的成型工艺主要有手糊成型、缠绕成型、拉挤成型和树脂传递模塑成型。

树脂传递模塑工艺（ＲＴＭ）是复合材料较为常用的一种成型工艺，该工艺是将纤维增强材料或预成坯铺放到闭模模腔内，用压力将树脂液注入模腔，浸透纤维或预成型坯，然后固化，脱模成型制品［２］。

日本新能源产业技术综合开发机构（ＮＥＤＯ）在“汽车轻量化碳纤维强化复合材料开发”项目（２００３－２００７）中，对超高速树脂传递模塑成型（ＲＴＭ）进行了深入的研究，主要指超高速硬化成型树脂、立体成型造型技术、高速树脂含浸成型技术等。

宝马ｉ３使用的碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）通过ＲＴＭ可在１０分钟以内成型。

各汽车厂商针对自己的车型及车身各部位需求不同，也在对ＣＦＲＰ的成型工艺进行不断优化和细致筛选。

如兰博基尼Ａｖｅｎｔａｄｏｒ　ＬＰ７００－４采用单体构造车身（图１），这种结构是构成车身的核心部件，整个单体车身仅１４７ｋｇ，车舱完全用碳纤维复合材料制造而成，并配以硬壳式结构。

设计过程中，兰博基尼团队根据各个元件的外形、功能及要求，分别对以下三种成型方法进行了细致筛选，这些方法在生产工艺、碳纤维及其织物类型以及树脂化学成分都各不相同。

树脂传递模塑法（ＲＴＭ）：该方法经兰博基尼完善后，实现了重大突破，发展成为图　１　兰博基尼Ａｖｅｎｔａｄｏｒ　ＬＰ７００－４单体构造式车身【试验・研究】“ＲＴＭ－Ｌａｍｂｏ”。

采用“ＲＴＭ－Ｌａｍｂｏ”工艺后，制造过程更加快速、灵活、高效，而且还具有喷油嘴压力低的优势，因而无需使用昂贵的设备。

预浸料：使用热固性树脂对碳纤维毡进行预注处理，并在低温环境中保存；然后，在模具中经过层压处理，并在压热器内压热固化。

该方法工艺复杂，但成品表面光洁度可达Ａ级，是打造汽车外露部位的上选制法。

编制：碳纤维编制技术源于纺织业，将纤维按对角方向分若干层交错编织而成，用于制造车顶结构性支柱以及车门等特殊用途的空心部件。

通过对上述技术的筛选应用，与传统方法相比，大大简化了兰博基尼的制造过程，最终造就了兰博基尼Ａｖｅｎｔａｄｏｒ　ＬＰ７００－４这款顶级跑车［３］。

着眼于长期发展而持续投资研发的日本纤维企业力压欧美企业，掌握着全球７０％的份额，碳纤维竞争以日本为舞台已经展开。

宝马的碳纤维原丝供应商是日本的三菱丽阳，三菱丽阳自２０１０年和德国西格里集团合资成立了日本欧泰克，２０１２年又不断扩大碳纤维产业链，收购了日本ＣＦＲＰ零件制造商Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ公司等多家企业，２０１４年以后又不断增加设备，年产能力在１万吨的基础上不断上升，将向作为主要客户的宝马汽车公司（ＢＭＷ）　扩大供货。

日本东丽于１９７１年在全球率先开始商业生产碳纤维，并与波音公司长期合作开发，在２０１１年投入航运的最先进中型客机“波音７８７”上，ＣＦＲＰ已经占到了机体重量的５成；东丽公司于２０１３年９月斥资近７００日元，收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司（Ｚｏｌｔｅｋ），　藉此将产品全球份额提高到３０％，一跃成为全球最大的碳纤维供应商。

日本帝人作为全球第二大碳纤维厂商长期为空中客车世界最大的双层客机Ａ３８０供应碳纤维原丝和碳纤维布等材料，双方的合作关系正在升温。

同时，帝人与美国通用汽车在碳纤维技术利用方面展开了合作，已面向量产车供应碳纤维［２－５］。

２　碳纤维及其复合材料在汽车上的应用目前，碳纤维复合材料主要应用在小批量车型、高级轿车和Ｆ１赛车上的车体部分、发动机部件、传动系统、底盘系统等。

由于碳纤维复合材料质轻，性能优　越，已经成为轻量化材料的开发热点。

相关数据表明：车重每减轻１０％，油耗可降低６％－８％；车重每减少１００ｋｇ，行驶１００ｋｍ的里程，油耗可以降低０．３－０．６Ｌ，而二氧化碳排放量可以减少５００ｇ［６］。

碳纤维复合材料在车身轻量化中的运用不仅可以降低油耗、减少污染，而且还有助于改善汽车的加速性和控制稳定性，并对汽车噪音、振动、碰撞时惯性和制动距离的减小都有着积极的作用。

例如，ＣＦＲＰ用于发动机部件和传动轴，由于其高阻尼特【试验・研究】・５・ ２０１５年１０月３０日　第１０期・６・　２０１５年１０月３０日　第１０期性，可有效降低振动、降低噪音从而提高了乘坐舒适性；ＣＦＲＰ用于汽车保险杠，由于其良好的抗冲击吸能性能，大大提高了汽车乘坐安全性。

２．１　在汽车车身上的运用碳纤维运用于车身制造具有诸多优势：（１）具有较高的强度；（２）　具有良好的抗疲劳性；（３）碰撞吸能性好；（４）制造工艺性好。

由于这些优异性能，各大汽车制造厂商都在积极发展ＣＦＲＰ在车身制造中的运用，并且已有不少成功实例。

宝马公司已经量产的ＢＭＷｉ３，是其第一款综合了环保技术以及功能性创新的纯电动车，目前正以每天１００辆的速度在生产。

ＢＭＷｉ３拥有全新的车身结构，如图２所示，采用的是ＣＦＲＰ车舱和铝合金底盘，整车质量在ＥＵ标准下仅有１２７０ｋｇ，　与一台普通小型车相近，比传统电动车轻了３００ｋｇ左右，这与大量使用的碳纤维材质功不可没。

ＢＭＷｉ３主要碳纤维复合材料结构部件包括车身框架、碳纤维车顶、发动机舱盖。

目前，全世界的汽车企业正以实现“碳纤维汽车”的商品化为目标而展开了激烈的市场竞争。

２０１０年丰田上市的跑车雷克萨斯ＬＦＡ全面采用ＣＦＲＰ制造车体，成为了关注的焦点，其价格也创下了日本国产车中最高的３７５０万日元。

２０１４年北京车展上，各式各样的豪华轿车，超级跑车夺人眼球，碳纤维在其中扮演了越来越重要的角色。

例如，布加迪Ｂｌａｃｋ　Ｂｅｓｓ传奇限量版采用全黑色碳纤维打造，科尼赛克Ｏｎｅ：１跑车车身配有碳纤维轮圈。

太阳能赛车方面，在今年澳大利亚太阳能汽车比赛中，日本工学院大学所研发的先进太阳能动力车“ＯＷＡ”（图３所示）使用由帝人集团旗下东邦公司（Ｔｏｈｏ　Ｔｅｎａｘ　ａｎｄＧｈ　Ｇｒａｆｔ　Ｌｔｄ）提供的Ｔｅｎａｘ系列超轻量级碳纤维材料。

Ｔｅｎａｘ超轻量级碳纤维材料薄至０．０６毫米可以使整车重量降低５５公斤，并保证实用性和安全性，以及参加耐力赛所需要的刚性和韧性，使得该太阳能车足以完成历时８天、共计２０２１公里的比赛［７］。

２．２ 在汽车其他位置的运用几十年前对于碳纤维增强复合材料将取图３　日本工学院太阳能动力车图　１　兰博基尼Ａｖｅｎｔａｄｏｒ　ＬＰ７００－４单体构造式车身【试验・研究】代金属用于制造汽车底盘的预言正在逐步得以实现。

２００３年由ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ公司推出的ＤｏｄｇｅＶｉｐｅｒ型跑车的挡板支架系统采用了碳纤维复合材料，这也是碳纤维在大型底盘和车身外部部件上的首次应用。

该种支架每个重１．９３ｋｇ，碳纤维复合材料中掺杂了５５％碳纤维碎屑，由于没有其他填充物，密度较小，只有１．４ｇ／ｃｍ３。

传统汽车制动汽车刹车片主要由石棉摩擦材料构成，但是这种材料在高温制动时易出现摩擦性能“热衰退”，产生的石棉粉尘对人体有致癌危害，碳纤维复合材料在刹车片上的研究与运用应运而生。

这种摩擦材料充分利用了碳纤维的高强高模、低密度、导热耐热和耐摩擦的优异性能，制出的刹车片具有密度低、噪音低、耐磨、耐腐蚀、制动性能优异和环保的特点，但成本相对较高，目前主要用在高档轿车及赛车上。

例如，Ｆ１赛车要求制动距离很短，能够在５０ｍ之内将车速从３００ｋｍ／ｈ降低到５０ｋｍ／ｈ，此过程制动盘温度能达到９００℃以上，此时一般材料的摩擦片性能将大打折扣，而碳纤维制动盘能承受高达２５００℃的高温，能够满足要求，保证了制动稳定性。

另外，　采用高强中模的细直径碳纤维的车载燃料气瓶，不仅能满足高压容器对安全可靠性和质量的要求，而且由于其质量轻，还可以提高行驶速度和起到节约油耗的作用。

２．３　国内发展现状到２０００年，国内复合材料已基本具备设计、制造碳纤维复合材料制品的能力和条件，但生产能力和产品质量有限，汽车承力结构件采用的碳纤维复合材料尚需借鉴国外汽车设计规范。

制约我国碳纤维及其复合材料业发展的几大问题主要有原丝质量差，生产规模小、价格高、应用基础研究薄弱等。

随着国家重视度的提高，目前我国在碳纤维汽车领域的研究近年来也取得重要突破。

中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的中国科学院知识创新工程重要方向项目——碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究课题于２０１１年正式启动，并于２０１４年４月２６日通过中国科学院科技发展促进局专家的现场技术验收。

项目研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备，效率达到５６件／天，并分别采用ＡＰＡ６及　ＰＣＢＴ热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。

该项目突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术，在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等【试验・研究】・７・ ２０１５年１０月３０日　第１０期方面取得重要进展。