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摘 要：随着汽车工业飞速发展衍生的环境、能源和安全问题日益突出，碳纤维增强复合材料以其优异的综合性能和可设计性能在汽车轻量化技术领域脱颖而出，具有广泛的应用前景。本文对碳纤维增强复合材料的特性、成型工艺和乘用车应用性能进行分析，并结合现状问题提出了建议和措施。
关键词：乘用车 碳纤维增强复合材料 技术进展
Lightweight Application of Carbon Fiber Reinforced Composite Materials for Passenger Cars
Jiang Zijing Yang Wenye Song Jie Li Wenzhong Li Zhenxing Ma Qiu
Abstract：With the increasingly prominent environmental， energy and safety issues derived from the rapid development of the automotive industry， carbon fiber reinforced composite materials stand out in the field of automotive lightweight technology due to their excellent comprehensive performance and design performance， and have a wide range of application prospects. This article analyzes the characteristics， molding process and passenger car application performance of carbon fiber reinforced composite materials， and puts forward suggestions and measures based on current issues.
Key words：passenger car， carbon fiber reinforced composite material， technological progress
1 前言
汽车工业的飞速发展在给人们带来出行便利的同时，也衍生出了环境污染、能源紧缺、交通安全等诸多问题。有研究表明，乘用车的整备质量减少10%，燃油车油耗降低6%～8%，CO2排放量降低8～11g/（100km）;纯电动汽车整车重量减少10%，续驶可增加5%～8%[1，2]。面对这些全球性的棘手问题，汽车工业在产业升级和绿色环保的战略背景下探索出一条可持续发展路径，即从汽车自身的结构设计、材料应用和工艺选择等源头挖掘轻量化技术。乘用车轻量化材料应用在不断的探索和验证过程中，从单一的普通钢材，发展到现在的高强钢、热成型钢、铝合金、镁合金、塑料和高强纤维增强复合材料等多材料混合应用。其中，碳纤维增强复合材料以其优异的综合性能、高比强度和比模量以及灵活的可设计性在众多新型轻量化材料中脱颖而出。碳纤维增强复合材料的密度仅为钢材密度的20%，铝合金密度的60%，其应用可使车身减轻30%～60%[3]。因此，碳纤维增强复合材料是汽车轻量化新型材料的最佳选择。
2 碳纤维增强复合材料的技术现状
2.1 结构与特性
碳纤维是将有机纤维在非活性气体中进行高温碳化，分离掉碳以外的元素后所得的纤维体材料[4]。碳纤维根据有机纤维原料的不同，可以非为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维生产工艺难度低，品种多，价格适中，市场上90%以上的碳纤维是以PAN纤维为原料制成的PAN基碳纤维。[5]沥青基碳纤维的导热性高，拉伸模量高，抗冲击性强，但制造工艺复杂，成本高，目前生产销售的规模较小。胶粘基碳纤维耐高温性高，但碳化率低，技术难度大，设备复杂，成本高，主要用于耐烧蚀和隔热材料。[6]
碳纤维增强复合材料兼具有抗疲劳、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、低线性碰撞系数、优良的震动阻尼等特性。此外，碳纤维增强复合材料汽车零件设计集成度高，可减少分组成件数量;其可灵活设计和造型自由度高的特性，可降低流线型曲面配件的制造成本;碳纤维增强复合材料高效率的抗震、吸收冲击性能，高达到金属的5倍，可提高汽车发生交通碰撞事故车上人员安全性。但碳纤维材料成本高，工艺复杂，生产效率低等因素阻碍了其在汽车行业的大规模应用。
2.2 应用进展
由于碳纤维增强复合材料优异的综合性能和显著的轻量化优势，国内外车企开展了大量的研究与应用。宝马公司率先全面开启碳纤维增强复合材料在汽车领域的应用。2013年宝马i3车身碳纤维用量达到49.41%，2014年宝马i8车身碳纤维用量43%，之后，其他汽车车企也相继推出了碳纤维增强复合材料应用的车型，如表1。
国内碳纤维材料应用幅度比较高的车型集中在对轻量化需求更迫切的跑车上，为了降低碳纤维材料在汽车行业的应用成本，汽车企业也逐步从碳纤维、树脂、工艺等方面加大研发投入，旨在推动碳纤维增强复合材料大幅度低成本应用，促进其在汽车构件的应用逐步从高端技术向大众化应用转变。
碳纤维增强复合材料常见的成型工艺如表2，不同成型工艺的成型速度、质量、成本和适用零部件特性相匹配。
2.3 性能研究
由于碳纤维是各向异性的材料，结构设计、纤維铺层设计对零件性能的影响至关重要。碳纤维增强复合材料是一种可设计性很强的材料，可以通过纤维铺层的方向和厚度、树脂的浸润和流动方式、成型工艺等设计满足产品零部件在不用方向的力学性能要求，并且为造型件和功能件的模块化设计提供基础。奥迪A8局部碳纤维车身模块采用HP-RTM工艺成型零部件，并通过结构胶及铆接工艺连接，试验证明整车扭转刚度提升了33%。宝马i3和7系顶盖横梁和上边梁采用碳纤维3D编织技术成型，相比于钢制零件减重45%，并且充分利用了碳纤维复合材料的各向异性特点和3D成型的闭合截面优势，提高了车身的结构稳定性和抗顶压能力。通过仿真及试验验证表明，碳纤维顶盖横梁的轴向抗压强度相比于原钣金横梁提高了13%，抗弯强度提高了62%。
碳纤维增强复合材料零部件开发通常需要经过材料选型、铺层设计、CAE分析、连接强度分析、失效分析和性能验证的步骤。图1所示车型顶盖横梁部分仿真分析案例。目前国内汽车上应用碳纤维零部件开发经验和流程体系尚未完善，大多仍然是按照金属材质件开发的流程，未能充分发挥出碳纤维材料的优势。通过技术的深入研究和应用经验的积累，碳纤维增强复合材料在汽车构件的应用会实现进一步的减重、降本和性能提升。
3 结论
碳纤维增强复合材料以其优异的综合特性广受车业的青睐，必然会成为轻量化新型材料应用的主流趋势。现阶段碳纤维材料的成本高、工艺复杂、生产效率低，开发经验和能力不足，使其应用受到制约。因此，要推动碳纤维增强复合材料的大范围应用，需要加大研发投入，积累正向集成式的碳纤维设计经验，大力投入材料基础性能研究，结构设计、工艺、生产一体式应用研究。此外，随着碳纤维增强复合材料在乘用车上应用范围的日益扩大，其回收再生技术的壁垒也在被攻坚突破，这将会进一步降低原材料的成本，碳纤维增强复合材料在乘用车上的应用也会迎来更光明的前景。
参考文献：
[1]李红娟. 汽车轻量化进程中碳纤维复合材料（CFRP）技术应用现状[J].时代汽车，2018（6）：21-22.
[2]陈康达， 赵福全， 郝瀚， 等. 碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用现状及发展前景展望[C]. 2018中国汽车工程学会年会论文集; 606-610.
[3]彭孟娜，马建伟. 碳纤维及其在汽车轻量化中的应用[J]. 合成纤维工业，2018（02）：53-56.
[4]张婧，于今，熊磊，等.车用碳纤维复合材料性能及成形工艺[J]. 科技导报， 2016（8）：26-30.
[5]亓淑源. 碳纤维汽车件用RTM快速成形树脂体系及复合材料研制[D]. 北京：北京化工大学，2018.
[6] 冯奇. 碳纤维复合材料汽车翼子板构件的设计及性能分析[J]. 上海塑料， 2019 （4）：58-64.
关键词：乘用车 碳纤维增强复合材料 技术进展
Lightweight Application of Carbon Fiber Reinforced Composite Materials for Passenger Cars
Jiang Zijing Yang Wenye Song Jie Li Wenzhong Li Zhenxing Ma Qiu
Abstract：With the increasingly prominent environmental， energy and safety issues derived from the rapid development of the automotive industry， carbon fiber reinforced composite materials stand out in the field of automotive lightweight technology due to their excellent comprehensive performance and design performance， and have a wide range of application prospects. This article analyzes the characteristics， molding process and passenger car application performance of carbon fiber reinforced composite materials， and puts forward suggestions and measures based on current issues.
Key words：passenger car， carbon fiber reinforced composite material， technological progress
1 前言
汽车工业的飞速发展在给人们带来出行便利的同时，也衍生出了环境污染、能源紧缺、交通安全等诸多问题。有研究表明，乘用车的整备质量减少10%，燃油车油耗降低6%～8%，CO2排放量降低8～11g/（100km）;纯电动汽车整车重量减少10%，续驶可增加5%～8%[1，2]。面对这些全球性的棘手问题，汽车工业在产业升级和绿色环保的战略背景下探索出一条可持续发展路径，即从汽车自身的结构设计、材料应用和工艺选择等源头挖掘轻量化技术。乘用车轻量化材料应用在不断的探索和验证过程中，从单一的普通钢材，发展到现在的高强钢、热成型钢、铝合金、镁合金、塑料和高强纤维增强复合材料等多材料混合应用。其中，碳纤维增强复合材料以其优异的综合性能、高比强度和比模量以及灵活的可设计性在众多新型轻量化材料中脱颖而出。碳纤维增强复合材料的密度仅为钢材密度的20%，铝合金密度的60%，其应用可使车身减轻30%～60%[3]。因此，碳纤维增强复合材料是汽车轻量化新型材料的最佳选择。
2 碳纤维增强复合材料的技术现状
2.1 结构与特性
碳纤维是将有机纤维在非活性气体中进行高温碳化，分离掉碳以外的元素后所得的纤维体材料[4]。碳纤维根据有机纤维原料的不同，可以非为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中PAN基碳纤维生产工艺难度低，品种多，价格适中，市场上90%以上的碳纤维是以PAN纤维为原料制成的PAN基碳纤维。[5]沥青基碳纤维的导热性高，拉伸模量高，抗冲击性强，但制造工艺复杂，成本高，目前生产销售的规模较小。胶粘基碳纤维耐高温性高，但碳化率低，技术难度大，设备复杂，成本高，主要用于耐烧蚀和隔热材料。[6]
碳纤维增强复合材料兼具有抗疲劳、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、低线性碰撞系数、优良的震动阻尼等特性。此外，碳纤维增强复合材料汽车零件设计集成度高，可减少分组成件数量;其可灵活设计和造型自由度高的特性，可降低流线型曲面配件的制造成本;碳纤维增强复合材料高效率的抗震、吸收冲击性能，高达到金属的5倍，可提高汽车发生交通碰撞事故车上人员安全性。但碳纤维材料成本高，工艺复杂，生产效率低等因素阻碍了其在汽车行业的大规模应用。
2.2 应用进展
由于碳纤维增强复合材料优异的综合性能和显著的轻量化优势，国内外车企开展了大量的研究与应用。宝马公司率先全面开启碳纤维增强复合材料在汽车领域的应用。2013年宝马i3车身碳纤维用量达到49.41%，2014年宝马i8车身碳纤维用量43%，之后，其他汽车车企也相继推出了碳纤维增强复合材料应用的车型，如表1。
国内碳纤维材料应用幅度比较高的车型集中在对轻量化需求更迫切的跑车上，为了降低碳纤维材料在汽车行业的应用成本，汽车企业也逐步从碳纤维、树脂、工艺等方面加大研发投入，旨在推动碳纤维增强复合材料大幅度低成本应用，促进其在汽车构件的应用逐步从高端技术向大众化应用转变。
碳纤维增强复合材料常见的成型工艺如表2，不同成型工艺的成型速度、质量、成本和适用零部件特性相匹配。
2.3 性能研究
由于碳纤维是各向异性的材料，结构设计、纤維铺层设计对零件性能的影响至关重要。碳纤维增强复合材料是一种可设计性很强的材料，可以通过纤维铺层的方向和厚度、树脂的浸润和流动方式、成型工艺等设计满足产品零部件在不用方向的力学性能要求，并且为造型件和功能件的模块化设计提供基础。奥迪A8局部碳纤维车身模块采用HP-RTM工艺成型零部件，并通过结构胶及铆接工艺连接，试验证明整车扭转刚度提升了33%。宝马i3和7系顶盖横梁和上边梁采用碳纤维3D编织技术成型，相比于钢制零件减重45%，并且充分利用了碳纤维复合材料的各向异性特点和3D成型的闭合截面优势，提高了车身的结构稳定性和抗顶压能力。通过仿真及试验验证表明，碳纤维顶盖横梁的轴向抗压强度相比于原钣金横梁提高了13%，抗弯强度提高了62%。
碳纤维增强复合材料零部件开发通常需要经过材料选型、铺层设计、CAE分析、连接强度分析、失效分析和性能验证的步骤。图1所示车型顶盖横梁部分仿真分析案例。目前国内汽车上应用碳纤维零部件开发经验和流程体系尚未完善，大多仍然是按照金属材质件开发的流程，未能充分发挥出碳纤维材料的优势。通过技术的深入研究和应用经验的积累，碳纤维增强复合材料在汽车构件的应用会实现进一步的减重、降本和性能提升。
3 结论
碳纤维增强复合材料以其优异的综合特性广受车业的青睐，必然会成为轻量化新型材料应用的主流趋势。现阶段碳纤维材料的成本高、工艺复杂、生产效率低，开发经验和能力不足，使其应用受到制约。因此，要推动碳纤维增强复合材料的大范围应用，需要加大研发投入，积累正向集成式的碳纤维设计经验，大力投入材料基础性能研究，结构设计、工艺、生产一体式应用研究。此外，随着碳纤维增强复合材料在乘用车上应用范围的日益扩大，其回收再生技术的壁垒也在被攻坚突破，这将会进一步降低原材料的成本，碳纤维增强复合材料在乘用车上的应用也会迎来更光明的前景。
参考文献：
[1]李红娟. 汽车轻量化进程中碳纤维复合材料（CFRP）技术应用现状[J].时代汽车，2018（6）：21-22.
[2]陈康达， 赵福全， 郝瀚， 等. 碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用现状及发展前景展望[C]. 2018中国汽车工程学会年会论文集; 606-610.
[3]彭孟娜，马建伟. 碳纤维及其在汽车轻量化中的应用[J]. 合成纤维工业，2018（02）：53-56.
[4]张婧，于今，熊磊，等.车用碳纤维复合材料性能及成形工艺[J]. 科技导报， 2016（8）：26-30.
[5]亓淑源. 碳纤维汽车件用RTM快速成形树脂体系及复合材料研制[D]. 北京：北京化工大学，2018.
[6] 冯奇. 碳纤维复合材料汽车翼子板构件的设计及性能分析[J]. 上海塑料， 2019 （4）：58-64.