方鯤 孟秀青 王建軍 高國(guó)強(qiáng) 尹光虎 李曉科 李玫

先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）研究和應(yīng)用己經(jīng)成為汽車輕量化的一種重要技術(shù)途徑。在保證汽車安全性能不降低的前提下盡可能地減輕整車質(zhì)量，從而可提高汽車的動(dòng)力性、降低燃料消耗、減少二氧化碳（CO2）排放。

1 材料的特性

CFRP是由作為增強(qiáng)材料的碳纖維（CF）和基體樹(shù)脂（Resin）組成，早期主要應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域。隨著碳纖維（CF）生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步、性能的不斷提高，以及加工技術(shù)的不斷提高，CFRP成本下降，因此被越來(lái)越多應(yīng)用到汽車、工業(yè)、體育等領(lǐng)域。CFRP具有比強(qiáng)度高、比模量高、質(zhì)量輕、抗疲勞性好、膨脹率小和減振性優(yōu)等優(yōu)越綜合性能，因此得到汽車廠家的廣泛關(guān)注與應(yīng)用。

1.1 質(zhì)輕高強(qiáng)

由于使用CFRP在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)也可使汽車功率需求更小，進(jìn)而采用更小的驅(qū)動(dòng)引擎和懸掛裝置。通過(guò)減少動(dòng)能而減少汽車沖擊危險(xiǎn)，這種螺旋式的結(jié)果將使汽車車身質(zhì)量進(jìn)一步減輕，因此用CFRP部件替換原來(lái)的傳統(tǒng)金屬材料部件則其輕量化效果更加明顯。

1.2 設(shè)計(jì)靈活

通過(guò)采用CFRP和部件的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）結(jié)構(gòu)優(yōu)化則可以根據(jù)不同的汽車結(jié)構(gòu)和用途要求靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工成型。根據(jù)實(shí)際受力情況，通過(guò)調(diào)整纖維的結(jié)構(gòu)及排列制成各向異性和不同厚度的CFRP部件，且可以應(yīng)用三明治夾層結(jié)構(gòu)來(lái)提高整體剛性以達(dá)到最佳輕量化的設(shè)計(jì)方案之一。

將CF按照受力方向進(jìn)行排布，可充分發(fā)揮CFRP強(qiáng)度的各向異性，從而達(dá)到節(jié)約材料和減輕質(zhì)量的目的。對(duì)于有耐腐蝕性能要求的CFRP部件，設(shè)計(jì)時(shí)可選用耐腐蝕性能好的Resin，而對(duì)于其他性能要求，如介電性能、耐熱性能等都可通過(guò)選擇合適的原材料來(lái)滿足。

此外，為使CFRP產(chǎn)品成本達(dá)到最優(yōu)化程度可適當(dāng)選用低成本材料替換，如不同纖維混合鋪層，可在滿足輕量化的性能指標(biāo)前提下同時(shí)節(jié)省CFRP材料和加工成本。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種發(fā)展趨勢(shì)。由于CFRP在加工成型時(shí)有極好的流動(dòng)性，易于制成各種局部不同強(qiáng)度和形狀曲面的一體化成型，不但減少了零部件數(shù)量，降低裝配成本和模具費(fèi)用，也可以使汽車外形氣動(dòng)性能更優(yōu)、外觀更美。通過(guò)合理的CFRP部件模具設(shè)計(jì)，可以把局部不同厚度的零件、凸起部、筋、棱、空等一次性整體化成型，適合于制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，而鋼制薄板難于制造、難于保證精度的輕量化部件。如蓮花跑車以整車使用CFRP部件為目標(biāo)，將車身零件輕量化、模塊化、一體化，不僅減輕了車身質(zhì)量，也同時(shí)使得部件的剛度、強(qiáng)度大大增加，提高了整車性能（圖1）。

1.4 吸能性和減震性

CFRP具備優(yōu)越的耐沖擊性和吸能減震性，同時(shí)還具有粘彈性，且比金屬材料更易吸收沖擊能量。受力結(jié)構(gòu)CFRP部件的自震頻率除與形狀有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根成正比。CFRP由于有較高的自震頻率，界面有較大的吸收震動(dòng)能量的能力，致使材料的震動(dòng)阻尼系數(shù)較高，因此在車輛受沖擊時(shí)能夠吸收大量的沖擊能量，則有利于提高人身的安全性。

1.5 耐腐蝕性和耐候性

汽車上的零部件都要承受機(jī)油、汽油、汽車傳動(dòng)液等化學(xué)制劑的腐蝕，以及高溫、嚴(yán)寒、鹽霧等惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)金屬材料難以保證不同環(huán)境下的質(zhì)量一致性及使用壽命。CFRP制品一般不存在生銹和腐蝕問(wèn)題，具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能，也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑因此是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的汽車部件具有較長(zhǎng)的使用壽命和極低的維修費(fèi)用。

2 新應(yīng)用

2.1 混合纖維（CF/GF）增強(qiáng)

CF的強(qiáng)度是玻纖（GF）的2倍，質(zhì)量比GF輕30%。美國(guó)Quantum復(fù)合材料技術(shù)公司研究開(kāi)發(fā)了最新混合纖維（CF/GF）的AMC—8590材料，該材料是一種低密度乙烯基酯模塑料（SMC），它是由一定配比的短切碳纖維（SCF）和玻璃纖維（SGF）混合制成SMC，具有優(yōu)越的高強(qiáng)度、抗疲勞性和耐熱性，應(yīng)用該材料制成的汽車部件可以達(dá)到高強(qiáng)質(zhì)輕、高性能化的CFRP部件，但只需要高性能GF的成本。還可以根據(jù)不同零部件結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求，對(duì)CF/GF配比進(jìn)行調(diào)整可以達(dá)到技術(shù)性能和成本控制的最優(yōu)化，則是替代傳統(tǒng)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料（GF/SMC）和金屬的汽車輕量化材料理想選擇。

2.1.1 在跑車上的輕量化應(yīng)用

美國(guó)GE公司道奇·蝰蛇跑車上所有用AMC—8590和AMC—8595料的部件都是由Meridian Auoto moive System公司模壓而成碳纖維模塑料（CF/SMC），固化溫度是145～155℃，固化時(shí)間為1～3min，持續(xù)均勻的沖壓對(duì)模壓件的性能至關(guān)重要（圖2）。

通過(guò)模壓使CF性能轉(zhuǎn)移成更薄更輕的CF/SMC結(jié)構(gòu)件，性能如表1和表2。

2.1.2 在車門開(kāi)發(fā)上的輕量化應(yīng)用

車門部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中最突出的問(wèn)題就是車門下垂的形變和永久性變形。由于承受一定荷載車門的下垂變形是車體可開(kāi)起部件中變形最大的部位，而且下垂變形一旦發(fā)生，及時(shí)去除荷載也會(huì)產(chǎn)生不可逆的永久性變形。新的車門設(shè)計(jì)方案是將CF/SMC和GF/SMC復(fù)合材料同時(shí)用于車門結(jié)構(gòu)和內(nèi)外飾以降低車門自重荷載，改善車門部件的性能。

車門部件的設(shè)計(jì)要求充分利用輕量化CF/SMC和GF/SMC2種不同材料的特性和優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)力集中的部位以最低的成本使其剛性最大化。在門的前部（20%）全部采用輕量化C F / S M C，車門尾部（80%）采用低密度輕量化G F / S M C使車門以最低的成本實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

2.2 在汽車輪轂上的輕量化應(yīng)用

汽車輪轂是高速運(yùn)動(dòng)的主承力結(jié)構(gòu)件。和車身相比輕量化效益更為突出。同時(shí)車輪輪轂的輕量化還可以提升汽車機(jī)動(dòng)性能，如制動(dòng)、啟動(dòng)加速轉(zhuǎn)向等性能，減少響應(yīng)時(shí)間。從整車角度綜合考慮，這些性能的改善將是汽車綜合效能明顯提升，因此汽車輪轂的輕量化成為了各類追求卓越性能汽車廠家的重要表現(xiàn)之一。

眾所周知，四輪全地形通常車行駛于沙灘、河床、林道、溪流以及惡劣的沙漠地形。為防止車輪被巖石、泥沙所損壞，就要求車輪轂要有優(yōu)越的抗沖擊強(qiáng)度，以及耐溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性能（圖3）。美國(guó)RTP公司為Hiper技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)纖維改性（PA6/66模塑料）所制成的圈地車輪轂，經(jīng)過(guò)7次7.3m高空墜落混凝土地面試驗(yàn)測(cè)試（圖4）。

為了把運(yùn)動(dòng)型跑車的性能提高到極限，Carbon Revolution公司為日產(chǎn)的R35 Nissan GT—R跑車量身定制了CFRP全碳纖輪轂，輪轂尺寸20英寸×10.5英寸重8.84kg，整車綜合動(dòng)力性能有大幅的提升（圖5）。

2.3 車輛主體結(jié)構(gòu)上的輕量化應(yīng)用

韓國(guó)現(xiàn)代汽車和英國(guó)采用真空灌注工藝（RTM）聯(lián)合研制的CFRP超輕汽車懸架組件。該組件具有鋼的剛性，同時(shí)質(zhì)量卻比鋼組件減少70%。為了減低車身質(zhì)量和追求運(yùn)動(dòng)跑車極限性能，Alfa Romeo 4C在車架結(jié)構(gòu)、引擎蓋全部采用了CFRP部件（圖6）。

日產(chǎn)公司還用CFRP于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管生產(chǎn)，具有耐熱性好、耐沖擊性好，可以減少加速時(shí)不必要的熱氣湍流，不僅噪音低，而且動(dòng)力更穩(wěn)定澎湃（圖7）。

西格里（SGL）與寶馬（BMW）合作實(shí)現(xiàn)了汽車結(jié)構(gòu)用CFRP部件的量產(chǎn)，BMW i7車身結(jié)構(gòu)同時(shí)采用了高強(qiáng)鋼、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料（黑色部分為CFRP材料）。此后又推出了整體車架全部采用CFRP部件的電動(dòng)汽車BMW i3和高性能電動(dòng)跑車BMW i8（圖8）。

BMW i3的上市實(shí)現(xiàn)了汽車應(yīng)用CFRP部件大規(guī)模量產(chǎn)的歷史性突破，同時(shí)也是電動(dòng)汽車生產(chǎn)技術(shù)飛躍。整車質(zhì)量1 224kg，0～100km加速7s，售價(jià)只有不到50 000美金，這是輕量化、高性能化CFRP部件規(guī)?；a(chǎn)和成本優(yōu)化的典范之一。

2.4 可回RCF在汽車輕量化的應(yīng)用

英國(guó)著名的RCF加工企業(yè)ELG公司聯(lián)合伯明翰大學(xué)、胡德菲爾德大學(xué)應(yīng)用可回收CF為阿爾斯通公司成功開(kāi)發(fā)了軌道機(jī)車的轉(zhuǎn)向架（圖9），在為客戶提供低成本轉(zhuǎn)向架輕量化解決方案的同時(shí)，也解決了RCF的應(yīng)用問(wèn)題，這是CFRP部件產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色的良性循環(huán)。

CFRP和部件應(yīng)用成了汽車輕量化的主要發(fā)展方向之一，但是一直受制于成本等因素尚未能在汽車展開(kāi)大規(guī)模的應(yīng)用。CFRP部件的再生和RCF再利用成為業(yè)界期盼的一種低成本解決方案。作為占據(jù)世界市場(chǎng)40%的東麗公司與豐田汽車下屬的豐田通商株式會(huì)社合作共同推出節(jié)能低成本的CFRP部件回收再生技術(shù)，從而拓展汽車應(yīng)用領(lǐng)域。Gordon Murray利用RCF設(shè)計(jì)生產(chǎn)的iStream全碳纖維車架（CFRP部件），充分利用RCF低成本優(yōu)勢(shì)和CFRP優(yōu)質(zhì)特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)化（圖10）。ELG公司與中國(guó)奇瑞汽車公司簽訂了利用RCF用于制造低成本的汽車輕量化部件。圖11是ELG公司與CRTC公司利用RCF聯(lián)合研制的CFRP汽車座椅部件。

據(jù)歐洲知名咨詢公司SAMR esearch預(yù)測(cè)，全球CF需求量到2020年將超過(guò)16萬(wàn)t，其中汽車輕量化部件領(lǐng)域?qū)⒊蔀樵鲩L(zhǎng)最快和需求最旺盛的領(lǐng)域之一。因此充分的經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)業(yè)鏈安全、環(huán)境保護(hù)等方面的動(dòng)因去推動(dòng)RCF在汽車鄰域的輕量化應(yīng)用。RCF在企業(yè)行業(yè)的推廣和應(yīng)用的意義不僅僅在于降低生產(chǎn)成本，而且在于使CFRP部件的加工回收再利用和形成低成本的綠色良性循環(huán)（圖12）。

2.5 在新能汽車上的輕量化應(yīng)用

瑞典初創(chuàng)UNITI電動(dòng)汽車公司新推出的電動(dòng)車“Smartphone Car”，該車采用22kWh電池，一次充電可行駛186英里，30min充電可以行駛124英里，2座版預(yù)售價(jià)格17 500美元。為了使車身輕量化，且又不犧牲整車的舒適性和安全性，車身采用ZOLTEK PX35的CFRP部件制成（圖13）。

日本Teijin公司生產(chǎn)的CFRTP車體結(jié)構(gòu)4座概念車，車體成型只需1min，47kg質(zhì)量?jī)H為同樣鋼制車體結(jié)構(gòu)的1/5，這項(xiàng)技術(shù)代表了CFRTP部件生產(chǎn)的最新技術(shù)（圖14）。

Teijin公司開(kāi)發(fā)了一種熱塑性樹(shù)脂，在加熱時(shí)迅速軟化，冷卻室又可以快速硬化而又不影響所要求的技術(shù)性能。這一技術(shù)不僅適合熱塑性復(fù)合材料（TPC）的規(guī)?；a(chǎn)，而且部件還可以在回收循環(huán)利用，將該項(xiàng)技術(shù)命名為“Sereebo”纖維加工技術(shù)的革命和進(jìn)化（圖15）。

Quantum公司為鈴木燃料電池汽車設(shè)計(jì)制造的CFRP超輕氫燃料壓力容器，設(shè)計(jì)容量160L，工作壓力70MPa。Quantum超輕碳纖維容器能以最小的體積和質(zhì)量為燃料電池提供更高密度的能量。該容器采用高分子材料內(nèi)膽和CFRTP連續(xù)纏繞增強(qiáng)工藝，檢測(cè)性如快速?zèng)_放以及低滲透率等指標(biāo)超過(guò)業(yè)界同行和政府的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（圖16）。

William 先進(jìn)工程公司利用可回收碳纖維（RCF）設(shè)計(jì)制造的整體式電動(dòng)車底盤FW—EVX部件，該底盤平臺(tái)的創(chuàng)新之處在于把電池包、冷卻裝置及其輕量化底盤完全集成到了可擴(kuò)展的平臺(tái)上，如果需要也可以將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外殼集成到平臺(tái)上。該CFRP底盤模壓成型懸掛橫臂，80%采用了可回收碳纖維（RCF）部件，質(zhì)量只有鍛造和金件的40%。這一集成化設(shè)計(jì)不僅充分發(fā)揮了CFRP部件的設(shè)計(jì)靈活性，更能夠減少其他裝置金屬殼體的質(zhì)量，使電動(dòng)汽車更集約化、更強(qiáng)、更輕（圖17）。

3 新工藝、新裝備的輕量化應(yīng)用

采用德國(guó)KM公司最選進(jìn)的FiberForm加工成形技術(shù)是添加連續(xù)纖維（3D纖維編織布）用于增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（TPC）的力學(xué)性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)—功能—工藝”一體化的設(shè)計(jì)與制造，使制品性價(jià)比達(dá)到最優(yōu)化，同時(shí)滿足安全性、功能性、綠色環(huán)保和循回再使用，具有較高科技創(chuàng)新水平和廣泛市場(chǎng)應(yīng)同前景。

作為電動(dòng)汽車核心部件之一的PACK電池包（箱）主耍由電芯與控制系統(tǒng)集成組成，包括上蓋板和下箱體組成，它既是一個(gè)結(jié)構(gòu)件，又是一個(gè)功能件，其內(nèi)部與外觀設(shè)計(jì)與選擇材料對(duì)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)的要求十分高，同時(shí)滿足“輕量化新材料”“輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”和“輕量化加工成形”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和低成本化的耍求，這是業(yè)界面臨的一個(gè)共同難點(diǎn)。

Fiber Form是一種數(shù)字化智能制造新工藝技術(shù)，結(jié)合2種傳統(tǒng)熱成形工藝：精密注塑和模壓制備CFRTP車載新型動(dòng)力PACK電池包（箱），從而使該產(chǎn)品具有突出的抗沖擊性能與輕量化特點(diǎn)。新型PACK電池包（箱）具有顯著特點(diǎn)：生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、加工快速、使用壽命長(zhǎng)、比重低、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮低、強(qiáng)度高、高低溫的抗沖擊性好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學(xué)溶劑腐蝕等顯著性能，制品屬于輕量化設(shè)計(jì)與高性能化、低成本化、數(shù)字化智能制造，完全可回收使用的綠色環(huán)保產(chǎn)品，特別在需要使用輕量化材料和零部件的新能源汽車部件的生產(chǎn)制造領(lǐng)域具有廣泛的工程應(yīng)用前景，符合國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)與節(jié)能減排、循環(huán)使用與綠色環(huán)保的耍求（圖18）。

4 結(jié)語(yǔ)

CFRP以其優(yōu)異獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢(shì)被廣泛認(rèn)為是汽車輕量化的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，然而產(chǎn)業(yè)推廣也面臨一些亟待解決的問(wèn)題，如成本和效率的匹配問(wèn)題，缺乏大批量、高生產(chǎn)效率的CFRP汽車零部件的生產(chǎn)方法；需耍加快研究和發(fā)展能夠多種形狀和性能不同的CFRP部件加工方法；缺乏CFRP快速、大批量的低成本生產(chǎn)技術(shù)和連接技術(shù)；CFRP部件的回收再利用問(wèn)題；CFRP部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。但由于環(huán)保和節(jié)能減排的需要，輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流。

全球汽車產(chǎn)業(yè)鏈和CFRP產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)都在探索研究低成本、高效化的CFRP汽車部件加工制造技術(shù)。鑒于CFRP在整車輕量化應(yīng)用的廣闊前景，國(guó)內(nèi)汽車廠商和汽車零部件制造企業(yè)應(yīng)走自主研發(fā)和協(xié)同創(chuàng)新之路，為今后包括RCF應(yīng)用在內(nèi)的輕量化CFRP部件應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

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