碳纤维复合材料在新能源汽车轻量化的应用进展

在“碳中和、碳达峰”目标的驱动下，汽车行业正朝着电动化和轻量化方向发展。轻量化是汽车行业节能减排的重要途径，其中碳纤维复合材料是最具发展前途的轻量化替代材料。主要介绍了近年来碳纤维复合材料在新能源汽车的应用及其发展现状，并详细阐述了碳纤维复合材料的优势，同时对碳纤维材料在汽车各部位的轻量化效率进行了深入分析。

碳纤维增强树脂基复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的一种高强度复合材料。其中，碳纤维骨架作为增强相，具有轻质高强､高热导､低热膨胀､耐化学辐射等优良特性，热固性树脂或热塑性树脂作为连续相起到连接的作用。研究表明，相比于传统的金属材料，碳纤维复合材料在密度､强度､韧性等诸多方面具有明显的优势，因而在航空航天､风电领域､体育休闲､汽车工业以及建筑材料领域具有广泛的应用。

随着世界范围内对低碳出行和绿色能源达成的共识，我国也将燃油车的节能减排以及新能源汽车的开发作为降低碳排放､改善全球气候问题的重要举措。其中，轻量化技术是汽车降低油耗､减少排放，以及新能源汽车提升续航里程的最有效途径之一。经统计，汽车质量每减少100kg，可节省燃油0.003~0.005L/km，减少CO2排放0.08~0.11g/km，加速性能提升8%~10%，制动距离缩短2~7m。

目前，城市投入使用的12~16t电动城市客车，其车身每减重100kg，将降低0.55%的能耗，并提升0.55%的续航里程。另外，减少汽车的质量还可以减轻悬挂系统的负担，有效地提高舒适性，进而降低对悬挂系统的要求，减少对整车装备质量需求。虽然碳纤维材料具有较高的轻量化效率，其机械性能和加工性能也完全满足工业化生产的要求，但受制于材料的成本压力，与实现大规模应用还存在一定的距离。

碳纤维复合材料的优势

目前来看，碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）用于汽车轻量化的优势主要体现在以下几个方面：

（1）碳纤维的比重一般为钢材的25%，CFRP的抗拉强度可以达到钢材的7倍以上，抗拉弹性模量也高于钢材。CFRP的比强度可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度大约为60MPa/(g/cm3)，因而其轻量化效果明显。

（2）碳纤维复合材料是通过碳纤维和树脂经过复合工艺制成的一种多组分材料。由于树脂基大多为热固性或热塑性材料，与固化剂作用时可形成三维网络状结构的固体，之后通过纤维缠绕､拉挤成型､树脂传递模塑､真空导入成型､预浸料模压､热压罐工艺等方式一次成型，大大提高了材料的集成度。因此，能够有效减少零部件数量。此外，合成模具可设计性好､造型自由，实现流线型曲面的成本比较低。

（3）碳纤维复合材料振动衰减系数大､吸振能力强，能够达到减少振动､降低噪声的作用，从而增加乘坐的舒适度。其冲击吸收性能是金属的5倍，能够提高碰撞过程人员安全性，减振性能优异。

（4）碳纤维材料的生产过程已经基本实现了高度的机械化。机器人的大量使用确保了整个生产过程的自动化，人工操作的过程仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率､减小制造误差，人力成本也得以大幅降低。另外，碳纤维材料的生产方式采用大量的模压和黏结工艺来代替冲压和焊接，颠覆了传统汽车的生产流程，不仅生产安全性得到提高，而且规模化生产成本也在可接受范围内。

碳纤维复合材料

在燃油车中的应用一台总质量约为1.5t的汽车，其车架质量约为600kg，占整车质量的40%；发动机和传动系统均为100kg左右，占整车质量的8%；内饰､座椅各占5%；其余为各种电器､玻璃､轮毂等装备。为了满足汽车轻量化的需求，现有部分厂商已经开始将碳纤维材料应用于不同部位以实现汽车零部件的有效替代。下面将从车身､发动传动系统､轮毂等方面分别介绍碳纤维材料的应用现状。

碳纤维材料在车身上的应用

作为占据整车质量高达40%以上的主体部件，车身不仅起到支撑整体结构的作用，还要保证行驶的安全性。因此，良好的车身强度和抗扭刚度是车身材料所必须具备的，同时也需要维持舒适的驾驶体验。另外，车门部件还要尽量减少车门下垂形变和永久性形变，A､B､C柱与门槛部位则要保证整体结构的力学性能。保险杠部位要有良好的耐冲击性能。

早在2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑车首次在汽车挡板中采用了CFRP，减重18kg。不久之后，英国的莲花跑车在车身底座中使用一体成型的CFRP材料，成功替代了16个金属组件。到了2011年，兰博基尼推出了Murciélago替代车型，该车采用了全碳纤维复合材料单壳体车身，质量仅为145.5kg。2014年开始，宝马分别在i3和i8的车厢主体的Life模块､第六代7系的部分车身以及全系的A､B､C柱与门槛等部位采用大量的CFRP与钢或铝合金组成混合结构，在实现轻量化的同时又能有效保证车辆整体结构的力学性能。

与此同时，Volvo的Polestar车型的上边梁､奔驰SLR跑车的前纵梁､Alfa Remeo4C的车架结构､引擎盖也均采用了CFRP部件。梅赛德斯-奔驰SLR跑车上由CFRP材料制成的两根纵梁可以彻底吸收正面碰撞时产生的能量，从而保证乘客厢的结构基本不受影响，同时，全部由CFRP材料制成的乘客厢，在发生尾部或侧面撞击时也能为车内乘客提供非常可靠的安全空间。

在国内，北京汽车2016年款新型BJ40的发动机罩盖､车顶盖均采用碳纤维材料，最终减重50%左右。奇瑞汽车的艾瑞泽7的前横梁以及覆盖件､一汽集团的红旗超跑S9的车身也都采用了碳纤维材料。但是在车辆的主体结构方面还大都停留在概念车或新能源车型上。

碳纤维材料在发动机及传动､制动系统上的应用

在车辆的行驶过程中，其发动､传动以及制动系统往往决定了车辆的整体运动性能。传统燃油车的发动机在碳纤维材料的替代方面还停留在试验室阶段，仅有2011年比利时Solvay公司开发的CFRP Polimotor四缸发动机缸体，虽然其尚未应用到成品车中，但也为碳纤维材料的应用提供了新思路。除此之外，仅有部分厂家在发动机的零配件部分使用了一定数量的碳纤维替代材料，如上汽荣威的E50车型的引擎盖和福特部分车型的油箱底壳采用的CFRP复合材料等。

在传动方面，基于碳纤维材料优良的比强度，很多厂家已经开始采用由CFRP材料制造的传动轴。福特的野马载重汽车，采用CFRP可以将原来的2个部件简化合并成1个传动轴，与钢材料相比，减重高达60%~70%；英国GKN技术公司开发的CFRP传动轴，在减重50%~60%的同时，其抗扭强度比钢大10倍，弯曲强度大15倍；奥迪Quattro系列､日本尼桑GTR和Fairladyz车型､阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe车型和Mazda RX-8车型上已大量使用CFRP复合材料制造的传动轴。在实际应用中还发现，将CFRP材料应用到改装车的转动轴上还能够有效降低转动轴的质量，增强车辆的耐久性和抗疲劳性。

有关制动方面的应用主要集中在车辆的制动器。传统的汽车制动器衬片主要由石棉摩擦材料构成，但是这种材料在高温下会出现摩擦性能的“热衰退”现象，存在一定的安全隐患，并且在使用过程中会产生对人体有致癌危害的石棉粉尘，因而替代需求强烈。目前，SGL Carbox AG公司生产的一种车用的碳纤维-陶瓷制动盘装置已经在保时捷918 spider和GTI IS车型中使用，当车速从300km/h降低到50km/h时，制动距离不超过50m。

碳纤维材料在轮毂与内饰上的应用

汽车轮毂是汽车高速运动的主支撑结构件，轮毂的轻量化不仅能提高机动性能，如制动､启动加速､转向等，还能减少响应时间，显著改善车辆的操控性能。

2009年生产的Shelby Ultimate Aero跑车，2012年出厂的保时捷911和2015年初设计的福特新一代野马Shelby GTR均使用碳纤维轮毂，在实现减重50%左右的同时，还能显著改善车辆的操控性能。这是因为随着轮圈的减重，其转动角动量大约降低40%，在一定程度上起到了间接改善汽车的加速和刹车效能的作用。除

此之外，Carbon Revolution公司还为日产的R35 Nissan GT-R跑车量身定制了CFRP全碳纤轮毂，轮毂尺寸为50.80cm×26.67cm，质量为8.84kg，整车综合动力性能有大幅提升。

另外，对于内饰､座椅等装饰方面的材料，由于并非是纯钢材的替代，因而在减重方面的效果并不明显，已知的有ELG公司与CRTC公司合作研制的可回收碳纤维汽车座椅､夹层板，福特研制的由碳纤维和钢制成的座椅框架，一汽红旗超跑S9的部分内饰材料以及北汽绅宝D60的前格栅和尾翼等。其使用目的大多是一种彰显运动与时尚，并作为一种提升车辆科技感的方案。

碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用

现阶段，随着国家对碳排放政策的实施以及能源危机的加剧，新能源汽车逐渐成为汽车销售市场上的主力。由于这些新能源汽车没有燃油发动机，只有电机和电池，因此在材料的选择上会更注重汽车质量的轻质化和生产的便利性，其主要轻量化方向分为整车车架质量以及储能装置两个方向。新能源汽车的质量每减少10%，对应的续航里程大约存在5.5%的提升。碳纤维材料的使用有利于新能源汽车的轻量化，可以有效延长续航里程。

瑞典初创UNITI电动汽车公司新推出的电动车“Smart phone Car”就是一款典型的城市代步新能源车型。该车采用Zolterp X35的CFRP部件制成车身，一次充电可行驶约299km，30min充电即可行驶199km，在实现车身轻量化的同时又不牺牲整车的舒适性､安全性和续航里程。

日本Teijjin公司也设计了一款由CFRP车体结构构成的4座概念车，由于采取CFRP材料制成，车体成型只需1min，且47kg的车体质量仅为同等钢制车体结构的1/5。

韩国现代公司推出的Intrado燃料电池概念车也秉承了轻量化的设计理念，在全车架､引擎盖以及侧板方面均采用CFRP材料制造，相比传统钢板制造的汽车减重高达60%，大大提高了燃油效率，单次补充燃料行驶超过600km，而且由于车身质量较轻，百公里加速时间低于12s，同时兼顾了驾驶乐趣以及车辆的实用性。

国内方面，2016年3月上市的奥新e25新能源车也采用了CFRP车身，其百公里耗能低于10kW·h，续航性能理想。另外，奇瑞也开发了一款CFRP电动车，车身质量仅为218kg，相较金属车身减重达48%，并且在抗冲撞性和操控性上均有提高。

新能源汽车的动力结构主要有燃料电池和储能电池两个大类，其中氢能源车的储氢容器以及电动车的电池包都是质量大户，因而其轻量化方案也大多是基于这两个方向来考虑的。

在燃料电池方面，Quantum公司为铃木燃料电池汽车设计制造了一种容量为160L､工作压力为70MPa的CFRP超轻氢燃料压力容器。该容器能够以最小的体积和质量为燃料电池提供较高密度的能量，且其快速充放以及渗透率等指标均超过业界同行和政府规定的标准。另外，丰田燃料电池汽车Mirai在其燃料电池反应堆框架上首次使用了CFRP材料，并且能够适应大规模生产。

在储能电池方面，2013年左右，沃尔沃基于S80打造出了一种采用新蓄电材料的原型车。该车采用CFRP超级电容器板来替代传统车辆的各个部位，包括车门､车顶､后备箱盖等位置，实现整体减重15%。应用车体､车门､车顶材质还能够靠刹车动能回收系统以及传统的插电方式来充电。沃尔沃宣称：仅靠后备箱盖就有能力为汽车提供足够的能量，且充电时间也比传统电池更加快速，同时，这种蓄电材料在充放电时没有化学反应，因此不会存在蓄电能力下降的问题。

另外，William先进工程公司利用可回收碳纤维（RCF）设计制造出整体式电动车底盘FW-EVX部件，创新性地将电池包､冷却装置及其轻量化底盘完全集成到一个可扩展平台上，甚至还能根据需求将驱动电机的外壳也集成到该平台上。CFRP底盘模压成型的悬挂横梁中80%采用了RCF部件，质量只有锻造合金件的40%。这一集成化设计不仅充分发挥了CFRP部件的设计灵活性，还可以取代其他装置金属壳体，减少质量，使电动汽车更集约化､更强､更轻。