汽车轻量化的碳纤维复合材料应用分析

汽车轻量化的碳纤维复合材料应用分析

韩明轩

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028

摘要：进入21世纪以来，能源危机日趋严重，世界各国的排放法规日益严格，如何在保证安全性和动力性的前提下降低油耗和减少排放是目前汽车工业迫切需要解决的问题。采用各种轻质材料取代金属等传统材料，使汽车轻量化是实现节能减排的重要途径。碳纤维复合材料凭借轻质、高强度、高刚度、抗振性能好、抗疲劳、耐腐蚀等众多优点，越来越受到汽车工业的重视，在汽车中的应用也越来越多。碳纤维及其复合材料是支撑国家高科技产业发展的关键材料，经过40多年的积累与发展，我国碳纤维及其复合材料研发拥有众多突破性进展，但在汽车领域的应用还远落后于航空航天和其他工业领域。因此有必要分析碳纤维复合材料在我国汽车工业应用中存在的问题，提出合理的发展对策，以适应汽车工业对材料发展的迫切需求。基于此，文章对汽车轻量化的碳纤维复合材料应用进行了研究，以供参考。

关键词：汽车轻量化；碳纤维符合材料；应用研究

1碳纤维复合材料的性能特点和使用优势

碳纤维复合材料是由增强材料碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料，其中碳纤维树脂基复合材料（CFRP）的比强度（拉伸强度与密度之比）、比模量（弹性模量与密度之比）综合指标，在现有结构材料中是最高的，也是应用最广的一类复合材料。与金属材料相比，碳纤维复合材料具有许多优良性能，应用于汽车上有明显的优势，主要表现在：1）密度小，强度高，CFRP在常用材料中比强度和比模量最高，用于车身及底盘能在减轻车重的同时不损失强度或刚度，汽车安全系数不降低。2）韧性好，具有良好的抗冲击性和能量吸收能力，用于车身及其结构件具有良好的碰撞安全性。3）阻尼高，抗振性能好，用于车身、传动系统及发动机部件具有良好的减振、隔音效果，提高了乘坐舒适性。4）抗疲劳性能极佳，用于承受疲劳载荷的汽车零部件能有效延长其使用寿命。5）优秀的耐热性、抗腐蚀与抗辐射性能，在电动汽车和其他新能源汽车领域应用具有很强的竞争力。6）成型工艺多，可设计性好，易于实现零部件一体化生产，极大缩短开发周期，节约成本

2汽车轻量化技术的设计原理

2.1汽车轻量化

汽车轻量化为实现汽车减重的目的，采用现代设计的方法，通过开展新材料以及对汽车整体进行优化设计的方法，进而实现减重的目的，通过该方法在一定程度上可实现减重与安全环保为一体的综合目标，为汽车行业的未来发展做出巨大贡献。汽车轻量化技术为满足市场竞争力，将以减轻汽车自身重量为核心目标，同时将以提升汽车的性能要求及成本费用为辅助目标，使其成为汽车行业的唯一选择。实际上汽车轻量化技术将以汽车车身的尺寸以及自身功能作为衡量标准，对于已经满足使用要求的汽车，汽车轻量化的整体设计内容将以减轻汽车自重为整体目标，而针对尚在完善中的汽车，轻量化的整体设计内容将以完善汽车功能为主要发展目标，总之，汽车轻量化的设计将根据汽车的实际情况做出功能改进，实现性能、减轻汽车自重以及控制成本为一体的综合目标。

2.2实现轻量化设计方法

为最大限度地减轻汽车自重，汽车轻量化设计将针对汽车结构采用承载式车身（BIW）的方法，并针对汽车结构实现优化设计，通过现代数值模拟技术减轻汽车内部零件的重量，将汽车内部结构小型化处理，去除冗余结构。汽车轻量化设计的金属材料使用部分将采用高强度钢以及轻质金属，其中高强度钢的使用将在一定程度上减少结构的质量，高强度钢的使用相对于低碳钢在强度上具有一定的优势，可以在保证汽车性能的同时有效控制汽车的自重。而轻质金属材料中密度相对较低的合金材料主要包括铝、镁以及钛合金，由于铝、镁以及钛合金具有一定的特点，因此将作为汽车减重的首选节能材料，其中铝合金具有较好的性能以及回收简便等特点，可以将其应用于压力铸造技术，实现节能减排的目的。镁的密度低于铝合金，是重要的有色金属之一，具有极强的融合能力，可以与其他金属形成高强度的合金，当前镁合金的应用将向着大型集成化方向发展。相对于铝和钢的耐温性来讲，钛合金具有一定的优势，可以在500℃的高温下保证较好的力学性能，强度不输高强度的钢合金，并且具有较强的耐腐蚀性，可以将其应用于较恶劣的环境下进行工作。而汽车轻量化设计的非金属材料使用部分将采用高分子材料以及陶瓷材料和复合材料，将其应用于汽车内部零件之中，具有一定优势。３碳纤维复合材料在汽车中的应用CFRP的应用除了为汽车带来“瘦身”效果而达到节能减排的目的和畅快驾驶操作体验外，还会因其良好的抗震阻尼效果为乘坐者带来更佳的舒适度。CFRP的抗疲劳性能优异且发生破坏是过程性的碎裂，在破坏的过程中会吸收大量的能量，最后变成碎片，与金属材料相比其在汽车上的应用具有更高安全性。CFRP外观的线条和光泽感与耐腐蚀的特性可免去喷漆的过程，直接在汽车外围和内饰件中应用更能凸显高端的效果。正因如此，由碳纤维打造的汽车得到消费者的追捧，CFRP也受到了许多汽车厂商的青睐，如今奔驰、宝马、奥迪等品牌汽车厂商也都开始采用CFRP生产自己品牌的碳纤维汽车，并取得了显著的轻量化效果。其中全新BMW7系最大减重达130kg，成为大型豪华汽车市场轻量化结构的先行者。

3.1在车身及覆盖件中的应用

碳纤维在汽车轻量化的应用上已然成为界内的焦点材料，在汽车的车身及覆盖件、底盘系统、轮毂、发动机零部件、板簧、座椅和内饰上有着广泛的应用。车身是碳纤维在汽车上使用做多的部位，如引擎盖、车顶、车门、保险杠等部位经常会用到碳纤维复合材料。主要因为CFRP比强度高，具有出色的力学性能，抗冲击性能与能量吸收性能好，可实现汽车减重的同时有效地保护好乘车者的安全。通用汽车公司推出的雪佛兰“子弹头”在车身、车门、翼子板等覆盖件处都有应用碳纤维复合材料。

3.2在制动系统中的应用

传统的汽车刹车片由石棉网制造，连续使用的情况下会出现“热衰退”现象，由于碳纤维具有出色的耐高温性能和优异的耐摩擦性能，使用性能更加稳定、无污染气体和寿命长，目前许多赛车和高端车型已经在使用碳纤维刹车片。西格里公司生产的碳纤维制动盘装置的制动稳定性极佳，已应用在ＰｏｒｓｃｈｅＡＧ、９１１ＴｕｒｂｏＧＴ和ＧＴＩＩＳ等车型。随着碳纤维复合材料价格逐年降低和汽车车速的提升，由碳纤维制造的高性能刹车片会得到广泛的应用。

3.3在轮毂上的应用

轮毂是汽车的重要部位，不但要承受车身质量还承担传动和导向功能。用碳纤维制造的轮毂能在满足轮毂所需刚度和强度的同时，获得良好的抗冲击性能和减震性能、改善汽车加减速性能，有助于减少转动惯量。澳大利亚ＣａｒｂｏｎＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎ公司开发的碳纤维轮毂较铝合金轮毂轻４０％～５０％，在ＳｈｅｌｂｙＵｌｔｉｍａｔｅＡｅｒｏ跑车得到首次应用后又在保时捷９１１车型上得到使用。美国福特野马ＳｈｅｌｂｙＧＴ３５０Ｒ汽车也在2015年使用了碳纤维轮毂，并在轮毂上成功减重21.24kg。英国Ｋａｈｍ公司为ＲＸ－Ｘ型汽车打造的专用碳纤维轮毂质量仅为６kg；瑞典柯尼塞格公司的ＡｇｅｒａＲ型跑车搭载的世界上第一个中空、一片式碳纤维轮毂，在保证了力学性能的同时使簧下质量减轻约20kg。宝马公司生产的全碳纤维汽车轮毂比锻造合金制造的轮毂要轻３５％左右。

3.4传动轴应用

碳纤维增强复合材料所具备的各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，在传动轴产品上得以充分发挥。与普通钢材相比，质量可以减轻一半以上；在同等重量和直径的条件下，扭矩力可以达到钢材的170%以上；另外，碳纤维传动轴在有效降低传动轴重量的情况下，将拥有更好的耐疲劳性和耐久性。BMW是碳纤维车辆零部件的坚定支持者和引领者，不同于科尼塞克等高端跑车，BMW已经降低了碳纤维零部件的准入门槛。新一代7系轿车，M4跑车以及i3，i8跑车就大量使用了碳纤维技术。新7系CarbonCore高强度碳纤维内核车身在车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑起到控制体重关键的作用，使得全新730Li领先型车重只有1830kg；i3跑车则采用了纯碳纤维座舱设计，该座舱是宝马与德国SGL碳纤维公司合资建立全新工厂，以高度自动化方式生产的；宝马致力于将碳纤维在车身上比例再进一步提高，比如全碳纤维方向盘以及像是新款M3/M4所使用的碳纤维传动轴；进一步，宝马已经完成了碳纤维轮圈的制造布局，预计在若干年内这些碳纤维轮圈就会出现在市场上。宝马制成的碳纤维轮圈将比锻造铝圈轻35%，这将使车身重量大幅减少。

4废旧碳纤维复合材料回收技术

随着碳纤维复合材料的广泛应用，大量的碳纤维废料将成为无法攻克的难题，因此应针对碳纤维废料的问题采用物理、热解、化学溶剂三大回收方法对其加以处理。

4.1物理回收法

物理回收法的实现流程主要通过机械的方法，将金属件进行粉碎并掩埋处理，最终以粉末的形态用于水泥原料，除此之外，还可以将其应用于非结构件聚合物的填充料。目前，该方法在技术上较为成熟，但该技术对于能量的消耗过高，回收后的废料利用率较低，对于设备的损害较大，成本较高。

4.2热解回收法

在正常状态下，碳纤维复合材料中的树脂不能自动分解，通过热解回收的方法可以实现分离的目的，其原理是将碳纤维复合材料置于高温和无氧环境下，使碳纤维复合材料中的树脂以小链分子的形式析出，从而将碳纤维从碳纤维复合材料中分离，该方法可以最大限度地保留纤维的拉伸强度。

4.3化学溶剂回收法

相对于物理回收法和热解回收法来讲，化学溶剂回收法具有较大优势，通过化学溶剂将碳纤维复合材料中聚合物的交联结构溶解为低分子聚合物，实现分离的目的，该方法具有较强的灵活性，可以根据复合材料结构的不同，进而选择不同的化学溶剂，并且可以使碳纤维复合材料最大限度的回收，且不破坏碳纤维复合材料自身的性能。

5促进碳纤维复合材料在汽车上广泛应用的对策

碳纤维复合材料应用于汽车工业的前景十分广阔，为促进其在我国汽车工业的广泛应用，提出以下发展建议。首先，以提高碳纤维原丝质量、降低价格为目标，集中科研力量进行技术和质量攻关，在引进消化吸收国外先进技术的同时，强化碳纤维的自主研发能力，克服壁垒，努力将碳纤维价格由14~30美元/kg降到10美元/kg左右，为制造高性能低成本的碳纤维复合材料提供原料支持。其次，建立以科研院所技术力量为支持、企业积极参与的碳纤维和树脂基体研发基地，根据市场需求进行品种开发，形成碳纤维和树脂基体的产品系列，扩大生产规模，与车用碳纤维复合材料制造形成产业链，以满足汽车工业大规模的产品需要。第三，低成本的核心是低成本的制造技术，要加快发展高效低成本的碳纤维复合材料整体化成型技术，包括RTM及高压RTM、罐外热压成型、拉挤成型、纤维缠绕成型等；同时大力发展碳纤维复合材料机械化及自动化制造技术，对相关设备进行更新改造和引进，形成规模化生产能力，以满足汽车工业低成本的生产要求。第四，加强碳纤维复合材料设计领域的技术建设，学习和借鉴国外先进的设计经验，研究车用碳纤维复合材料结构优化设计的新概念、新方法，发展或引进相关的设计分析软件，建立碳纤维复合材料性能数据库，建立和完善相关的设计标准和规范，发展将先进的计算机模拟方法与数据库技术相结合的智能化设计和验证系统，为碳纤维复合材料在汽车上的应用提供技术支撑。第五，扩大对碳纤维复合材料的投入领域，碳纤维及其复合材料是多学科和多技术集成的高新技术产品，开发其在汽车工业的应用需要汽车工业和材料工业共同的合作与投入。鉴于碳纤维复合材料的优良性能，今后在汽车工业的应用必将持续增长，国家要发挥总体规划领导和集中调控作用，建立科研机构、原材料制造商、成型加工商、最终产品制造商的协作，共同推进碳纤维复合材料在汽车工业的应用。

结束语

综上所述，汽车领域正在向着轻量化不断发展，而碳纤维复合材料凭借着自身优势成为汽车制造工业中的主要材料，逐步取代高强度钢以及铝合金在汽车制造工业中应用，随着新技术以及新材料的不断引进，碳纤维复合材料的应用将会十分广泛，通过回收环节可将碳纤维复合材料的作用发挥到极致，取代以往钢材的使用范围面，与之相媲美，具有较大的市场空间，但碳纤维复合材料的价格以及废料处理方面仍存在多种问题急需解决，实现低成本高品质的碳纤维复合材料将会是未来发展的核心，完善的碳纤维复合材料成型技术以及回收处理环节，将为汽车制造工业轻量化发展提供有力依据。

参考文献

[1]叶辉,刘畅,闫康康.纤维增强复合材料在汽车覆盖件中的应用[J].吉林大学学报(工学版),2020(02):417-425.

[2]陈天武,黄昌文,黄乔.轻量化技术背景下汽车板簧发展趋势浅析[J].锻压装备与制造技术.2019(04):91-93.

[3]王帅.汽车轻量化现状和发展趋势分析[J].汽车实用技术,2019(11):242-245.

[4]杨孟欣,张亚松,孙鹏博,等.汽车轻量化的研究与实现途径[J].时代汽车,2019(08):37-38.

[5]王帅,孙洋.新能源汽车轻量化技术路线和应用策略[J].汽车实用技术,2019(10):38-40,57

[6]宋燕利，杨龙，等.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键金属[J].材料导报A：综述篇，2016（9）：16-23.