1、概述
汽車工業(yè)的快速發(fā)展，給人們帶來(lái)交通便利的同時(shí)，也面臨著環(huán)境污染和能源緊缺等問(wèn)題，為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，使汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要研究課題。研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放可減少約10克/公里。因此，汽車輕量化是節(jié)能減排的重要手段，在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降放排氣污染。目前汽車輕量化主要有2種途徑，一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提供對(duì)車身的結(jié)構(gòu)及骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，以達(dá)到減重目的。二是通過(guò)輕質(zhì)高強(qiáng)材料替換傳統(tǒng)材料，從而達(dá)到減重目標(biāo)。自從1953年世界上第一臺(tái)FRP汽車-GM
Corvette制造成功以后，隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料作為汽車輕量化中應(yīng)用得到了快速發(fā)展，歐美日等汽車發(fā)達(dá)國(guó)家，都已在汽車中大量采用復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料也在逐步進(jìn)入汽車領(lǐng)域，必將成為汽車復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)。
2、碳纖維復(fù)合材料特點(diǎn)
（1）比強(qiáng)度、比模量高，與傳統(tǒng)金屬材料比，碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度、模量相差不多，但碳纖維復(fù)合材料的密度比金屬材料低得多，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度是傳統(tǒng)金屬材料的2.4~5.8倍，比模量也達(dá)到1.6倍以上（見(jiàn)表1），所以它能夠以同樣的單位質(zhì)量獲得更高的承載能力，或者說(shuō)以較小的質(zhì)量達(dá)到同樣的承載能力。

注：碳纖維復(fù)合材料數(shù)據(jù)為上海耀華大中公司采用T300碳纖維200g/m2平紋布和環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)真空導(dǎo)入工藝制作的試樣測(cè)試的數(shù)據(jù)，金屬材料為銷售商提供的數(shù)據(jù)。
（2）抗疲勞性能好，在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，而疲勞破壞就是裂紋不斷擴(kuò)展所產(chǎn)生的突然斷裂。碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%～50%，而碳纖維復(fù)合材料則可達(dá)到70%～80%左右。
（3）破損安全性高，碳纖維復(fù)合材料破壞不像傳統(tǒng)材料那樣突然發(fā)生，而是經(jīng)過(guò)基體損傷、開(kāi)裂、界面脫粘、碳纖維斷裂等一系列過(guò)程，而當(dāng)少數(shù)纖維斷裂時(shí)，載荷又會(huì)通過(guò)基體傳遞重新分布到其他纖維，其過(guò)程是一個(gè)不斷吸收能量的過(guò)程，提高了破損的安全性。
（4）減震性好，受力結(jié)構(gòu)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，所以碳纖維復(fù)合材料有較高的自震頻率。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料的界面有較大的吸收震動(dòng)能量的能力，致使材料的震動(dòng)阻尼較高。
（5）各向異性，碳纖維復(fù)合材料有著復(fù)合材料的共同特點(diǎn)，能根據(jù)產(chǎn)品的受力情況合理布置碳纖維分布，實(shí)現(xiàn)各方向具有不同的力學(xué)性能，充分利用材料。
（6）易于成型，復(fù)合材料可以成型各種復(fù)雜形狀。
（7）耐腐蝕性好，碳纖維復(fù)合材料基體樹(shù)脂具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能，不會(huì)像金屬材料那樣容易生銹。
3、碳纖維復(fù)合材料零部件開(kāi)發(fā)情況
碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度。是汽車輕量化最理想的材料。在發(fā)達(dá)國(guó)家，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，寶馬I3電動(dòng)車車身（見(jiàn)圖1）可以說(shuō)是碳纖維復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用的最為成功的案例，是碳纖維應(yīng)用到汽車大型結(jié)構(gòu)件的一個(gè)重要的里程碑。碳纖維復(fù)合材料在寶馬I3電動(dòng)車上成功的應(yīng)用得益于寶馬突破了2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是寶馬公司和SGL通過(guò)十多年的研究和試制，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了用于汽車的碳纖維和碳纖維布，大大地降低了碳纖維的成本，二是他們開(kāi)發(fā)的新的樹(shù)脂體系以及高壓RTM成型工藝，提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。滿足了汽車批量生產(chǎn)的要求。碳纖維復(fù)合材料在i3上的應(yīng)用也使汽車的設(shè)計(jì)理念發(fā)生了改變，I3采用了“LifeDrive”模塊架構(gòu)，它由“Life”和“Drive”兩個(gè)獨(dú)立的模塊組成，life模塊與drive模塊的拼合，就像拼積木一樣簡(jiǎn)單。這將為今后的汽車設(shè)計(jì)帶來(lái)一場(chǎng)重要變革。

圖1 寶馬I3電動(dòng)汽車及碳纖維車身
東麗與豐田合作開(kāi)發(fā)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)制造了燃料電池反應(yīng)堆框架，應(yīng)用于豐田燃料電池汽車Mirai中，碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有成型時(shí)間短的特點(diǎn)，與熱固性相比，生產(chǎn)效率更高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，這也是世界上第一次CFRTP用于汽車結(jié)構(gòu)件而大批量生產(chǎn)的汽車（見(jiàn)圖2）。

圖2 碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料反應(yīng)堆框架
大眾、奔馳、PSA等多家集團(tuán)公司也都在開(kāi)發(fā)汽車用碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)用于車身、輪轂、座椅、氫氣瓶、前艙蓋、底盤結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)軸等部件。碳纖維在不久的將來(lái)必將成為汽車輕量化的主流材料。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件應(yīng)用相對(duì)比較落后，目前正處在研究開(kāi)發(fā)階段，有部分企業(yè)研究并開(kāi)發(fā)了一些碳纖維產(chǎn)品。上海耀華大中新材料有限公司在上海汽車集團(tuán)乘用車公司牽頭下，與交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)合作共同開(kāi)發(fā)了碳纖維復(fù)合材料后尾門、電池盒上蓋、前保險(xiǎn)杠、翼子板。這幾種產(chǎn)品屬于研制產(chǎn)品，不是批量產(chǎn)品，為了節(jié)約成本，均采用了真空導(dǎo)入工藝進(jìn)行制作。后尾門有尾門內(nèi)板、擾流板、下飾板三個(gè)零件，分別成型后進(jìn)行粘接而成，與SMC模壓相比，減重36.03%（見(jiàn)圖3）；前防撞梁采用了三明治結(jié)構(gòu)，外部采用碳纖維復(fù)合材料，內(nèi)部采用泡沫芯材，防止失穩(wěn)破壞，與鋁合金擠壓成型的前防撞梁相比，減重25%（見(jiàn)圖5）；翼子板與鋼板冷沖壓相比，減重38.71%（見(jiàn)圖6）；電池盒上蓋SMC模壓相比，減重達(dá)44%（見(jiàn)圖7）。

奇瑞汽車股份有限公司與中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開(kāi)發(fā)的碳纖維汽車車身，這是一款插電式混合動(dòng)力汽車。碳纖維復(fù)合材料218Kg，相對(duì)于金屬車身418Kg碳纖維車身減重200Kg,，減重48%（本組數(shù)據(jù)來(lái)源于2014年上海工博會(huì)）。
4、我國(guó)開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件面臨的問(wèn)題
碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，輕量化領(lǐng)域尤其是航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也是汽車輕量化最為理想的材料。但要在汽車上大批量應(yīng)用，還需解決下面各方面問(wèn)題：
（1）成本高，是制約碳纖維復(fù)合材料在汽車中批量應(yīng)用的一個(gè)重要因素，
碳纖維復(fù)合材料成本高主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)成本較高。二是碳纖維復(fù)合材料的原材料成本較高，主要是碳纖維價(jià)格太高，目前市場(chǎng)每公斤價(jià)格在120元人民幣以上，是玻璃纖維價(jià)格10倍以上。另外與碳纖維配套的樹(shù)脂體系主要是環(huán)氧類樹(shù)脂，價(jià)格也較高。因此，要想使碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中大量應(yīng)用必須首先要降低碳纖維的生產(chǎn)成本，通過(guò)改進(jìn)原絲生產(chǎn)工藝，降低原絲成本；發(fā)展新的預(yù)氧化、碳化和石墨化技術(shù)，縮短預(yù)氧化時(shí)間，降低碳化、石墨化成本，從而達(dá)到降低碳纖維成本的目的。其次要加強(qiáng)碳纖維表面處理技術(shù)的研究，以及與碳纖維配套的樹(shù)脂體系研究，拓展碳纖維復(fù)合材料根據(jù)產(chǎn)品需要設(shè)計(jì)樹(shù)脂體系的范圍，以達(dá)到降低碳纖維復(fù)合材料成本的目標(biāo)。
（2）成型方面，生產(chǎn)效率有待提高
目前碳纖維復(fù)合材料尤其是中國(guó)主要應(yīng)用于軍工和體育休閑產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝相對(duì)于汽車的產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，成型效率偏低，成型成本偏高。寶馬公司采用了高壓RTM工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料車身，產(chǎn)品生產(chǎn)周期能達(dá)到10分鐘左右。目前在國(guó)內(nèi)也有單位在進(jìn)行這方面的技術(shù)研究，但未見(jiàn)批量生產(chǎn)的報(bào)道。因此，應(yīng)加強(qiáng)適合汽車零部件的碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)研究，只有解決了碳纖維復(fù)合材料汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)效率問(wèn)題、生產(chǎn)成本問(wèn)題、質(zhì)量穩(wěn)定性問(wèn)題，才能滿足汽車大批量、質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)要求。
（3）設(shè)計(jì)問(wèn)題
碳纖維復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維復(fù)合材料具有自身的材料特性，復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮材料性能，如寶馬i3采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而一個(gè)模塊中采用若干個(gè)零件分開(kāi)成型然后進(jìn)行連接整合成一個(gè)模塊。中國(guó)汽車設(shè)計(jì)一直是一個(gè)瓶頸，據(jù)說(shuō)，自主品牌的汽車設(shè)計(jì)中模仿設(shè)計(jì)占40~70%，有些廠家甚至是整車復(fù)制。對(duì)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，主機(jī)廠更是沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)積累，也沒(méi)有數(shù)據(jù)積累，沒(méi)有設(shè)計(jì)規(guī)范、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，寶馬的模式值得我們學(xué)習(xí)，主機(jī)廠應(yīng)該牽頭，聯(lián)合原材料廠家、復(fù)合材料生產(chǎn)廠家以及高校、院所進(jìn)行合作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。
（4）維修問(wèn)題
汽車在使用過(guò)程中避免不了會(huì)有磕磕碰碰，一旦發(fā)生碰撞就會(huì)遇到修復(fù)問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)金屬材料而言，4s店維修人員已經(jīng)是
輕車熟路，而對(duì)碳纖維復(fù)合材料汽車而言，其修復(fù)工藝與傳統(tǒng)材料還是存在較大差異，碳纖維復(fù)合材料的修復(fù)專業(yè)性較強(qiáng)，修復(fù)人員必須具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)。為了便于修復(fù)，使修理人員快速掌握修復(fù)技能，應(yīng)加強(qiáng)修復(fù)專用材料的研究與開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出使用方便，容易操作的修補(bǔ)材料。
5、我國(guó)碳纖維復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用需求與前景
中國(guó)是汽車產(chǎn)銷大國(guó)，2014年產(chǎn)銷量達(dá)2000多萬(wàn)輛，同時(shí)也是復(fù)合材料產(chǎn)銷大國(guó)，但復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用還相當(dāng)落后，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及大眾環(huán)保意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，尤其是在世界能源危機(jī)和石油漲價(jià)而使得汽車工業(yè)向輕量化方向發(fā)展的大背景下，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料比將成為汽車輕量化主流輕質(zhì)材料而會(huì)得到快速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料技術(shù)將會(huì)不斷進(jìn)步，成本會(huì)逐步降低，生產(chǎn)效率會(huì)不斷提高。所以碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用將是必然趨勢(shì)，其前景非常廣闊。