【专题综述】碳纤维复合材料：推动汽车轻量化的未来

  随着社会的快速地发展，全球气候变化问题逐渐加剧, 能源消耗持续增长，环保节能变得特别的重要。而汽车作为我们日常的出行方式，在为咱们提供便利的同时，也会带来一系列的问题。为响应双碳政策，汽车向更清洁更节能的方向发展已势不可挡。如今，汽车轻量化技术在双碳背景下应运而生。根据欧洲铝协数据，当汽车质量降低10%时，能源使用效率将提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。这足以证明汽车轻量化技术不但可以提高汽车的续航能力，而且还能解决能耗问题、减少对不可再生资源的依赖性。

  碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强材料并与树脂基体、金属基体、陶瓷基体复合而成的。碳纤维复合材料凭借着低密度、高强度、耐腐蚀、可设计性、强减震、优异的阻燃性能和良好的尺寸稳定性广泛地应用于汽车行业。中复神鹰SYT45S、SYT49S系列碳纤维具备优秀能力的力学性能和工艺性能，能够完全满足汽车轻量化需求。例如汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等，如表1所示。碳纤维复合材料的应用在汽车制造中显著减轻了车身重量，大约减少了60%，同时明显提升了电动汽车的续航能力，至少增加了25%以上。然而，由于碳纤维复合材料成本高、工艺复杂，近期丙烯腈的价格在7500-10500的区间波动，比其替代品更昂贵，因此开发碳纤维复合材料制备的新技术、新工艺至关重要。

  据汽车流通协会统计，我国2024年上半年新能源汽车零售量411万辆，增长33.1%，渗透率达到41.8%。我们国家新能源汽车产业在《新能源汽车产业高质量发展规划》和《节能与新能源汽车技术路线》的指导下，积极应对整车轻量化挑战，为汽车轻量化技术的发展提供了有力的支撑。全世界汽车数量的增加显着推动了市场增长。Technavio预测2023-2027汽车复合材料市场规模中的碳纤维预计将以 6.24% 的复合年增长率增长 2022.2027 亿美元。预计市场规模扩张将增加 181.63 亿美元。国际上的各大汽车制造商，如宝马、奔驰、大众等，正在积极推动发展碳纤维复合材料在汽车领域的应用。

  湿法缠绕技术相较于干法缠绕，在成本上具有非常明显优势，大约降低了40%。此外，它还提供了更好的气密性、更优的纤维排列平行度，并能有实际效果的减少纤维在生产的全部过程中的磨损。这些优点使得湿法缠绕工艺在多个领域得到了广泛应用，尤其是在汽车行业，如传动轴和储氢气瓶的制造中。汽车传动轴的性能设计包括轴体弯曲刚度、扭转刚度、临界转速，这是由于它的受力情况相对来说比较复杂，对材料的性能要求很高。传统的传动轴钢铁材料会出现稳定性不佳等弊病。碳纤维复合材料汽车传动轴能够很好的解决这样的一个问题，有效提升汽车性能。碳纤维复合材料具有拉伸强度高、密度低、比强度高、耐腐蚀，弹性模量高和比模量相比来说较低的特点，替代金属材料的传动轴可较好的满足使用需求。此外，碳纤维复合材料传动轴不仅可减轻重量40%-50%，譬如丰田86碳纤维传动轴和兰博基尼第六元素概念车传动轴，而且具有更加好的耐疲劳性和耐久性。

  新能源汽车也用到了湿法缠绕工艺制备碳纤维缠绕氢气瓶。高压储氢气瓶根据内胆材料和纤维缠绕的不同分为 I 型、II 型、III 型及 IV 型瓶，分别为纯钢制、钢制内胆纤维缠绕、金属（钢和铝）内胆纤维缠绕以及及塑料内胆纤维缠绕瓶。在车载储氢气瓶的技术上，国际已经能大量生产70MPa碳纤维缠绕IV型瓶，而国内主流储氢气瓶依旧是35 MPa 碳纤维缠绕 III 型瓶，它内胆材料是铝合金/塑料，外层包覆材料是碳纤维复合材料。美国汽车研究理事会研究表明高压储氢瓶生产规模由1万套提高到50万套时，成本会下降五分之一。因此，随着国内碳纤维缠绕制备技术突破以及生产规模的扩大，车载高压储氢气瓶在未来必然会绽放异彩。

  汽车的轮毂成型工艺使用了热压罐工艺，热压罐工艺拥有几个显著的优点：首先，压力分布均匀；其次，压力、温度均匀且可调控；然后是模具设计简单，效率高，适用于大面积复杂型面的板、壳，以及简单形状的板、棒、管、块；最终，成型工艺展现出了其稳定性和可靠性。使用碳纤维复合材料制造的轮毂能够明显降低重量，这有助于降低车轮的转动惯性，从而使得汽车在启动、制动和转向时可以在一定程度上完成更快的速度。例如，福特的新一代野马Shelby GT350R就采用了这种碳纤维轮毂。同样，瑞典超级跑车制造商柯尼赛格在其Agera车型中，除了轮胎气门嘴外，整个轮毂的其余部分都使用了碳纤维材料。这种设计不仅减轻了重量，同时也确保了结构的坚固性和安全性。

  此外，汽车制动盘也采用了热压罐工艺，传统的制动衬片主要使用石棉材料，在高速摩擦产生的高温下会出现热衰退的现象，由此产生石棉粉尘，危害健康。碳纤维复合材料的比强度高、抗热衰性能优异并且有着优异的耐磨性与耐热性，可完全代替石棉应用在汽车制动系统。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温，能在50m内将车速从300km/h降到50km/h，且有助于减轻汽车底盘重量，提高方向盘操控的灵活性，并减小车身悬挂以上抖动现象，人身安全得以保障。

  汽车上的电池盒、支撑柱、车顶结构、板簧都使用到碳纤维复合材料。这些零部件常采用高压树脂传递模塑成型工艺（HR-RTM）制造，高压树脂传递模塑成型工艺（HR-RTM）是在树脂传递模塑成型工艺基础上发展而成的。

  该工艺常常要预先制备预成体，然后利用高压将低黏度的树脂和固化剂液体混合液注入闭合的模腔内浸渍纤维，通过相应的温度和压力固化成型。与热压罐成型工艺相比，此种工艺能轻松实现低成本、短周期、大批量及高质量的生产。高压树脂传递模塑成型工艺（HR-RTM）过程如图所示。

  碳纤维铝蜂窝复合材料保险杠比铝合金的碳纤维铝蜂窝复合材料具有更轻的质量以及更好的安全性。利用Abaqus CAE软件进行的分析显示，所设计的碳纤维铝蜂窝复合材料制成的保险杠横梁在承受冲击的能力上超越了传统的铝合金材料，同时实现了约50％的减重，充分满足了轻量化设计的要求。

  2024年6月7日， HRC在上海国际低碳智慧出行展览会（GSA 2024）展出的汽车热塑内饰样件、汽车热塑内饰条等产品采用模压注塑工艺一步成型，避免了二次胶结。通过全自动化成型，节拍最快可达2分钟，确保了产品的高度一致性，也极大的提升了生产效率。此外，为满足市场个性化、定制化需求，在工艺研究过程中，HRC 使用了不同的天然纤维，使其得以实现多样化的纹理效果。

  2024年7月31日澳盛科技攻克“快速固化改性树脂系列”难题，开发出快速固化改性树脂体系预浸料，与环氧树脂预浸料相比，成型时间更短。目前澳盛汽车正在进行数字智能车间改造，已完成检验段、粘接段、打磨段、涂装段自动化产线技改，已达成全工序自动化量产。2024年澳盛汽车将深入开拓汽车内外饰件及结构件市场，从热固性和热塑性两个技术方向着手，投入新的工艺和生产线。

  天成自控经过持续的研发创新，研发出比传统材料更轻、更安全的碳纤维轻量化产品，在不牺牲坚固程度的情况下，使座椅更轻、更节约空间，使其和座椅整体完美搭配，采用一体模压、热固、注塑成型，可大范围的应用于各类行业座椅中，引领未来座椅发展的新趋势。公司已展示了其轻量化座椅产品，这一些产品不仅减轻了重量，而且提高了舒适性和安全性，受到了国内外汽车制造商的高度评价。

  山东双一科技作为国内纤维增强复合材料制品的骨干企业，拥有近20年的复合材料制品生产经验。公司掌握多种先进生产的基本工艺，并配备了不同吨位的压机和智能化精密加工设施，可生产加工各类复杂曲面模具、轻质高强部件、整体终端制品 。

  总的来讲，碳纤维复合材料表现出的优异性能是推动市场增长的重要的条件；健全绿色低碳发展机制，加上对绿色和轻型车辆积极影响的认识，可以直接促进市场的增长。此外，省油的汽车是环保的，具备极高的行驶里程，能够正常的使用替代燃料，并使用先进的燃料技术。混合动力汽车、电池供电汽车、插电式混合动力汽车和气动电动汽车是消费的人青睐的一些省油汽车。这些轻型车辆大量使用复合材料，这直接增加了预测期内对市场的需求。

  虽然碳纤维的成本降低可能不会立即发生，但是随技术的进步、生产规模的扩大、自动化和机器人技术的应用、回收和再利用技术的发展、政策和市场激励，碳纤维在汽车轻量化中的应用会变得更经济可行。

  卢强,沈琴,刘钢,等.碳纤维铝蜂窝复合材料汽车保险杠横梁轻量化设计.现代制造工程i.1671-3133.2023.03.011.

  于敬晖.碳纤维复合材料在汽车结构件中的应用研究进展.纤维复合材料,2023,40(04):71-75.

  康森卫,王青春.碳纤维增强复合材料在汽车轻量化中的应用.汽车测试报告,2023,(22):94-96.

  王跃飞.碳纤维增强复合材料HP-RTM成型工艺及孔隙控制研究.湖南大学,2017.