碳纤维增强塑料：汽车界的环保黑科技

碳纤维增强塑料：汽车界的环保黑科技

碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种新型汽车材料，因其轻质高强的特性而备受瞩目。研究表明，使用这种材料可以使汽车减重高达50%，从而显著提高燃油效率和减少碳排放。此外，CFRP还具有良好的耐腐蚀性和抗疲劳性，有助于延长汽车使用寿命。随着环保法规的日益严格和新能源汽车市场的快速发展，CFRP正逐渐成为汽车行业的新宠儿，引领着汽车材料的创新潮流。

碳纤维增强塑料（CFRP）是由碳纤维与树脂基体复合而成的新型材料。它具有以下显著优势：

• 低密度、高强度：CFRP的密度仅为钢的1/5，但强度却是钢的7-9倍。
• 耐腐蚀性：在恶劣环境下不易腐蚀，延长了汽车使用寿命。
• 抗疲劳性：在反复载荷作用下不易损坏，提高了汽车的安全性。
• 设计灵活性：可以根据需要设计成各种形状和结构。

这些特性使其成为汽车轻量化的理想选择。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仅可以提高汽车的续航里程，而且还可以解决能耗问题、减少对不可再生资源的依赖性。

目前，CFRP已在汽车的多个关键部位得到应用：

传动轴与高压储氢气瓶

湿法缠绕技术相较于干法缠绕，在成本上具有显著优势，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，并能有效减少纤维在生产过程中的磨损。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对较低的特点，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。

轮毂与制动盘

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显著降低重量，这有助于降低车轮的转动惯性，从而使得汽车在启动、制动和转向时能够实现更快的速度。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，从而产生石棉粉尘，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。

车顶结构、板簧与其他

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。

该工艺通常需要预先制备预成体，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，此种工艺可以实现低成本、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。

碳纤维轻质保险杠

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。

在全球碳排放日益严峻的背景下，汽车轻量化已成为实现节能减排的重要途径。CFRP的应用不仅有助于降低汽车能耗，还能减少温室气体排放。据统计，汽车每减重100公斤，每百公里可减少0.3-0.6升油耗，同时减少约5克二氧化碳排放。

各国政府纷纷出台相关政策支持汽车轻量化技术的发展。例如，欧盟的“2020年战略”提出，到2020年新车平均二氧化碳排放量要降至95克/公里；中国的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》也明确指出，到2035年，乘用车整车重量要较2015年减重35%。

尽管CFRP在汽车领域的应用前景广阔，但仍面临一些挑战：

• 成本问题：目前CFRP的生产成本仍远高于传统材料。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。
• 回收利用：CFRP的回收和再利用技术尚不成熟，如何实现环保可持续发展是行业面临的重要课题。
• 工艺复杂性：CFRP的制造工艺相对复杂，需要高精度的生产设备和严格的质量控制体系。

然而，随着技术进步和规模化生产的推进，这些问题有望逐步得到解决。全球碳纤维带市场规模预计将从2019年的19.186亿美元增长到2027年的48.556亿美元，年均增长率达13.4%。汽车行业作为主要应用领域之一，将迎来更广阔的发展空间。

碳纤维增强塑料（CFRP）作为汽车轻量化的“黑科技”，正在重塑汽车制造业的未来。虽然面临成本和回收等挑战，但在环保政策的推动下，其发展前景依然十分广阔。随着技术的不断进步，我们有理由相信，CFRP将在不久的将来成为汽车制造的主流材料，为实现绿色出行贡献力量。