“材料之王”碳纤维赋能汽车轻量化，一文详解其技术、应用和优势

“材料之王”碳纤维赋能汽车轻量化，一文详解其技术、应用和优势

当前汽车轻量化成为行业内研究生产的重点，业界公认，CFRP(碳纤维增强复合材料)是目前解决新能源汽车减重的最好方法。由于其具有高强度、高模量、轻质、耐腐蚀、综合性能优异等诸多优点，碳纤维的应用可使汽车减重30%～60%，被誉为“轻量化之王”，是新能源汽车“瘦身革命”的领导者，在汽车轻量化方面发挥着关键作用。

碳纤维复合材料

碳纤维是通过有机纤维经过一系列热处理制得的纤维，具有高于90%无机高性能纤维的含碳量。碳纤维复合材料是由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的材料。它是一种力学性能优异的新材料，既具有一般碳素材料耐磨擦、导电、导热等特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。无需进行表面防腐处理，其耐候性及耐老化性极好，寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。

近年来碳纤维复合材料在航空航天、飞机制造、汽车制造、轨道交通、医疗器械等领域也得到了广泛应用。

国内首台碳纤维复材轻量化氢能城市客车

国内首台碳纤维复材轻量化氢能城市客车于今年1月份在浙江海盐正式发布。据介绍，该客车以“碳纤维复材”构建车身，以“氢”为动力，一次加氢24公斤，标准工况运行续航里程可达800公里，具有零排放、噪音小、寿命长等优点，完全满足各级公交公司使用要求，在全国氢燃料电池客车界处于领先地位。

据悉，该客车由浙江清华长三角军民协同创新研究院组织开发，在开发之初就瞄准整车轻量化方向，通过碳纤维复材车身的正向设计和其他系统优化配置，实现了车辆实测10吨，比其他同型车辆减重超过2.5吨，大大节约百公里氢耗。同时，采用整车地铁化车厢布置设计理念，实现乘客一步登乘，无障碍快速通行整车全平地板，乘车效率至少提升50%，显著提高车内乘客安全性，同等座位数站立面积提升60%以上，乘驾体验更佳。

同时，除了氢能的动力，该车车厢采用的碳纤维复合材料技术，具有“更节能、更经济、更安全、更舒适、长寿命、不腐蚀”六大优势，比金属材料整车强度提高约10%，重量减轻约30%。

汽车行业的碳纤维关键技术

1.低成本碳纤维技术

通过在聚丙烯腈基碳纤维聚合过程中引入新单体的方式达到降低总成本的目的。目前，可通过对PAN原丝进行预处理和改变预氧化过程中的工艺方法改进碳纤维生产过程。对PAN原丝进行预处理可分为化学方法和物理方法。化学方法主要为采用高锰酸钾，苯甲酸等试剂对PAN进行化学改性，降低环化温度，提高预氧速度和降低成本；物理方法主要为采用紫外线、电子束、X射线、γ射线。以化学与物理的方法进行处理，可以降 低环化反应的激活能从而减少预氧化时间。

PAN基碳纤维制造成本组成图

2.RTM成型技术

RTM（树脂传递模塑成型技术）是复合材料液体模塑成型技术（LCM）的典型工艺之一。RTM工艺流程十分简单，首先将碳纤维预成型织物放置于模具内，并在其中加入树脂液，通过加温固化的方法使树脂液处于凝固状态，即可脱模，从而得到碳纤维复合材料制件。RTM工艺可以一次成型大型、复杂的构件，可设计性强，尺寸易于控制，表面质 量高，生产周期短，可实现半自动化或自动化生产。

RTM成型工艺过程示意图

3.热压成型技术

热压成型工艺是在一定的温度与压力下，树脂基体发生熔融流动，重新浸渍纤维，从而制备一定形状的复合材料零件。热压成型工艺具有较短的成型周期，易于实现自动化生产过程，可使用传统金属板料成形设备，同时适用于热塑性复合材料的低成本制造过程，对于碳纤维复合材料汽车零部件的高效成型具有广阔应用前景。

复合材料热压成型工艺过程示意图

碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用及优势

（1）密度小，强度高。碳纤维复合材料用于汽车底盘及承力部件时，与钢制车身相比，轻量化效果达53%以上，在减轻车重的情况下并不损失车的强度和刚度，汽车安全系数能得到保证。

各种材料车身质量对比图

碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量，密度只有1.6g/cm-3左右，远低于钢铁和铝，将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右，降低燃油消耗。

（2）韧性好，抗冲击性高。碳纤维复合材料用于车身及其结构件时保证了车身及其结构件碰撞时的安全性。碳纤维复合材料质量仅有钢的50%左右，在碰撞时吸收能量的能力却是钢或铝的4-5倍，使汽车碰撞安全性显著提高。

（3）吸振能力强，抗振性能好。碳纤维复合材料用于汽车传动系统和发动机部件，具有良好的减振、隔音效果，提高了乘坐舒适性。日本近几年开始在制造汽车涡轮增压器压气机叶轮时用碳纤维复合材料替代铝合金，将叶轮质量降低48%，从而使转子惯量降低，加速性能提高，极大缩短涡轮增压器的响应滞后问题。

（4）耐热性高、抗腐蚀、耐摩擦力强。碳纤维复合材料应用于汽车刹车片时由于其稳定的摩擦系数（0.35-0.40）使得汽车制动过程平稳、耐热温度高达2500℃，不存在传统金属材料的热损耗问题，是制造刹车片理想的材料，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。

（5）耐久性，安全性，抗疲劳性能极佳。碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成，碳元素化学性质稳定，无需进行表面防腐处理，其耐候性及耐老化性极好，寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。

轮毂是汽车行驶的重要部件之一， 它不仅承受整车的重量与载重，更承担着传递驱动和扭矩。碳纤维复合材料应用于汽车轮毂不仅可以满足车用轮毂的所有要求，在车辆轻量化方面更是表现出色。碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是普通钢材的5倍，由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小，可有效保护驾乘者的生存空间。经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片，吸收大量撞击能量（能量吸收性为一般钢材的3倍以上），能有效提高车辆被动安全。

小结

碳纤维作为增强材料和树脂基体复合而成的复合材料，优势明显，例如：低密度､高比强､高比模､耐疲劳性能好､耐腐蚀性能好､可设计性强､减震等。碳纤维复合材料可使车身质量降低60%以上，续驶里程提高25%以上，既降低了整车的质量及油耗，又不失轻便灵巧。为实现汽车轻量化，需替代原有钢制车身，碳纤维作为一种新型增强材料，在汽车轻量化的应用前景广阔。

来源：UTPE弹性体门户，中国能源报，奥琳斯邦OLYMSPAN