1、概述
汽車工業(yè)的快速發(fā)展，給人們帶來交通便利的同時，也面臨著環(huán)境污染和能源緊缺等問題，為了應(yīng)對這些問題，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)計優(yōu)化，提供對車身的結(jié)構(gòu)及骨架進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，以達到減重目的。二是通過輕質(zhì)高強材料替換傳統(tǒng)材料，從而達到減重目標。自從1953年世界上第一臺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)達國家，都已在汽車中大量采用復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料也在逐步進入汽車領(lǐng)域，必將成為汽車復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。
2、碳纖維復(fù)合材料特點
（1）比強度、比模量高，與傳統(tǒng)金屬材料比，碳纖維復(fù)合材料強度、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)合材料的比強度是傳統(tǒng)金屬材料的2.4~5.8倍，比模量也達到1.6倍以上（見表1），所以它能夠以同樣的單位質(zhì)量獲得更高的承載能力，或者說以較小的質(zhì)量達到同樣的承載能力。

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)氧樹脂，通過真空導(dǎo)入工藝制作的試樣測試的數(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)部裂紋擴展的結(jié)果，而疲勞破壞就是裂紋不斷擴展所產(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展。大多數(shù)金屬材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的30%～50%，而碳纖維復(fù)合材料則可達到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)過基體損傷、開裂、界面脫粘、碳纖維斷裂等一系列過程，而當少數(shù)纖維斷裂時，載荷又會通過基體傳遞重新分布到其他纖維，其過程是一個不斷吸收能量的過程，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。同時碳纖維復(fù)合材料的界面有較大的吸收震動能量的能力，致使材料的震動阻尼較高。
（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，能根據(jù)產(chǎn)品的受力情況合理布置碳纖維分布，實現(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)合材料基體樹脂具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能，不會像金屬材料那樣容易生銹。
3、碳纖維復(fù)合材料零部件開發(fā)情況
碳纖維復(fù)合材料具有高強度、高模量、低密度。是汽車輕量化最理想的材料。在發(fā)達國家，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電動車車身（見圖1）可以說是碳纖維復(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)件的一個重要的里程碑。碳纖維復(fù)合材料在寶馬I3電動車上成功的應(yīng)用得益于寶馬突破了2項關(guān)鍵技術(shù)：一是寶馬公司和SGL通過十多年的研究和試制，開發(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，二是他們開發(fā)的新的樹脂體系以及高壓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”兩個獨立的模塊組成，life模塊與drive模塊的拼合，就像拼積木一樣簡單。這將為今后的汽車設(shè)計帶來一場重要變革。

圖1 寶馬I3電動汽車及碳纖維車身
東麗與豐田合作開發(fā)的碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料，開發(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，碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料具有成型時間短的特點，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（見圖2）。

圖2 碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料反應(yīng)堆框架
大眾、奔馳、PSA等多家集團公司也都在開發(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、傳動軸等部件。碳纖維在不久的將來必將成為汽車輕量化的主流材料。
與發(fā)達國家相比，國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件應(yīng)用相對比較落后，目前正處在研究開發(fā)階段，有部分企業(yè)研究并開發(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乘用車公司牽頭下，與交通大學(xué)、同濟大學(xué)合作共同開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料后尾門、電池盒上蓋、前保險杠、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)入工藝進行制作。后尾門有尾門內(nèi)板、擾流板、下飾板三個零件，分別成型后進行粘接而成，與SMC模壓相比，減重36.03%（見圖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%（見圖5）；翼子板與鋼板冷沖壓相比，減重38.71%（見圖6）；電池盒上蓋SMC模壓相比，減重達44%（見圖7）。

奇瑞汽車股份有限公司與中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)的碳纖維汽車車身，這是一款插電式混合動力汽車。碳纖維復(fù)合材料218Kg，相對于金屬車身418Kg碳纖維車身減重200Kg,，減重48%（本組數(shù)據(jù)來源于2014年上海工博會）。
4、我國開發(fā)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件面臨的問題
碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強等一系列特點，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)用的一個重要因素，
碳纖維復(fù)合材料成本高主要表現(xiàn)在兩個方面，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，主要是碳纖維價格太高，目前市場每公斤價格在120元人民幣以上，是玻璃纖維價格10倍以上。另外與碳纖維配套的樹脂體系主要是環(huán)氧類樹脂，價格也較高。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，通過改進原絲生產(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)氧化時間，降低碳化、石墨化成本，從而達到降低碳纖維成本的目的。其次要加強碳纖維表面處理技術(shù)的研究，以及與碳纖維配套的樹脂體系研究，拓展碳纖維復(fù)合材料根據(jù)產(chǎn)品需要設(shè)計樹脂體系的范圍，以達到降低碳纖維復(fù)合材料成本的目標。
（2）成型方面，生產(chǎn)效率有待提高
目前碳纖維復(fù)合材料尤其是中國主要應(yīng)用于軍工和體育休閑產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝相對于汽車的產(chǎn)量來說，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)周期能達到10分鐘左右。目前在國內(nèi)也有單位在進行這方面的技術(shù)研究，但未見批量生產(chǎn)的報道。因此，應(yīng)加強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)效率問題、生產(chǎn)成本問題、質(zhì)量穩(wěn)定性問題，才能滿足汽車大批量、質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)要求。
（3）設(shè)計問題
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)計應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料的特點進行設(shè)計，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，而一個模塊中采用若干個零件分開成型然后進行連接整合成一個模塊。中國汽車設(shè)計一直是一個瓶頸，據(jù)說，自主品牌的汽車設(shè)計中模仿設(shè)計占40~70%，有些廠家甚至是整車復(fù)制。對復(fù)合材料來說，主機廠更是沒有經(jīng)驗積累，也沒有數(shù)據(jù)積累，沒有設(shè)計規(guī)范、驗證標準。在這種情況下，寶馬的模式值得我們學(xué)習(xí)，主機廠應(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、院所進行合作設(shè)計開發(fā)。
（4）維修問題
汽車在使用過程中避免不了會有磕磕碰碰，一旦發(fā)生碰撞就會遇到修復(fù)問題，對傳統(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，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)加強修復(fù)專用材料的研究與開發(fā)，開發(fā)出使用方便，容易操作的修補材料。
5、我國碳纖維復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用需求與前景
中國是汽車產(chǎn)銷大國，2014年產(chǎn)銷量達2000多萬輛，同時也是復(fù)合材料產(chǎn)銷大國，但復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用還相當落后，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及大眾環(huán)保意識和節(jié)能意識的不斷增強，尤其是在世界能源危機和石油漲價而使得汽車工業(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)材料而會得到快速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料技術(shù)將會不斷進步，成本會逐步降低，生產(chǎn)效率會不斷提高。所以碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用將是必然趨勢，其前景非常廣闊。