一、引言
隨著社會的高速發(fā)展，全球氣候變化問題逐漸加劇, 能源消耗持續(xù)增長，環(huán)保節(jié)能變得尤為重要。而汽車作為我們?nèi)粘５某鲂蟹绞剑跒槲覀兲峁┍憷耐瑫r，也會帶來一系列的問題。為響應(yīng)雙碳政策，汽車向更清潔更節(jié)能的方向發(fā)展已勢不可擋。如今，汽車輕量化技術(shù)在雙碳背景下應(yīng)運而生。根據(jù)歐洲鋁協(xié)數(shù)據(jù)，當汽車質(zhì)量降低10%時，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。這足以證明汽車輕量化技術(shù)不僅可以提高汽車的續(xù)航里程，而且還可以解決能耗問題、減少對不可再生資源的依賴性。碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維作為增強材料并與樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體復(fù)合而成的。碳纖維復(fù)合材料憑借著低密度、高強度、耐腐蝕、可設(shè)計性、強減震、優(yōu)異的阻燃性能和良好的尺寸穩(wěn)定性廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)。中復(fù)神鷹SYT45S、SYT49S系列碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能和工藝性能，可以滿足汽車輕量化需求。例如汽車車身、內(nèi)外飾、底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等，如表1所示。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在汽車制造中顯著減輕了車身重量，大約減少了60%，同時顯著提升了電動汽車的續(xù)航能力，至少增加了25%以上。然而，由于碳纖維復(fù)合材料成本高、工藝復(fù)雜，近期丙烯腈的價格在7500-10500的區(qū)間波動，比其替代品更昂貴，因此開發(fā)碳纖維復(fù)合材料制備的新技術(shù)、新工藝至關(guān)重要。據(jù)汽車流通協(xié)會統(tǒng)計，我國2024年上半年新能源汽車零售量411萬輛，增長33.1%，滲透率達到41.8%。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的指導(dǎo)下，積極應(yīng)對整車輕量化挑戰(zhàn)，為汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。全球汽車數(shù)量的增加顯著推動了市場增長。Technavio預(yù)測2023-2027汽車復(fù)合材料市場規(guī)模中的碳纖維預(yù)計將以 6.24% 的復(fù)合年增長率增長 2022.2027 億美元。預(yù)計市場規(guī)模擴張將增加 181.63 億美元。國際上的各大汽車制造商，如寶馬、奔馳、大眾等，正在積極推動發(fā)展碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
1）傳動軸與高壓儲氫氣瓶
濕法纏繞技術(shù)相較于干法纏繞，在成本上具有顯著優(yōu)勢，大約降低了40%。此外，它還提供了更好的氣密性、更優(yōu)的纖維排列平行度，并能有效減少纖維在生產(chǎn)過程中的磨損。這些優(yōu)點使得濕法纏繞工藝在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車行業(yè)，如傳動軸和儲氫氣瓶的制造中。汽車傳動軸的性能設(shè)計包括軸體彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、臨界轉(zhuǎn)速，這是由于它的受力情況比較復(fù)雜，對材料的性能要求很高。傳統(tǒng)的傳動軸鋼鐵材料會出現(xiàn)穩(wěn)定性不佳等弊病。碳纖維復(fù)合材料汽車傳動軸能夠很好的解決這個問題，有效提升汽車性能。碳纖維復(fù)合材料具有拉伸強度高、密度低、比強度高、耐腐蝕，彈性模量高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料的傳動軸可較好的滿足使用需求。此外，碳纖維復(fù)合材料傳動軸不僅可減輕重量40%-50%，譬如豐田86碳纖維傳動軸和蘭博基尼第六元素概念車傳動軸，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。新能源汽車也用到了濕法纏繞工藝制備碳纖維纏繞氫氣瓶。高壓儲氫氣瓶根據(jù)內(nèi)膽材料和纖維纏繞的不同分為 I 型、II 型、III 型及 IV 型瓶，分別為純鋼制、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞、金屬（鋼和鋁）內(nèi)膽纖維纏繞以及及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶。在車載儲氫氣瓶的技術(shù)上，國際已經(jīng)能大量生產(chǎn)70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，而國內(nèi)主流儲氫氣瓶依舊是35 MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶，它內(nèi)膽材料是鋁合金/塑料，外層包覆材料是碳纖維復(fù)合材料。美國汽車研究理事會研究表明高壓儲氫瓶生產(chǎn)規(guī)模由1萬套提高到50萬套時，成本會下降五分之一。因此，隨著國內(nèi)碳纖維纏繞制備技術(shù)突破以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，車載高壓儲氫氣瓶在未來必然會綻放異彩。汽車的輪轂成型工藝使用了熱壓罐工藝，熱壓罐工藝擁有幾個顯著的優(yōu)點：首先，壓力分布均勻；其次，壓力、溫度均勻且可調(diào)控；然后是模具設(shè)計簡單，效率高，適用于大面積復(fù)雜型面的板、殼，以及簡單形狀的板、棒、管、塊；最終，成型工藝展現(xiàn)出了其穩(wěn)定性和可靠性。使用碳纖維復(fù)合材料制造的輪轂?zāi)軌蝻@著降低重量，這有助于降低車輪的轉(zhuǎn)動慣性，從而使得汽車在啟動、制動和轉(zhuǎn)向時能夠?qū)崿F(xiàn)更快的速度。例如，福特的新一代野馬Shelby GT350R就采用了這種碳纖維輪轂。同樣，瑞典超級跑車制造商柯尼賽格在其Agera車型中，除了輪胎氣門嘴外，整個輪轂的其余部分都使用了碳纖維材料。這種設(shè)計不僅減輕了重量，同時也確保了結(jié)構(gòu)的堅固性和安全性。此外，汽車制動盤也采用了熱壓罐工藝，傳統(tǒng)的制動襯片主要使用石棉材料，在高速摩擦產(chǎn)生的高溫下會出現(xiàn)熱衰退的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生石棉粉塵，危害健康。碳纖維復(fù)合材料的比強度高、抗熱衰性能優(yōu)異并且有著優(yōu)異的耐磨性與耐熱性，可完全代替石棉應(yīng)用在汽車制動系統(tǒng)。碳纖維制動盤可承受2500℃的高溫，能在50m內(nèi)將車速從300km/h降到50km/h，且有助于減輕汽車底盤重量，提高方向盤操控的靈活性，并減小車身懸掛以上抖動現(xiàn)象，人身安全得以保障。
圖1 Agera車型碳纖維復(fù)合材料輪轂
圖2 法拉利Enzo碳纖維復(fù)合材料制動盤
汽車上的電池盒、支撐柱、車頂結(jié)構(gòu)、板簧都使用到碳纖維復(fù)合材料。這些零部件常采用高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）制造，高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）是在樹脂傳遞模塑成型工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。該工藝通常需要預(yù)先制備預(yù)成體，然后利用高壓將低黏度的樹脂和固化劑液體混合液注入閉合的模腔內(nèi)浸漬纖維，通過相應(yīng)的溫度和壓力固化成型。與熱壓罐成型工藝相比，此種工藝可以實現(xiàn)低成本、短周期、大批量及高質(zhì)量的生產(chǎn)。高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）過程如圖所示。
圖3：高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）工藝過程
碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料保險杠比鋁合金的碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料具有更輕的質(zhì)量以及更好的安全性。利用Abaqus CAE軟件進行的分析顯示，所設(shè)計的碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料制成的保險杠橫梁在承受沖擊的能力上超越了傳統(tǒng)的鋁合金材料，同時實現(xiàn)了約50％的減重，充分滿足了輕量化設(shè)計的要求。
圖4 保險杠橫梁結(jié)構(gòu)
三、碳纖維汽車輕量化龍頭企業(yè)動態(tài)2024年6月7日， HRC在上海國際低碳智慧出行展覽會（GSA 2024）展出的汽車熱塑內(nèi)飾樣件、汽車熱塑內(nèi)飾條等產(chǎn)品采用模壓注塑工藝一步成型，避免了二次膠結(jié)。通過全自動化成型，節(jié)拍最快可達2分鐘，確保了產(chǎn)品的高度一致性，也大大提升了生產(chǎn)效率。此外，為滿足市場個性化、定制化需求，在工藝研究過程中，HRC 使用了不同的天然纖維，使其得以實現(xiàn)多樣化的紋理效果。2024年7月31日澳盛科技攻克“快速固化改性樹脂系列”難題，開發(fā)出快速固化改性樹脂體系預(yù)浸料，與環(huán)氧樹脂預(yù)浸料相比，成型時間更短。目前澳盛汽車正在進行數(shù)字智能車間改造，已完成檢驗段、粘接段、打磨段、涂裝段自動化產(chǎn)線技改，已達成全工序自動化量產(chǎn)。2024年澳盛汽車將深入開拓汽車內(nèi)外飾件及結(jié)構(gòu)件市場，從熱固性和熱塑性兩個技術(shù)方向著手，投入新的工藝和生產(chǎn)線。天成自控經(jīng)過持續(xù)的研發(fā)創(chuàng)新，研發(fā)出比傳統(tǒng)材料更輕、更安全的碳纖維輕量化產(chǎn)品，在不犧牲堅固程度的情況下，使座椅更輕、更節(jié)省空間，使其和座椅整體完美搭配，采用一體模壓、熱固、注塑成型，可廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)座椅中，引領(lǐng)未來座椅發(fā)展趨勢。公司已經(jīng)展示了其輕量化座椅產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不僅減輕了重量，而且提高了舒適性和安全性，受到了國內(nèi)外汽車制造商的高度評價。
圖5碳纖維輕量化座椅產(chǎn)品
山東雙一科技作為國內(nèi)纖維增強復(fù)合材料制品的骨干企業(yè)，擁有近20年的復(fù)合材料制品生產(chǎn)經(jīng)驗。公司掌握多種先進生產(chǎn)工藝，并配備了不同噸位的壓機和智能化精密加工設(shè)備，可生產(chǎn)加工各類復(fù)雜曲面模具、輕質(zhì)高強部件、整體終端制品 。
圖6 碳纖維汽車車身
總的來講，碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出的優(yōu)異性能是推動市場增長的關(guān)鍵因素；健全綠色低碳發(fā)展機制，加上對綠色和輕型車輛積極影響的認識，可以直接促進市場的增長。此外，省油的汽車是環(huán)保的，具有很高的行駛里程，可以使用替代燃料，并使用先進的燃料技術(shù)。混合動力汽車、電池供電汽車、插電式混合動力汽車和氣動電動汽車是消費者青睞的一些省油汽車。這些輕型車輛大量使用復(fù)合材料，這直接增加了預(yù)測期內(nèi)對市場的需求。雖然碳纖維的成本降低可能不會立即發(fā)生，但是隨著技術(shù)的進步、生產(chǎn)規(guī)模的擴大、自動化和機器人技術(shù)的應(yīng)用、回收和再利用技術(shù)的發(fā)展、政策和市場激勵，碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用會變得更加經(jīng)濟可行。
參考文獻：
[1]盧強,沈琴,劉鋼,等.碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料汽車保險杠橫梁輕量化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2023,(03):77-82+76.DOI:10.16731/j.cnki.1671-3133.2023.03.011.
[2]段文,孔祥鑫.碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的應(yīng)用進展[J].汽車零部件,2023,(04):84-87.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2023.04.018.
[3]于敬暉.碳纖維復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用研究進展[J].纖維復(fù)合材料,2023,40(04):71-75.
[4]康森衛(wèi),王青春.碳纖維增強復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].汽車測試報告,2023,(22):94-96.
[5]王躍飛.碳纖維增強復(fù)合材料HP-RTM成型工藝及孔隙控制研究[D].湖南大學(xué),2017.
[6]干騰海.直寫式3D打印連續(xù)碳纖維/聚酰亞胺蜂窩結(jié)構(gòu)及其性能研究[D].黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院,2023.DOI:10.27969/d.cnki.ghssy.2023.000001.
此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。
