佟猛

摘要：碳纤维树脂基复合材料，作为一种新型的复合材料，有着强度高、重量轻、耐疲劳、耐腐蚀等传统材料所不具备的优良特性。将碳纤维树脂基复合材料用于车辆制造，不仅可以极大减轻同等级别车辆重量，还能提升车辆能耗经济性。文章从车辆零部件装配技术、材料力学特性、车辆能耗经济型以及车身制造发展趋势出发，对碳纤维树脂基复合材料应用于车辆制造进行了深度的探索。

关键词：碳纤维树脂基复合材料；车辆制造；材料

碳纤维树脂基复合材料是在碳纤维材料和树脂材料基础上发展而来的新型材料的统称，通常是将碳纤维与环氧树脂等树脂基材复合而成。该材料同时继承了碳纤维材料重量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀以及树脂基材料制造方便、不同配方适用不同场合的可变特性。碳纤维树脂基复合材料同传统金属材料相比，质量可减轻20%～80%。如果能将此类新型材料应用于车辆制造，不仅可以减轻车辆重量，提升燃料经济性，还能很大程度上增强车身力学性能，增强车辆安全性。

1 碳纤维树脂基复合材料主要连接技术

1.1 机械连接

机械连接是车辆制造技术中应用最为广泛的连接技术之一，是指将不同机械部件运用螺栓或铆钉的连接为一个整体的连接技术。碳纤维树脂基复合材料运用此技术进行连接时，连接可靠简便，连接效果方便检验，但此种连接技术往往需要对复合材料进行打孔，这将会造成应力集中，同时，还存在金属材料与碳纤维树脂基复合材料接触面出现电化学腐蚀的风险。

1.2 胶粘连接

胶粘连接的好处在于，连接件在连接前无需打孔，这就避免了因打孔而出现的应力集中现象。同时，胶粘工艺性好，胶粘表面光滑，外观美观，由于胶粘面有一层粘合剂层，相互连接的两个部分是彼此分离的，不会出现机械连接时发生的电化学腐蚀风险。但是，胶粘之前需要对工件表面进行特殊的处理，另外胶粘好的固件难以检验胶粘强度。但对于碳纤维树脂基复合材料而言，胶粘连接是当前应用最为广泛的连接技术之一。

2 用于汽车的应用优势

汽车材料的选择在汽车的设计制造过程中十分的重要，我们往往要考虑许多的因素，这其中最为主要的有材质的稳定性、力学性能、质量、可加工性等。任何一个因素的改变都会对汽车的外形、性能、销量、用户的驾驶体验带来极大的影响。近年来，碳纤维增强聚合物基复合材料（CarbonFiber Reinforced Polymers，CFRP）渐渐地进入了人们的视野，逐渐运用到了汽车的制造中。为何他会如此受汽车行业的追捧，主要是因为他与其他材料相比具有以下优势。

2.1 综合力学性能优异

车用CFRP与普通的碳钢相比其密度仅为碳钢的，甚至比铝合金还要轻。虽然其密度小质量轻，但他却有着非同一般的力学性能，抗拉强度比钢材要强3-4倍，同时，与钢材相比其疲劳强度特性也较为优越，可以达到抗拉强度的70%～80%。在振动阻尼特性方面，CFRP 2s便可以停止振动，而铝合金等其他的传统材料则需要10s甚至更长的时间。

2.2 可设计性强

碳纤维复合材料具有较强的可设计性。可以根据产品的特性通过改变纤维的排列方式和构造形式从而灵活选择基体材料。如果想要充分发挥材料的各向异性，则可以将纤维按照材料的受力方向进行排布。如此改变还可以达到减轻重量节约材料的目的。

2.3 可实现一体化制造

随着3D打印的出現，一体化制造逐渐登上了市场舞台，在汽车制造领域一体化制造也成了一种发展趋势。复合材料在外形的塑造方面有着得天独厚的优势，易于制造成曲面等。一体化制造不论在制造工序还是周期上都比传统制造要更占优势。采用一体化制造我们不仅可以减少模具的使用，还在后期的装配过程中节约了时间和成本。一体化制造的运用使产品整体性更强，避免后期装配焊接产生的局部应力集中的问题从而增强了产品的强度。

2.4 吸能抗冲击性强

CFRP具有一定的黏弹性，较好的吸能抗冲击性能使得基体与碳纤维之间的微小运动可以更好地吸收外界对车体产生的冲击力，另外，在剧烈的碰撞过程中，经特殊编制的CFRP会碎裂成小的颗粒，通过这种方式从而吸收外界碰撞产生的能量，并且采用CFRP所吸收的能量比金属要高4～5倍。所以，采用这种材料可以更大限度地提高汽车的安全性。

2.5 耐腐蚀性好

碳纤维增强聚合物基复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成，具有很好的耐腐蚀的能力使用寿命也比普通的材料要长很多，寿命通常比钢材长2～3倍。用其制造的零部件不需要进行表面的防氧化、防腐蚀处理。

2.6 高温性能好

碳纤维在400℃的高温下仍然可以保持较为稳定的物理特性，当温度达到1 000℃时仍然没有什么变化。

2.7 抗疲劳性能好

在疲劳裂纹的扩展方面CFRP有着很好的阻碍性，其抗疲劳特性最高可以达到80%。实验表明，CFRP材料在经过数百万次的抗疲劳试验过后仍然具有较高的强度，可以达到70%。然而传统的材料像钢材和铝材只能达到40%左右。因此，较好的抗疲劳特性也使CFRP材料在市场上很受欢迎。

3 应用于新能源乘用车是的经济性方面影响

使用碳纤维可以有效减轻整车质量，整车质量的减轻在生成生活中节约能源，节约成本开支方面具有十分重要的作用。

A 级车型的车身减重100kg时经济性影响分析如下。

（1）以1台续驶300 km、装电量45 kW·h的乘用车“每减重100 kg，增加8%左右的续驶里程”计算，同样的续驶里程可以减少3.6 kW·h的装电量，节约电池费用约为0.6万元。

（2）以行驶40万km生命周期、电费平均按照0.9元/kWh计算，整车生命周期内可节约电费400 000/100×1.2×0.9=0.432万元（按100 km节省1.2 kW·h电量计算）。

（3）以5万辆的整车生产规模为例，所节约的工艺投资、设备投资折算到电动汽车的经济当量中，每台车中的摊销约节约2 000元。

（4）因为工艺精简，人员成本至少节约1 000元/台。每台车可平均节约成本：0.6+0.432+0.2+0.1=1.332万元。

由以上数据统计来看，由于炭纤维材料的应用，车身质量的减轻获得了很大的经济效益。但是经济成本的节约却不足以弥补炭纤维材料使用本身带来的成本，因此这对碳纤维车身具体的投入使用带来了巨大的阻力。因此碳纤维车身的推广需要从其他方面入手，比如工艺和设备等方面。只有真正地将碳纤维车身运用投入量化生产，被行业和社会所接受才能真正地降低生产成本，真正地带来经济效益，再考虑铝合金对车身质量减轻的叠加效应更会带来更大的经济效果。

4 碳纤维复合材料用于车身的发展趋势

由于碳纤维复合材料教于传统材料无法替代的优点和性能，碳纤维材料越来越受到广大汽车制造商的喜爱和欢迎。相关数据显示，碳纤维在汽车制造领域的使用量每年的涨幅超过了30%，预计在2020年将会超过2.3万t。碳纤维增强复合材料目前在汽车领域的应用范围主要包括车身覆盖件、结构件和车身上的装饰件。例如，碳纤维复合材料制造车身结构件已经运用到BMW公司己开发的多种车型中，这是碳纤维复合材料应用于汽车制造的重要标志，引领这碳纤维复合材料运用于汽车领域的发展。与此同时，为了满足快速发展的宝马i系列电动汽车以及其他车型的需求，BMW公司还与德国SGL公司进一步合作，投资1亿欧元研发低成本碳纤维，并将每年的碳纤维产量3 000 t提高到9 000 t。

5 结语

碳纤维复合材料与传统金属材料相比具有独特的性能，在汽车领域具有很好的应用前景，但是碳纤维增复合材料在应用的同时也存在一定的缺陷。为了是碳纤维复合材料能够有更好的开发应用推广，还需要从多个方面研究，要改善材料的研发工艺，不断降低碳纤维材料的研发成本，不断提高碳纤维复合材料的综合性能，精准控制工艺提高材料的固化速度，从而推动碳纤维复合材料在汽车领域有更为广阔的应用前景。