碳纤维复合材料(CFRP）在汽车轻量化中的应用核心思路

浙江国检检测技术股份有限公司，浙江嘉兴  314300 龚磊杰

摘要：常规燃油车生产阶段，能耗水平偏高，采用碳纤维复合材料(CFRP)制造汽车零部件时，并借助计算机辅助工程，可以使得汽车构造更合理，减小车辆的整体质量，同时碳纤维复合材料(CFRP)本身就有较高的频率，能够吸收震动的能量并提高震动阻尼系数，使得汽车受到冲击之后，能够吸收大量的冲击能量，保护驾驶员的人身安全。依托实际业务经验，概括汽车轻量化技术的关键设计原理，论述CFRP如何助力汽车轻量化发展。

关键词：碳纤维；复合材料；汽车轻量化

近年来，随着经济的持续发展，汽车成为人类最为常见的代步工具之一，我国汽车数量也大幅提升，进而呈现出较高的油量消耗数据。从相关研究结论中能够了解到，汽车自重与油量消耗存在直接关系，即汽车重量越高，对应的油耗数值也就越大。通过汽车的轻量化发展，能够实现节能减排目的，这也使得轻量化成为汽车制造领域中的重要发展策略之一。相比多数制造用材，碳纤维复合材料的效能更胜一筹，是实现车辆减重目标的基础材料。

一、汽车轻量化技术的设计原理

1.汽车轻量化

为了确保汽车重量得到减轻，在汽车轻量化设计阶段，相关人员需要借助于现代设计手段，保证汽车整体设计得到优化，在实现减重的同时，还能将安全环保特点展示出来，维护汽车行业积极向前发展。针对汽车减重设计的应用实践，着重分析车身规格与功能需求的匹配度，对于符合功能需求的既有车型，实现汽车减重是轻量化设计的最终诉求，反观性能未成熟的汽车，采用轻量化设计可增强汽车功能表现。从该角度来说，汽车轻量化设计主要是对汽车功能进行改进，突出性能和降低汽车重量的综合发展目标。

2.轻量化设计方法

以实现汽车重量最小化为目标，实施减重方案阶段，车身结构的成型可借助承载式车身（BIW）实现，实现车身结构的优化配置，并运用现代数值仿真手段，实现对车内零部件重量的精准调控。让汽车内部结构更具小型化特点，排除各类冗余结构。汽车轻量化设计阶段，主要采用的金属材料包含高强钢及轻量化金属。其中，在高强度钢帮助下，汽车结构质量能够大幅下降，相比于低碳钢，高强度钢的应用优势明显，提升汽车性能同时，降低汽车总体质量。反观轻质金属材料应用，主要以镁、铝、钛合金等合金材料为主，可提升汽车的节能优势，其中，最为常见的轻质金属材料当属铝合金，节能减排效果更佳。另外，镁的密度比铝合金更低，融合能力较强，能够与其他金属组成强度较高的合金，现阶段，镁合金应用具备明显的集成化特点。如果是从耐温性角度来说，钛合金优势更加明显，即使在500℃高温下，依旧能够呈现出良好的力学性能，且具备抗化学腐蚀能力，对某些苛刻环境具备适用性，轻量化设计中采用的非金属材料，涉及高分子材料及陶瓷材料等，应用于汽车内饰组件时效益显著。

二、碳纤维复合材料的特点

1.模块化设计

现今汽车开发环节内，采用模块化组装结合整体优化的设计方法，其流动性能达到较高水平，在汽车制造工艺阶段，可加工成多种形态及具备区域强度差异的曲面结构，强调结构统一性，经由该工艺，组件数量及安装成本急剧下降，也可改善车辆外型的起动效果，采用碳纤维复合材料进行汽车模具设计时，可对差异厚度的零件及棱形结构进行整体结合，做到整体一次性成形。总的来说，碳纤维复合材料适合在汽车部件复杂几何结构中进行应用，在提升部件精度同时，优化汽车整体性能。

2.吸能性和减震性

和传统合金对照，该复合材料展现出卓越的冲击能量耗散能力与粘弹行为，可实现对汽车冲击能的吸收，从而优化行车安全水平，金属材料的震动阻尼效果远不及碳纤维复合材料，即便车身结构遭受冲击，其能量吸收率在冲击条件下显著提高，提升车内人员防护等级。

3.设计灵活

为合理压缩汽车制造的资金消耗，减少汽车净重，当生产汽车组件阶段，应合理规划碳纤维的受力方向排布方式，促使碳纤维复合材料各向异性强度特性充分展示，汽车特定组件在正常工作阶段，需要实现良好的抗化学侵蚀能力，碳纤维组件制备阶段，宜选取具备高抗腐蚀能力的环氧树脂，就其他性能目标而言，不同材质的选用也可达到要求，为兼顾汽车基本性能的稳定性，减少碳纤维复合材料部件的制作开支，各制造商需将生产成本控制在合理区间，适当引入低成本替代材料方案，对碳纤维复合材料实施材料替换。例如，在不同纤维混合铺层应用阶段，该类材料能够满足汽车轻量化性能要求，还能降低一部分生产费用，帮助企业获得更多经济效益。

4.减轻车身质量

碳纤维复合材料在应用时，能够呈现出明显的质量优势，对汽车车身整体质量进行控制，保证汽车功率能够大幅降低。在车辆生产阶段，操作人员可适配微型化动力总成及相应悬挂机构，工程实施阶段，实施汽车动能衰减方案，防范车辆撞击风险，实现车身质量参数的合理调控，碳纤维复合材料的工业化生产及实际应用，可实现传统金属构件的替换，体现车体减重潜力，有效释放轻量化潜力。

三、碳纤维复合材料(CFRP）在汽车轻量化中的应用

针对车辆轻量化，研究机构实施了系列实验分析，若汽车整体减重10%，油耗可缩减6到8个百分点，整体排放可下降约6个百分点，这直接说明，实施轻量化策略已成为现代汽车实现油耗优化和环保优势的主要技术选择，该材料展现出多方面的实用特性，被汽车工业领域大量采用，各部件应用占比为：车身部分占比为35%，底盘构件占材料应用的20%份额，转向机构及悬挂组件共占17%的应用份额，内饰领域占比为18%。

1.汽车车身构件

从数据层面看，汽车内部采用碳纤维复合材料最多的当属车身构件，就车身构造设计而言，结构主体涉及引擎盖、车架及车顶框架等部分，各组件于生产装配阶段，均需依托碳纤维复合材料实现核心构造，对碳纤维复合材料与典型金属材料开展对比，其强度性能远超传统金属材料，若保持结构强度一致时，采用碳纤维复合材料制造的汽车部件可减轻约50%的重量，从而优化整车的运动性能参数。

2.汽车刹车片

碳纤维复合材料所呈现出的优势和特性十分明显，主要内容包括以下几方面：实验测得摩擦系数范围稳定为0.35~0.40，稳定及适用双重特点显著，能明显提高制动系统的稳定性水平；碳纤维复合材料的热稳定性极佳，耐温达2500℃，抗湿热特性突出，且老化问题发生率极低，对比常规金属基体，热损耗对该复合材料影响微乎其微；第三，该材料还具备耐油、耐水等优势，十分适合在刹车片制造环节得到应用，能够规避一些刹车片问题，保证汽车驾驶安全。

3.汽车轮毂

汽车在正常行驶阶段，轮毂属于是重要参与部件之一，汽车的自身质量和载重同样需要由轮毂来承受。为维持汽车运行平稳性，维护团队需把控轮毂制作材料的长期耐用及耐热品质，材料特性与轮毂制造标准高度匹配，并推动汽车减重技术的进步，英国Kahm公司采用碳纤维复合材料成功研制出高端汽车专用轮毂，采用RX-X型产品，该产品显著体现了碳纤维材料的优越特性，整体仅重6kg，可增强汽车的动力输出，并可实现对车轮径向惯性的高效管理。

4.汽车传动轴

为了更好地维护汽车运行稳定性，传动轴结构在设定和应用时，应重点体现良好的传动能力以及耐疲劳性等特点。各向异性与高比强度是碳纤维复合材料的两个显著特性，若在传动轴制作工艺中添加金属材料，能实现传动轴质量的显著降低，若所有变量恒定时，与传统金属相比，能实现170%前后的扭矩增长，尤为关键的是，采用碳纤维复合材料时，能显著优化汽车传动轴的耐用度与疲劳耐受性，提高汽车传动轴的工作效率。

5.多材料连接技术

如果利用传统技术执行车身连接任务，涉及到的电阻点焊接工艺较多，还需要应用到联合粘结、铆接等形式完成装配任务。当处理碳纤维复合材料的连接阶段，需由工作人员将碳纤维复合材料与钢铝合金等材料实施连接，实际情况表明，从材料性能到加工流程，碳纤维复合材料与其他材料均有区别，传统连接设计往往跟不上实际汽车连接需求。因此，在汽车车身连接阶段，需要对复合材料与其他材料之间的差异明确，确定合适的多材料连接模式。

（1）机械连接

机械连接操作，主要是借助于螺栓、铆钉等紧固件来实现，在机械连接方面，开孔的应力更加集中，连接效率有限，但所呈现出的抗高温、抗蠕变等优势明显，还能方便工作人员在后续进行拆卸，能够在汽车连接性要求较高的位置得到应用。

（2）胶结连接

所谓胶结连接，主要是借助于胶黏剂实现构件连接操作，保证其打造成不能拆卸的整体，胶接连接中，另加数目并不高，能够展示出较高的结构效率，抗疲劳优势较为明显，但需要注意的是，胶接连接结构容易被剥离，整体承载能力有限，进而引发环境退化以及不可拆卸等问题。一般来说，汽车零部件应用环境较为恶劣，当受到湿热等问题影响后，汽车整体性能也会发生变化，此时，人们可以借助于碳纤维复合材料来应对该类问题，尽可能提升接头强度。

四、碳纤维复合材料在汽车轻量化中的发展趋势

碳纤维复合材料在应用阶段，能够呈现出多种优势，在后续发展过程中，其应用范围也会逐步扩大，为汽车轻量化发展创造更多有利条件。

1.由高端车型向普通车型发展

该复合材料技术起步阶段，由于成本高昂且工艺复杂，早期该材料仅见于高端汽车及跑车产品线。总的来说，该类汽车对于性能提出了较高要求，售价较高，普通消费群体很难对其进行购买。近年来，随着碳纤维复合材料成本下降，制造工艺愈加成熟，促使该类材料能够在更多汽车产品中得到应用，普及性更高。

2.由次结构件向主结构件发展

汽车生产和制造过程中，相关人员需要对其行驶过程和驾驶人员安全性等问题进行充分考虑。就碳纤维复合材料而言，集中体现在技术参数要求较宽松的辅助构件上，内饰件与车身覆盖面板构成了次结构体的主要类型，该材料呈现出性能参数与实际需求不匹配的情况，无法有效凸显此类材料的实际价值，伴随加工成型技术与结构设计方案的优化改进，该复合材料在汽车主体框架制造中已形成成熟应用体系，从而更好地发挥碳纤维复合材料的性能潜力。最为常见的主结构件有B柱、地板以及轮毂等等。

3.由单件小批量生产到规模化生产

汽车碳纤维组件的制备工艺，主要采取手工制作工艺，属于低产量定制化加工范畴，受这类生产技术掣肘，复合材料部件的质量稳定性面临挑战，进而提高汽车零部件的生产支出，拖慢生产节奏，鉴于汽车制造业对碳纤维复合材料需求的扩大，伴随应用规范的优化，为汽车零部件生产的智能化和数字化发展提供动力，为汽车零部件生产注入新动力，汽车领域采用碳纤维复合材料的发展空间非常可观，行业主体可推行废料回收工艺，实现汽车行业生态友好型发展。

五、结论

碳纤维复合材料展现出卓越的冲击耐受与振动缓冲能力，实现车辆轻量化目标，测试证实该材料具备优越的宽频振动阻尼特性，表现出比金属更优异的振动衰减特性，汽车经受外力冲击后，碳纤维材料展现出更强的能量耗散能力，减少驾驶员致命伤害，维系汽车行业整体发展态势。

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作者简介：龚磊杰（1995年1月-）男，浙江嘉兴人，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向：金属材料检验技术。