碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)外汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料由于其獨具的強度和剛度特性，可以取代鋼用于汽車的主承力結(jié)構(gòu)。世界知名汽車制造商紛紛采用碳纖維復(fù)合材料零部件制造車型。

2014 年，寶馬 i3 和 i8 的上市不僅開創(chuàng)了碳纖維復(fù)合材料在量產(chǎn)車型大規(guī)模應(yīng)用的新紀(jì)元。寶馬 i3 和 i8 作為一款零排放電動車，正是由于采用了碳纖維復(fù)合材料打造的車身，使整車質(zhì)量僅為1255千克，完美解決了由于電池質(zhì)量而帶來的車輛質(zhì)量大增，車輛駕控敏捷度降低的問題， 并創(chuàng)造了百公里7.2秒的加速時間。

        隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用廣度有了突破，汽車復(fù)合材料的年用量為 10 萬噸左右，但主要是應(yīng)用于非承力結(jié)構(gòu)的玻璃鋼復(fù)合材料，汽車復(fù)合材料廠家普遍規(guī)模較小。碳纖增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在大型商用飛機和高性能汽車（如特斯拉、寶馬i3和i8） 及F1賽車主承力結(jié)構(gòu)件上的成功應(yīng)用表明，復(fù)合材料完全可以取代金屬被用于汽車車身結(jié)構(gòu)中。目前，國內(nèi)整車企業(yè)也紛紛開始嘗試采用碳纖維復(fù)合材料零部件替換傳統(tǒng)金屬零件。

       國內(nèi)整車廠紛紛開始著手調(diào)研國內(nèi)復(fù)合材料研發(fā)和制造企業(yè)，著手啟動面向量產(chǎn)的復(fù)合材料零部件的設(shè)計和研制，逐步開始為量產(chǎn)做充分準(zhǔn)備。由于有承力要求，汽車用復(fù)合材料零部件（尤其是承力件，如傳動軸等）需要對材料以及部件進(jìn)行重新設(shè)計。近年來，中航復(fù)材充分發(fā)揮自身在設(shè)計、材料、制造等方面的優(yōu)勢，先后為整車廠研發(fā)了汽車前艙蓋、后備廂蓋、尾翼、重載汽車板簧、客車板簧、重載汽車傳動軸、全復(fù)材承載式大巴車身、全復(fù)合材料油罐等產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已經(jīng)通過了測試驗證。

國內(nèi)汽車復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與差距分析

“十一五”、“十二五”期間，國內(nèi)車企與科研單位聯(lián)合先后研發(fā)出四代碳纖維復(fù)合材料示范電動車。前兩代通過逆向工程設(shè)計技術(shù)，采用碳纖維復(fù)合材料對已有車型的覆蓋件以等代設(shè)計法進(jìn)行替代，驗證了碳纖維復(fù)合材料的減重效果，以及碳纖維復(fù)合材料覆蓋件的制備與裝配技術(shù)；在前兩代車的設(shè)計制造基礎(chǔ)上，后兩代車通過正向設(shè)計制造，對整車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，驗證了全碳纖維復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計、制備和裝配連接技術(shù)，進(jìn)一步探索了碳纖維復(fù)合材料整車的設(shè)計、制造、裝備和性能測試技術(shù)。這四代車的研發(fā)為碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗，開啟了國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料汽車應(yīng)用的新起點。

近期，中航復(fù)材在國內(nèi)率先采用快速固化預(yù)浸料結(jié)合快速模壓工藝、真空輔助成型工藝制備了承載式全復(fù)合材料純電動客車車身，在兼顧復(fù)合材料構(gòu)件的整體化制造、成本控制和制造效率等方面取得了較好的效果。目前國內(nèi)各汽車主機廠以及零部件供應(yīng)商都在進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料研究，主要集中在零部件的輕量化上，采用非連續(xù)性纖維成型工藝，制備的汽車零部件已實現(xiàn)了量產(chǎn)及規(guī)?；瘧?yīng)用。然而，由于自動化生產(chǎn)裝備的缺乏，連續(xù)纖維復(fù)合材料尚未形成量產(chǎn)水平，尤其是車身量產(chǎn)技術(shù)。雖然有企業(yè)推出了碳纖維復(fù)合材料車身電動車樣車，但部件、整車的設(shè)計、驗證以及量產(chǎn)技術(shù)，自動化裝配技術(shù)，質(zhì)量控制等均尚處于探索中，離碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用還存在一定的距離。

國內(nèi)在連續(xù)碳纖維復(fù)合材料輕量化汽車制造產(chǎn)業(yè)方面才剛剛起步，處于前期技術(shù)探索和積累階段。中航復(fù)材已與中國一汽聯(lián)合成立“汽車用先進(jìn)材料聯(lián)合實驗室”、與北汽聯(lián)合成立“汽車用先進(jìn)材料技術(shù)中心”，旨在開展汽車用復(fù)合材料零部件的研發(fā)和工程化應(yīng)用，與長安汽車、比亞迪集團(tuán)也在開展合作，面向新能源車開展復(fù)合材料零部件研發(fā)和研制。公司先后開發(fā)了系列汽車零部件（復(fù)合材料板簧、傳動軸、輪轂等動部件和引擎蓋、后備廂蓋、尾翼等覆蓋件）和國內(nèi)第一臺全復(fù)合材料大巴車身。中航復(fù)材于2014年承擔(dān)了國家“863”項目——《CCF-3級碳纖維 復(fù)合材料在交通和能源領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)》。該項目以快速固化樹脂及預(yù)浸料為主要材料體系， 以快速模壓及真空輔助成型（VARI）為主要工藝，通過全復(fù)合材料純電動客車車身為領(lǐng)先示范應(yīng)用考核與驗證，顯著降低高性能碳纖維復(fù)合材料的成本，大幅提升復(fù)合材料構(gòu)件的制造效率，實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維及復(fù)合材料在交通領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，未來將帶動 1000 噸/年的碳纖維工程化應(yīng)用， 推動我國碳纖維復(fù)合材料相關(guān)行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

           盡管近年來國內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料技術(shù)上取得了長足的發(fā)展，但與國外汽車復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展與規(guī)模化應(yīng)用方面還存在很大差距，具體分析如下：

         （1）需求牽引不足。由于市場缺乏消費動力，政策配套還未健全，汽車制造商并未從新能源汽車高投入中獲得高收益，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)積極性，投入資金開展新能源汽車生產(chǎn)后，難以實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。受整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的制約，碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車應(yīng)用也基本處于探索研究階段。
      （2）碳纖維方面的差距。雖然近年來我國碳纖維產(chǎn)能快速放大，但差距依然存在。與國外相比，國產(chǎn)原絲大多雜質(zhì)含量高、質(zhì)量不夠穩(wěn)定、離散系數(shù)大，成本還需進(jìn)一步降低。
      （3）復(fù)合材料制造技術(shù)差距。滿足快節(jié)拍低成本制造的相關(guān)材料和自動化裝備滯后。汽車產(chǎn)業(yè)的特點要求復(fù)合材料制造過程中既要滿足性能要求，又要滿足快節(jié)拍生產(chǎn)和低成本制造，還要發(fā)展配套的維修材料和維修工藝。目前國內(nèi)已經(jīng)有滿足低成本要求的碳纖維材料、快速制造的樹脂材料和配套工藝材料。而且，為之開發(fā)了快速制造整套數(shù)字化、智能化工藝裝備，保證了汽車復(fù)合材料零部件的快速可重復(fù)精確制造。國內(nèi)相關(guān)材料雖然也在研發(fā)，但尚未形成標(biāo)準(zhǔn)和實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
      （4）設(shè)計開發(fā)和試驗技術(shù)落后，能力不足。目前，復(fù)合材料設(shè)計軟件均來自于國外，覆蓋復(fù)合材料設(shè)計、工藝仿真、力學(xué)性能分析的系列仿真軟件。由于汽車復(fù)合材料研究在中國剛剛起步，目前國內(nèi)缺少設(shè)計、分析和仿真所需的可靠的材料和工藝數(shù)據(jù)；還不能準(zhǔn)確、完整地定義載荷和環(huán)境條件要求；汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷模式和失效準(zhǔn)則還難以確定；汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試驗方法、判據(jù)和試驗裝備缺乏：既懂汽車又懂復(fù)材設(shè)計的人才稀缺，這些方面都需要在后續(xù)研發(fā)和應(yīng)用中逐步積累和完善。
     （5）汽車用復(fù)合材料維修技術(shù)尚未全面開始研究。基于 VAT 技術(shù)的修補材料及修復(fù)補強技 術(shù)需要進(jìn)一步推廣。
     （6）工業(yè)化的復(fù)合材料回收再利用技術(shù)還不成熟，尚未形成一條完整的復(fù)合材料回收利用產(chǎn)業(yè)鏈，需盡快開展碳纖維復(fù)合材料廢品的循環(huán)利用技術(shù)的研發(fā)工作，提高碳纖維產(chǎn)品的利用效率。

       國內(nèi)汽車復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要突破的關(guān)鍵技術(shù)高性能復(fù)合材料要在汽車上實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，首先需要設(shè)計和構(gòu)建基于量產(chǎn)的復(fù)合材料汽車零部件快節(jié)拍制造系統(tǒng)解決方案。目前，不管是汽車主機廠、汽車零部件企業(yè)，還是復(fù)合材料零部件制造企業(yè)都沒有現(xiàn)成的基于量產(chǎn)和低成本制造的系統(tǒng)解決方案。構(gòu)建該解決方案需要首先突破以下關(guān)鍵技術(shù)：材料—設(shè)計—制造一體化產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)；低成本、快速固化的材料(或低工藝成本材料)技術(shù)；低成本、自動化連續(xù)集成制造工藝技術(shù)；產(chǎn)品（或元件級）關(guān)鍵性能試驗技術(shù)；配 套修補材料和修復(fù)技術(shù)；復(fù)合材料循環(huán)利用與回收技術(shù)。

       國內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料輕量化汽車制造產(chǎn)業(yè)方面才剛剛起步，還處于前期技術(shù)探索和積累階 段。因此國家推動碳纖維復(fù)合材料在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用不僅必要，而且愈來愈顯緊迫。從推動新材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面來看，國家引導(dǎo)汽車工業(yè)和碳纖維材料產(chǎn)業(yè)相互結(jié)合也具有更加深遠(yuǎn)的意義。碳纖維-復(fù)合材料-應(yīng)用這個產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個學(xué)科、多個領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題與應(yīng)用技術(shù)問題，具有交叉性強的特點，亟待國家進(jìn)行全面的頂層設(shè)計、分類管理，組織強強聯(lián)合、集智攻關(guān)，共同構(gòu)建整車企業(yè)-碳纖維原料-復(fù)合材料制造企業(yè)的聯(lián)合團(tuán)隊，突破設(shè)計、材料、制造、驗證、裝備等一系列關(guān)鍵技術(shù)，打造基于量產(chǎn)的復(fù)合材料汽車零部件快節(jié)拍制造系統(tǒng)解決方案。逐步實現(xiàn)汽車行業(yè)對于復(fù)合材料從不會用到會用，從簡單用到用到好的轉(zhuǎn)變。