【聚焦】碳纖維復合材料在電動(dòng)汽車(chē)輕量化領(lǐng)域中的應用

      能源枯竭和環(huán)境惡化是阻礙可持續發(fā)展的兩大頑疾，由于節能減排的迫切要求，電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到了越來(lái)越多的重視，以美國、歐洲為代表的發(fā)達國家積極展開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐。中國作為快速崛起的大國，近年來(lái)汽車(chē)銷(xiāo)量急劇增長(cháng)，石油需求大幅攀升，快速的工業(yè)化導致環(huán)境污染日趨嚴重。在這樣的背景下，中國發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)具有重大的現實(shí)意義，不僅有利于降低對石油的依賴(lài)，保證我國的能源安全，也有利于我國的環(huán)境保護和可持續發(fā)展?！笆濉逼陂g，國家科技計劃將加大力度，持續支持電動(dòng)汽車(chē)科技創(chuàng )新，把科技創(chuàng )新引領(lǐng)與戰略性新興產(chǎn)業(yè)培育相結合，組織實(shí)施電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展專(zhuān)項規劃。

       我國電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但鑒于當前電池的能量密度、功率密度較低，導致電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際續航里程較短，而想要克服電池發(fā)展的瓶頸還有很長(cháng)一段路要走?？紤]到電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)重量也是影響其續航里程的主要因素之一，因此除了加快電池、電機技術(shù)的研發(fā)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身輕量化方面的研究工作也應重視。

輕量化方向

       電動(dòng)汽車(chē)輕量化可以從電池技術(shù)、電機技術(shù)、車(chē)用材料和汽車(chē)結構四個(gè)方面入手。在當前電池和電機的技術(shù)水平下，最大程度的輕量化要求我們在車(chē)身結構，材料的選擇與替代兩個(gè)方面進(jìn)行合理優(yōu)化，以此平衡電池包和電機的重量。

       1、結構輕量化。車(chē)身結構優(yōu)化在滿(mǎn)足諸如車(chē)身剛度、模態(tài)、碰撞安全、疲勞壽命等特性的同時(shí)，也必須考慮車(chē)身結構的可制造性和生產(chǎn)成本。在結構優(yōu)化方面，我國已經(jīng)邁出了重要一步，車(chē)身結構設計相對成熟，優(yōu)化空間正在減小。

       2、材料輕量化。目前仍以高強度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車(chē)材料組合。在輕量化趨勢下，我們應當深化多種材料組合的應用，在優(yōu)化組合的同時(shí)引入新材料，其效益不僅是輕量化結果本身，對整車(chē)開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)講也是一種進(jìn)步。

       結構優(yōu)化發(fā)展較早的原因之一是未找到合適的輕量化材料替代汽車(chē)用鋼。鋁出現后，便以?xún)?yōu)異的性能開(kāi)始應用于車(chē)身，同時(shí)玻璃纖維伴隨其他復合材料也開(kāi)始出現。如今，碳纖維憑借其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。當前已經(jīng)有憑借碳纖維材料的優(yōu)異特性成功降低車(chē)重和碳排放的實(shí)例，尤其在一些新款電動(dòng)車(chē)中，人們可以找到碳纖維材料的身影。

應用現狀及效果

       國外電動(dòng)汽車(chē)的碳纖維車(chē)身技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗室走向生產(chǎn)。雷克薩斯LFA研發(fā)團隊深入研發(fā)碳纖維復合材料的生產(chǎn)技術(shù)，由65%的碳纖維增強塑料和35%的鋁合金材料構成的車(chē)身，比同樣的鋁制車(chē)身輕約100 |千克，結構更堅固。寶馬于2011年推出的Hommage全新概念車(chē)采用輕量化碳纖維復合材料，整車(chē)質(zhì)量只有780千克。未來(lái)寶馬將要推出的電動(dòng)汽車(chē)將更多地采用碳纖維，新電動(dòng)車(chē)底盤(pán)也將在很大程度上采用碳纖維增強熱固性塑料。梅賽德斯奔馳SLR超級跑車(chē)，車(chē)身幾乎全部采用碳纖維復合材料，由于強化了碳纖維的應用，在碰撞中具有高效的能量吸收率。更值得一提的是該車(chē)在搭載240千克電池包的情況下整車(chē)重量不超過(guò)850千克。這一應用在降低整車(chē)質(zhì)量的同時(shí)兼顧了汽車(chē)性能與安全，可見(jiàn)碳纖維復合材料對于平衡電動(dòng)汽車(chē)電池包重量的顯著(zhù)效果。

       碳纖維復合材料具有質(zhì)輕高強、耐磨、熱導率大、自潤滑、耐腐蝕、抗沖擊性好、疲勞強度大等優(yōu)越性。對于汽車(chē)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，碳纖維復合材料車(chē)身還具有集成化、模塊化、總裝成本低、投資小等優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統車(chē)身的噴涂過(guò)程和相應的環(huán)保處理成本。由于碳纖維增強復合材料有足夠的強度和剛度，是適于制造汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)等主要結構件的材料。目前，在賽車(chē)和高檔跑車(chē)之外，碳纖維增強復合材料可以很大程度地應用于傳統汽車(chē)中替代傳統零部件材料，如發(fā)動(dòng)機系統、傳動(dòng)系統、底盤(pán)系統，最重要的是車(chē)身。目前汽車(chē)車(chē)身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大，碳纖維復合材料是車(chē)身輕量化材料很好的選擇。這種材料的替換應用同樣適用于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身，它的應用將可大幅度降低汽車(chē)自重達4060％,對汽車(chē)輕量化具有十分重要的意義。

大規模應用的阻礙因素

       碳纖維復合材料與汽車(chē)完美結合卻未欣欣向榮的原因，除了其本身的技術(shù)因素外，還有其他因素：

       1、性?xún)r(jià)比，也就是成本是生產(chǎn)商必須考慮的。輕量化的成本在一定程度上會(huì )成為后期節能的前期投入，反映在價(jià)格上就是整車(chē)的價(jià)位比較高。

       2、汽車(chē)發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境。金屬材料所占的市場(chǎng)及成熟的行業(yè)體系是碳纖維復合材料發(fā)展的主要障礙。碳纖維復合材料的技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展周期很難得到汽車(chē)投資者的青睞，況且針對汽車(chē)與碳纖維復合材料的規模性生產(chǎn)結合需要一定的前期投資。

       3、供應商的結構和能力。碳纖維復合材料供應商四分五裂，在資源和生產(chǎn)能力上有限，不具備設計、生產(chǎn)、實(shí)現汽車(chē)各種性能要求的系統研發(fā)能力。

引入方式

       如何將碳纖維復合材料引入汽車(chē)系列產(chǎn)品尤其是電動(dòng)汽車(chē)系列產(chǎn)品是我們必須考慮的關(guān)鍵步驟，現今的汽車(chē)是各種功能型材料的完美組合體。碳纖維復合材料應用于車(chē)身的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，然而成本居高不下成為制約其在汽車(chē)工業(yè)中大規模應用的瓶頸。

性能優(yōu)秀

      中航復合材料有限責任公司作為國內復合材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，于2016年1月啟動(dòng)全復合材料客車(chē)車(chē)身研發(fā)項目，設計組成員與整車(chē)企業(yè)中植航電動(dòng)汽車(chē)南通有限公司聯(lián)合設計，首輛全復合材料車(chē)身電動(dòng)客車(chē)于同年7月制造完成。該客車(chē)車(chē)身采用高強度碳纖維與低成本玻璃纖維混合制造，成功實(shí)現了車(chē)身輕量化，使得行駛安全性和乘車(chē)舒適感有所提升。該客車(chē)更具備零排放、無(wú)污染，充電快，電耗低等優(yōu)秀性能。

結構合理

       在設計初期確定車(chē)身結構方案階段，設計人員對比了三種結構形式：預成型骨架方案，層合梁骨架方案和無(wú)骨架方案。經(jīng)分析比較，上述三種方案強度水平基本相當，有骨架方案具有剛度優(yōu)勢，但三種方案均能滿(mǎn)足剛度要求。重量方面，三個(gè)方案無(wú)明顯差別，但無(wú)骨架方案在工藝性和成本方面具有明顯優(yōu)勢，所以最終選定無(wú)骨架車(chē)身結構作為設計方案。

控制成本

       選材時(shí)考慮到玻璃纖維價(jià)格低，技術(shù)較為成熟，在性能方面具有較好的斷裂應力應變能力，但缺乏剛性。于是設計人員將碳纖維與玻璃纖維兩種材料按適當比例混合，綜合兩種纖維增強復合材料的性能，從而減少碳纖維的用量，降低生產(chǎn)成本。

       該客車(chē)采用真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）工藝制造而成，目前國際上復合材料客車(chē)車(chē)身基本都采用VARI工藝制造，其最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是制件外觀(guān)存在細節上的瑕疵。除VARI工藝外，復合材料車(chē)身結構目前比較成熟的制造工藝還包括預浸料袋壓/熱壓罐、模壓、樹(shù)脂壓鑄（RTM）等，國外高端轎車(chē)采用的工藝主要是RTM和模壓工藝，其優(yōu)點(diǎn)是制件質(zhì)量好，工藝比較穩定，缺點(diǎn)是制造成本高，制造技術(shù)要求高。

減重明顯

       由于結構合理、選材得當，12米長(cháng)的客車(chē)總重量?jì)H為8.5噸，相比同級別車(chē)重量降低4~5噸，減重達30%以上。能夠實(shí)現2小時(shí)快速充電并且一次充電續航里程高達300千米，又因為整車(chē)重量減輕，使得電池剩余電量在低于25%情況下客車(chē)仍可正常行駛。

抗沖擊

       在側翻試驗過(guò)程中，當側翻角度達到49°時(shí)，整車(chē)隨即翻倒在地面，所有車(chē)窗玻璃破碎，然而車(chē)身未出現任何扭曲、撕裂及變形，并且安裝在車(chē)頂部近兩噸重的電池及箱體也保持完好無(wú)損。

抗翻滾性

       由于碳纖維復合材料的強度和模量均是高強度鋼和輕質(zhì)鋁合金的數倍，因此該客車(chē)具有很高的結構強度和抗瞬間沖擊能力，其側傾角可達38°以上，比國內同類(lèi)車(chē)指標優(yōu)化20%以上，具有更好的抗翻滾性。

阻燃隔離

       近兩噸的電池箱體采用世界首創(chuàng )的頂置模式，充分證明車(chē)身的高強度性能，同時(shí)由于采用了阻燃技術(shù)，在電池箱體發(fā)生意外燃燒情況下，電池箱與車(chē)身乘客區域隔離，因此不會(huì )危及車(chē)內乘客。

低地板

       除駕駛員區，輪艙區、后設備艙區以外，全車(chē)選用低地板結構，使得乘客上下車(chē)更為方便，地板離地最小距離150厘米，在人性化設計方面，更設有殘疾人上車(chē)輔助功能。

爬坡能力

       由于重量減輕，重心降低，使得整車(chē)行駛穩定性、轉彎慣性等一系列行駛性能得到極大的優(yōu)化和提高，特別是整車(chē)爬坡性能，具有28°以上的超強爬坡能力。

       高強度碳纖維復合材料在客車(chē)上的成功應用，將是客車(chē)乃至整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的一次顛覆性革命，是汽車(chē)行業(yè)的又一個(gè)里程碑。這項革命性的技術(shù)在不久的將來(lái)會(huì )為中國的新能源汽車(chē)行業(yè)做出更大的貢獻，開(kāi)創(chuàng )碳纖維新型復合材料客車(chē)、商用車(chē)發(fā)展的新紀元。

上海越科新材料股份有限公司成立于2006年，是結構復合材料技術(shù)提供商和產(chǎn)品制造商，專(zhuān)注于高性能要求和大型的結構性復合材料件的整體解決方案提供，模具設計制造，整體流水線(xiàn)總包，原材料供應。主要經(jīng)營(yíng)：環(huán)氧體系脫模劑，聚酯體系脫模劑、封孔劑等。