汽车轻量化的需求驱动着车用材料的快速创新和发展。随着新能源汽车在国内的快速发展，尤其是高端电动车市场的进一步增加，给复合材料的产业化应用带来新的机遇。随着复合材料技术的不断进步，复合材料在汽车轻量化中应用得到了迅速发展，欧美日等汽车发达国家，都已在汽车中大量采用复合材料，碳纤维复合材料逐步进入汽车领域，将成为汽车复合材料的发展趋势。今天我们就碳纤维材料发展采访了碳纤维领先企业——吉林省华阳新材料研发有限公司，公司隶属于吉林省华阳集团，集研发、生产、检测、销售于一体，可面向汽车轻量化、轨道交通、航空航天、舰船海洋工程等领域，提供纤维复合材料一站式解决方案。1碳纤维复合材料的主要性能特点是什么？国内外主机厂碳纤维复合材料的应用情况如何？当前，碳纤维复合材料在结构件上的应用情况及应用前景如何？碳纤维复合材料的主要性能特点是比重小、比强度和比模量大；具有高断裂韧性、耐腐蚀、可设计性强、易成形、减振阻尼性能好等一系列优点，既能够满足部件刚强度、轻量化的设计要求，在车辆安全性上也具有明显优势。德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，这两个车型应用了全碳纤维复合材料制造的乘员座舱模块，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。主要在乘员舱局部应用碳纤维复合材料，用来加强车身结构，减轻车身质量的同时提高了碰撞安全性。国内北汽新能源汽车LITE车型的上车体采用碳纤维一体化设计，其碳纤维应用量为13.1%，此外，前防撞梁本体、后地板、后尾板、玻璃升降器支架也采用了碳纤维复合材料。前途汽车K50车型利用碳纤维复合材料零件可集成模块化设计的特点，除前后保险杠和侧裙这些易损件之外，车身外覆盖件均由碳纤维材料制作，集成设计应用了29个碳纤维复合材料零部件，主要有车门外板、侧围外板、顶盖外板、发动机罩外板等外覆盖件。另外国内多家主机厂均纷纷在开展相关碳纤维零件的应用研究工作。碳纤维复合材料结构件最早主要应用在赛车上，工程师通过改装更轻、强度更高的碳纤维部件来提高赛车性能，提升比赛成绩。碳纤维最早应用在 F1赛车以及追求极致性能的兰博基尼车身和底盘上；随后，碳纤维改装件逐步进入市场，成为改装车发烧友的目标；真正进入工业化应用的，则是宝马连续推出的i3电动车和7系，在车体采用了大量的碳纤维以达到减重的效果。除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。这些车型最大的特点是都属于超跑或者高价车，由于技术成熟度及成本等因素，碳纤维复合材料在中低价车上的应用仍然需要时间。丰田86碳纤维翼子板Stelvio四叶草版运动SUV轻量化底盘结构及碳纤维传动轴麦格纳碳纤维复合材料副车架瑞典柯尼赛格的Agera R车型碳纤维轮毂法国Saint Jean Industries公司“碳纤维/铝”的混合材料的悬架转向节Porsche AG等车采用碳纤维制动盘韩国LJIN Composite 超轻复合氢气罐2碳纤维复合材料结构件的常用制造工艺有哪些？在实际应用中如何选择合适的工艺进行零件的批量生产制造?汽车行业常用的碳纤维复合材料零件制造制造工艺有很多。批产工艺（5-6min/件）主要有：HP-RTM、湿法模压（WCM）工艺 、SMC工艺、拉挤缠绕工艺。样件工艺（6-8小时/件）主要有：预浸料热压罐工艺、真空导入工艺、低压RTM工艺。在实际应用中科根据生产效率与产品产量来选择不同种类工艺；结合产品自身结构特性、产品自身强度、成本控制、成型批产效率、减少劳动力使用、操作环境干净整洁等因素及原则进行工艺的选择。HP-RTM工艺、SMC工艺和预浸料热压罐工艺可以制造结构复杂产品，相同材料，HP-RTM工艺和预浸料热压罐工艺的产品力学性能更优异。HP-RTM工艺可生产高强度高疲劳的产品，且产品重量及成本较其他工艺低，生产节拍高速，可高效批产、节省劳动力。①通常高强度且较大产品，如汽车高强度零部件等多选用HP-RTM工艺、预浸料热压罐工艺，如汽车包裹架隔板、电池盖、侧翼子板等。②汽车改装及表观件等，需要保证外观及纤维方向产品通常选用预浸料模压或热压罐工艺进行生产，可保证产品件强度及表观碳纤纹路清晰美观，达到汽车产品表观美化的目的。3碳纤维复合材料在汽车上的应用存在哪些技术难题？国内外有哪些解决方案？难题1：成本过高解决方案：由于生产成本高、技术要求高、国外技术的垄断、供需两侧失衡等问题的存在，国内碳纤维的成本高于国外。解决成本问题最关键的莫过于规模效益与工艺革新。国内多家企业已经开始低成本碳纤维的研发。难题2：制造工艺难以同时满足“轻量化新材料—结构设计—加工成形”的行业标准和低成本化的要求解决方案：采用德国宝马公司应用的HP-RTM工艺加工成形技术同时实现“结构—功能—工艺”一体化的设计与制造，使制品性价比达到最优化，同时满足安全性、功能性、绿色环保和循回再使用，具有较高科技创新水平和广泛市场应同前景。难题3：异种材料之间的连接解决方案：异种材料无法直接采用现有的钢制零件的焊接方式，因此需要开发新的连接方案。碳纤维与其他材料的连接方式主要有：机械连接、胶接连接、卡接、混合连接。机械连接：采用铆接、螺栓连接、缝合、针钉连接等形式实现部件的连接。由于碳纤维复合材料与金属材料在理化性能上的差异，采用机械连接方式将其与金属材料连接时易导致接头处的承载能力降低。优点是耐高温、抗蠕变能力强，连接强度分散性小、抗剥离能力大、易于拆卸和组装等。缺点是开孔处易发生应力集中、连接效率低、 紧固件和连接接头重量较多等 。在设计过程中需规避缺点。胶接连接：采用胶黏剂将零件连接成不可拆卸整体的一种连接工艺。相比于机械连接工艺，胶接工艺无需在材料表面开孔，可以避免切割等机械加工带来的损伤和应力集中。因此，在碳纤维复合材料的连接设计中，胶接工艺比机械连工艺接应用更广泛。胶接工艺具有连接效率高、抗疲劳、表面光滑等突出优点。但也存在易于剥离和出现环境退化、承载能力较低、不易于拆卸等方面的缺点。多数胶粘剂含极性基团，在湿热环境下水分子容易 在极性的胶粘剂层扩散，从而导致胶粘剂层膨胀、变形，最终在内应力的作用下发生脱胶现象。卡接：该工艺由宝马公司开发，应用于宝马7系碳纤维后窗台台板连接工艺。后窗台板由碳纤维复合材料构成，与车身结构通过粘接和卡接的方式拼接。与传统钢制车身卡接结构不同， 塑料卡扣卡接的对手件不再是焊装在车身上的螺柱，而是熔焊在车身上的球形结构。混合连接：将胶接和机械连接共同使用的连接方式，包含了胶接—铆接，胶接—螺栓，胶接—卡接等方式。混合连接综合了机械连接和胶接的优点。宝马7系车身上，碳纤维结构加强件与车身连接多处使用了混合连接工艺。难题4：CFRP车身零部件多沿用原金属材料零部件的结构形式，这样的设计难以发挥CFRP各向异性力学特性的特点，存在设计保守、材料浪费、结构冗余等弊端解决方案：在进行CFRP车身结构及零部件的结构设计时，需结合材料各向异性的力学特性开发出适用的结构设计及优化方法。例如，国内已经有研究者针对热固性树脂基CFRP的大客车翻滚保护杆进行研究，通过侧翻仿真分析发现在满足车身刚、强度的条件下，采用了新材料后大客车的质心位置下降，整车质量及侧翻弯曲惯量降低，提高了大客车的动力性及燃油经济性。4目前很多结构件均为钢板冲压制成，用碳纤维复合材料来制造这些结构件势必与以往大有不同，请您谈谈贵公司如何从设计到制造，每个环节的不同点？设计性：随着新能源汽车行业的不断发展，对于汽车轻量化要求日益增高。在众多材料中，碳纤维复合材料以其优异的比强度、比刚度、耐腐蚀及抗疲劳性能日益为人们所重视。而碳纤维材料与金属材料之间的不同特点，也为工程设计人员提供了不同的思路。金属材料通常呈各项同性，有屈服或条件屈服现象。而单层碳纤维具有明显的方向性。单层板沿纤维方向力学性能高于垂直纤维方向性能和纵横剪切性能1~2个量级，并且应力应变曲线在断裂前呈线弹性关系，因此，碳纤维材料可以通过层合板理论，选择单层的铺设角、铺层比、铺层顺序。可根据载荷分布特点，针对性设计来获得需要刚度和强度性能，而传统金属材料只能通过加厚来实现。同时，层合板性能裁剪设计不仅可以获得所需的面内刚度和强度性能，还可以获得独特的面内与面外之间的耦合刚度。制造角度：碳纤维制品主要采用的是热压固化工艺，是将碳纤维预浸料裁剪成不同尺寸大小，再按照一定的角度层叠铺设，再将其放入模具内，经过时间、温度与压力的共同作用，将产品的形状固定下来，以达到最后所期望的效果。碳纤维复合材料的力学性能受到纤维和树脂双重体系的影响。与金属材料成型工艺相比，碳纤维树脂基复合材料成型工艺需要注意以下几个方面：①应确保实现结构设计所确定的纤维铺设方向。②热压工艺的成型，结构件成型与材料的形成同时完成。③尽量保证一体化成型，显著减少机械加工和装配工作。④需要完善的工艺质量控制体系，保证高成品率。碳纤维复合材料的疲劳特性主要影响因素是压缩应变和高应变水平。疲劳性能通常进行压—压（R=10）和拉—压（R=-1）的疲劳试验，而金属材料一般进行R=0.1的拉—拉疲劳试验。相比于金属零件，尤其是铝合金，碳纤维零件本身便具有优异的疲劳性能，通过产品连接特性的不同也将有不同的连接方式，机械连接、胶接连接、卡接、混合连接等结合复合材料自身优异的疲劳与强度特性保证金属与复材连接后性能。5未来贵公司对于碳纤维的发展的规划是什么？我公司引进了德国全自动的HP-RTM产线，组建了专业的技术团队，已具有汽车零部件的自主研发及批量化生产能力，公司现拥有年产30万件的生产能力。将大力发展HP-RTM工艺在汽车方向的应用。也将实现产线智能自动化，涉猎不同领域碳纤维复合材料制品。碳纤维复合材料在汽车领域，新能源汽车领域进行探索，未来前景很长远，节能减排，绿色环保”是人类长期的主题，这个已经不是一个口号，同时复合材料也将在轨道客车行业进行研发使用，大到飞机轮船，导弹卫星，小到家用汽车内饰、外部改装，医疗器械，体育用品，无人机等。6展望a.碳纤维复合材料在国内量产车型的推广应用有赖于国产碳纤维制造水平和能力的发展，需打破进口碳纤维的价格壁垒。b.建立健全设计法规，保证车辆碰撞安全性及环保要求。c.建立完善的材料性能库，配套的设计软件，为国产汽车的材料设计提供支撑。d.开发成型周期短、尺寸稳定性好的树脂基体，保证汽车行业的产能与生产节拍要求。e.建立碳纤维复合材料低成本、高利用率回收体系。f.完善售后维修体系，降低维修成本。}