碳纤维及其在汽车轻量化中的应用

概要：本文介绍了碳纤维的结构与性能，以及聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺流程，简述了国内外碳纤维生产企业概况，重点阐述了碳纤维在汽车轻量化中的应用。碳纤维及其复合材料具有量轻､刚性大､易加工成形､抗冲击能力强､耐久性好､舒适性好等优点，应用于汽车中，是降低油耗､减少排放､提高新能源汽车续航里程最有效的途径之一；碳纤维生产成本高，复合材料成形工艺周期长，组件尺寸大､质量不稳定､量产困难等是今后需要解决的问题。 

新能源汽车被列入国家“十三五”规划，目前阻碍新能源汽车发展的主要因素是整车成本及整车质量等问题。为实现汽车轻量化，需替代原有钢制车身，碳纤维作为一种新型增强材料，在汽车轻量化的应用前景广阔。碳纤维作为增强材料和树脂基体复合而成的复合材料，优势明显，例如：低密度､高比强､高比模､耐疲劳性能好､耐腐蚀性能好､可设计性强､减震等。碳纤维复合材料可使车身质量降低60%以上，续驶里程提高25%以上，既降低了整车的质量及油耗，又不失轻便灵巧。

1.碳纤维的结构与性能

1.1 碳纤维的结构

碳纤维是由有机纤维经碳化和石墨化处理而得到的微晶石墨材料，作为含碳质量分数大于90%的高强度､高模量的纤维状碳材料，其沿纤维轴方向强度极高。就碳材料而言，主要的结构形态有无定型结构､金刚石结构和石墨结构，其中，石墨结构是最稳定的结构形态。石墨中的碳原子以六方网络片状的形式存在，层内碳原子以共价键相连，层与层之间则相互错开由范德华力相连。

碳纤维的微观结构包括表面结构､皮芯结构､微晶结构及孔洞结构。其中，碳纤维的皮芯结构主要制约碳纤维强力；孔洞结构使碳纤维虽然孔隙粗糙度提高，但强力下降。碳纤维中存在大量的微观结构缺陷，使得碳纤维的实际力学性能和理论力学性能之间差异明显。碳纤维在制备过程中会产生各种缺陷，导致碳纤维并非理想的石墨点阵结构，而是乱层石墨结构。为了制造出高性能的碳纤维，必须克服碳纤维的微观结构缺陷。

1.2 碳纤维的种类及性能

碳纤维按原料来源划分，主要分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维､沥青基碳纤维及粘胶基碳纤维。其中，粘胶基碳纤维开发早，但强力低，应用较少；沥青基碳纤维弹性模量好，但抗拉强度和抗压强度低，且沥青的提取成本高。目前，PAN基碳纤维使用范围最广，产量占比超过90%。PAN基碳纤维丝束按单丝数量划分，分为小丝束和大丝束，其性能对比见表1。

与小丝束相比，大丝束性能较差，在制作板材等结构时，丝束不宜展开，导致单层厚度较大，不利于结构设计。此外，大丝束碳纤维更易粘连､断丝，造成比强､比模量下降。小丝束碳纤维一般应用于飞机､航天器上，因此被称为“航空级”碳纤维，大丝束碳纤维被称为“工业级”碳纤维。碳纤维的高附加值主要体现在比强度､比模量优势上，比强度(107cm)是普通钢､铝合金､钛合金､玻璃钢的2-8倍，比模量(109cm)是普通钢､铝合金､钛合金､玻璃钢的3-5倍。碳纤维及其制成品的基本性能可以概括为以下几点：

(1)轻量。碳纤维的密度为1.6g/cm3，是普通钢材的1/4，轻量是碳纤维车架的最大优势，碳纤维车架制成品一般小于1kg。

(2)舒适性。碳纤维车架经避震结构设计后，可以在震动传输过程中减缓震动。

(3)刚性大。碳纤维车架经精密的碳布堆叠工艺制成，刚性极大。

(4)易加工成形。模具经碳布堆叠及高温成形后，碳纤维车架外形种类丰富，适用范围广。

(5)高拉伸强度。强度是同等截面钢材的7~10倍。

(6)耐久性好。可阻抗化学腐蚀和恶劣环境､气候变化的破坏。

(7)易老化和无法修复。

(8)特殊性能。如X光透光性，生物相容性，耐高低温性，一定的导电性和导热性。

2.PAN基碳纤维的生产工艺流程

PAN基碳纤维应用广泛，在碳纤维加工中处于主导地位。PAN基碳纤维的制备工艺主要有湿法纺丝､干法纺丝､干喷湿纺和熔融纺丝。其中，干喷湿纺技术作为高效纺丝技术，具备生产效率高､碳纤维品质好､生产成本低等优点，被认为是今后碳纤维生产的主流工艺，但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术，目前在国际上仅有美国和日本的个别公司掌握这一工艺，中国对于这项技术还未完全掌握。PAN基碳纤维的湿法纺丝生产工艺流程如图1所示。

与传统的金属加工工艺相比，PAN基碳纤维生产工艺流程需要的工艺精细程度､原材料预处理程度和设备要求程度均更复杂，资金花费更多。同时，PAN基碳纤维生产过程把前驱体中的无关成分全部去除，需消耗大量能源。据估计，前驱体的成本占据碳纤维材料成本的40%以上。

3.国内外碳纤维生产企业概况

20世纪60年代，碳纤维起源于日本，其后，日本和美国成功占据了碳纤维市场的领先地位。日本作为全球最大的碳纤维生产国，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位，日本东丽公司更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。

世界各国企业中，日本的东丽公司､东邦公司､三菱丽阳公司三家企业的小丝束碳纤维产能最大､产品力学性能品级齐全､规格多样。其中东丽公司处于领先地位，其产品型号规格齐全，可以满足不同应用领域需求；产品性能稳定，拉伸强度和弹性模量的离散系数均小于3%；东丽公司重视碳纤维产品的应用，建立起了碳纤维､碳纤维预浸料､碳纤维无纺布､碳纤维层压材料､碳纤维复合材料等产品体系；更与航空航天､建筑､汽车､环保等相关行业的公司建立合资企业或签订长期的战略合作协议，开发并积累应用制造技术和合作，积极拓展相关市场[17]。美欧企业以生产大丝束碳纤维为主，日本以生产小丝束碳纤维为主，后者难度更高､性能更好。在小丝束碳纤维生产上，日本东丽公司､东邦公司､三菱丽阳公司3家日本碳纤维企业约占全球小丝束碳纤维产能的50%；大丝束碳纤维上，美国的碳纤维企业约占全球大丝束碳纤维产能的90%。

我国在碳纤维上起步较早，但发展较慢，直至近些年，国内碳纤维产业才开始迅速发展，实现从无到有。2009年，T300级碳纤维规模化生产成功；2012年，T700碳纤维试产成功。碳纤维的产能提升明显，碳纤维及其复合材料产业链､成套设备制造等等国产化都取得了进步。我国的碳纤维生产厂家主要有湖南东邦新材料科技有限公司、中复神鹰碳纤维公司、威海光威复合材料股份有限公司等。但是，国内碳纤维产业与美国和日本差距较大，也远远不能满足国内碳纤维需求，技术不成熟且产品质量较差。虽然部分品种已经实现了工业化生产，但性能不稳定，难以开拓市场。原因之一是生产成本高。技术层面上，技术不稳定，国内企业生产规模小，产品工艺路线和市场定位基本相同，产品同质化严重；高端空白，低端过剩，只能走低价策略。原因之二是碳纤维生产､树脂体系研发制备､预浸料生产､复合材料制品之间开发与应用产业链等均存在较大问题。

碳纤维在民用航空业中应用前景较大，但各国只允许少数企业供货，与日美企业相比，国内企业航天级碳纤维市场不容乐观，差距也较大。相比小丝束，大丝束价格低，且足以满足碳纤维优异的性能。其中，土耳其的阿克萨(AKSACA)公司于2006年开始研发碳纤维生产，只专注于工业级碳纤维的生产；日本企业也已经开始了大丝束碳纤维的生产。因此，生产工业级纤维是碳纤维的发展方向，其中，车用碳纤维的发展空间更大。

4.碳纤维在汽车轻量化中的应用

4.1汽车的轻量化

汽车的轻量化是通过优化汽车结构实现汽车零部件的轻量化。目前，汽车轻量化是碳纤维复合材料应用的主要发展趋势之一，其在汽车上的应用部件主要包括汽车车身､制动器衬片､燃料贮罐､座椅加热垫､传动轴､轮毂等部位，其次还包括汽车底盘､引擎盖､仪表盘､座椅､座椅套垫､导流罩､A柱等众多部位。

4.1.1汽车车身

碳纤维复合材料车身刚度大､质量轻､防撞击能力强，零部件整合､安装成本低，避免了车身喷涂及环保处理的成本。英国材料实验室研究及宝马i3新能源汽车应用均表明，碳纤维复合材料车身比钢制车身质量降低一半以上，大大提高了能源利用率；美国CSP公司生产的发动机罩中，结构面板采用碳纤维复合材料，使得发动机罩质量下降明显。

4.1.2制动器衬片

以前主要使用的石棉摩擦材料不及碳纤维复合材料耐磨性能､耐热(最高耐热2500℃)性能优异，因此碳纤维复合材料逐渐替代石棉，被引入到汽车刹车片中。目前，碳纤维复合材料制动盘在赛车中的应用已较为广泛；西格里公司生产的碳纤维-陶瓷制动盘装置，应用于PorscheAG､911TurboGT和GTIIS车型。

4.1.3燃料贮罐

碳纤维复合材料燃料贮罐具有质量轻､强度高，可多次使用等优点。沃尔沃研发的S80新蓄电材料电动车中的蓄电材料是由多层碳纤维以及树脂聚合物构成纳米结构的电池以及电容。

4.1.4座椅加热垫

碳纤维材料的良好导热性(热效率达96%)能够保证热量在座椅加热区的均匀释放；碳纤维在座椅中均匀分布又能保证座椅表面的平整性，从而增加使用寿命。

4.1.5传动轴

碳纤维传动轴能够减轻60%的质量。由于碳纤维复合材料的各向异性及高比强等特性，使得传动轴具有更好的耐疲劳性和耐久性。丰田开发的TheDriveshaftShop碳纤传动轴不仅质量减少了一半，且传动效率更快；英国GNK公司研发了碳纤维传动轴广泛应用于AudiA4等车型；日本东丽公司生产的碳纤维汽车传动轴广泛应用于阿斯顿马丁､马自达､越野､奔驰等车型。

4.1.6轮毂

轮毂的轻量化可以减轻簧下质量，高效发挥轮胎滚动性，进一步提升整车性能。2008年，日本WedsSports公司首次使用了碳纤维轮毂；2009 年，澳大利亚CarbonRevolution公司推出全碳纤维轮毂；此外，英国Kahm､英国DYMAG等公司相继开发出了多款高性能的碳纤维复合材料轮毂产品。

4.2汽车用碳纤维复合材料的应用历程

20世纪70年代末，福特公司将碳纤维复合材料应用在汽车轻量化上的研究取得了较好的效果；美国道奇蝰蛇和2014款雪佛兰科尔维特使用碳纤维材料生产了发动机罩和其他部位；日本帝人公司进一步提高了碳纤维产能以满足丰田汽车公司和通用汽车公司的需求；东丽与戴姆勒股份公司合作研发奔驰碳纤维复合材料部件；德国大众高尔夫7使用碳纤维车顶，可减重18~20磅；宝马7系采用碳纤维材质比老款减重230kg。在中国，江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车；北京现代汽车成功研发了碳纤维发动机盖覆盖件等一系列碳纤维复合材料部件；奇瑞汽车开发了一款碳纤维复合材料的电动汽车。

碳纤维汽车首次出现是在1981年，迈凯伦McLarenMP4-1车型是全球首款采用碳纤维复合材料制成的汽车，被认为是碳纤维复合材料首次正式出现在汽车工业领域。之后，碳纤维复合材料应用到宝马i3､i8车型的车身设计案例，并采用全自动HP-RTM工艺(针对大批量生产高性能热固性复合材料零件的新型RTM工艺技术)流程，是未来碳纤维大规模工业化的趋势。

4.3汽车用碳纤维复合材料的应用前景

碳纤维在所有产品中基本是以聚合物基复合材料(PMC)的形态出现，碳纤维复合材料作为两相材料是其中的一种。碳纤维的高拉伸与压缩性能直接表现在高强度高模量上，因此在碳纤维复材中主要用作承力组件；对于模量相对较小的基体，其主要作用是传导载荷。碳纤维复合材料比强度极高，在同等强度下比金属等传统材料更轻。碳纤维复合材料在新能源汽车及传统汽车领域应用前景广阔。2015年，新能源汽车销量达3.3×105辆；2016年，销量达百万级别。随着国家政策鼓励，市场对新能源汽车的轻量､节能､环保等需求更高。预计2017年以后碳纤维复合材料新能源汽车占汽车行业市场的份额将进一步增大，至2020年，碳纤维复合材料车身部件将会实现规模化应用。实现碳纤维复合材料汽车的量产需大规模取代汽车的主要金属结构件，降低材料加工成本，加快材料到产品的生产周期，解决材料的回收等是需要重点考虑的问题。

5.结语

在国家政策的支持和引导下，新能源汽车的开发是必然趋势。由于碳纤维复合材料具有可塑性好､抗冲击能力强､刚度高且轻量等优点，是汽车降低油耗，减少排放，提高新能源汽车续航里程最有效途径之一。碳纤维复合材料作为新能源汽车的重要组成部分，在减重的同时又能保持较高强力，发展前景极其广阔。但是，碳纤维复合材料应用于汽车轻量化时，存在成本高､质量不稳定､量产困难､复合材料成形工艺周期长､组件尺寸大等问题。因此，克服这些问题，既是碳纤维产业发展的关键，也是碳纤维复合材料应用于汽车轻量化的研发方向。