汽车轻量化领域用碳纤维复合材料的关键技术

1981年，迈凯轮（McLaren）向F1赛车中引入了世界上第一个碳纤维外壳材质的一级方程式赛车，在激烈竞赛期间，迈凯轮轻量化的车重并提高操控性能具有开创性。

Formula 1成为碳纤维的最早采用者，但该技术很快转移到了高性能公路车上。1992年迈凯轮F1的第一批赛车，随后是兰博基尼和法拉利。

在过去的二十年中，碳纤维已进入生产中的几乎所有超级跑车，超级跑车和豪华跑车。

 McLaren MP4/1

CFRP被广泛用于高端市场–赛车，超级跑车和高档跑车领域中。在这些细分市场中，汽车性能是关键因素。 轻量化、降低排放、操控性以及外部结构美学成为碳纤维在汽车领域应用的动力。

碳纤维常用于包括主体框架结构，车顶结构，内部和外部车身面板等的组件中。材料的大部分以预浸料形式提供，但在某些情况下使用HP-RTM工艺。

 碳纤维在汽车框架中应用

最近几年来，由于行业驱动以及设备制造商寻求推进其CFRP集成等因素驱动，CFRP已经出现由高级乘用轿车向中型车辆发展的趋势。如下图所示：

 乘用车开始采用碳纤维材料

全球乘用车预计将以2.8％的复合年增长率增长，预计到2020年全球汽车产量将突破1亿辆；其中中国将继续是最大的市场，而且也是增长最快的市场，欧洲和北美将保持相对平稳。

全球乘用车市场发展趋势

与乘用车高速发展趋势相反，利用石油或柴油尤其是柴油发动机为动力的乘用车销售将大幅下降，以EV / PHEV为代表的新能源汽车复合年增长率预计将大幅增长35％，最快的成长期2025 -2030。

不同类型乘用车市场发展趋势

汽车行业发展趋势对碳纤维复合材料提出了挑战：

成本–是大量采用CFRP的最大障碍；

产能–扩大规模需要大量资金；

循环次数–需要CFRP的超低循环时间才能满足生产率要求；

质量保证–可重复，低PPM故障等级；

可回收性–报废/再利用是许多国家/地区的法规要求；

集成–多材料解决方案将需要金属和塑料之间的有效兼容性；

数据库体系–汽车工程师需要良好的材料数据来支持零件设计。

针对上述CFRP在汽车工业领域应用面临挑战，主要解决方案包括：

材料解决方案– CFRP不能适合所有组件，而是在正确的位置使用正确的材料；

制造设计–培训汽车工程师如何针对CFRP与金属进行设计；

材料创新–降低成本至关重要，价格差异必须与价值差异相匹配；

工艺创新–要实现时间/转换成本目标，需要重大技术进步；

稳健供应链–能够跨多个零件（T1 / T2 / T3）供应> 200,000个单位。

针对碳纤维复合材料进行设计，而不能落入金属材料的套路中，这意味着需要：减少零件数量/简化设计、增加曲率和拔模角度、树脂流动设计/低循环时间、考虑粘接要求和零件集成、尽量减少浪费并在可能的情况下进行设计、为零件选择正确的处理方法、协作以改善结果。

将CFRTP与注塑成型相结合，可以提高组件强度，刚度和功能性的结构，而且能够以合理的成本生产大量产品，该技术主要适用于非结构和半结构零件–非底盘，副车架等，生命周期可回收优势。

该技术曾被视为所有汽车应用的首选解决方案，然而事实证明它更适合于汽车主要结构部件，例如底板，电池盒，支撑柱和车顶结构；成本仍然是该技术获得广泛应用的最大障碍。

目前，一些新的重大项目仍然采用该技术，通常选择液体压缩模塑，在该技术中良好的设计和预成形工艺对可行性至关重要，比较适合大批量生产。

该技术最广泛使用的方法是与大型预浸料相结合，具有良好的视觉效果，适用于非结构、半结构和结构零件，常用的增强材料类型包括单向预浸料、编织物、NCF等，但是面临着批量生产的挑战。

近年来，片状模塑材料（SMC）获得了广泛的关注，并且在未来十年内有可能成为汽车用CFRP主要技术，其优势在于快速成型和低成本，但缺点也比较明显，机械性能较低，因此主要适合一些对强度要求不高零部件，典型代表为丰田普锐斯。

Tape placement技术是新兴技术，但由于具有精确的材料放置创造出优化的零件、极低浪费、节省成本、无需预成型、柔性树脂系统等优势，应用前景十分广泛，但其主要缺点在于成型速度较慢。

随着汽车工业发展，为了汽车用碳纤维复合材料发展趋势包括：