碳纤维复合材料应用于汽车

几十年前，就有专家曾预言碳纤维复合材料将会取代金属用来制造汽车结构件。现在这个预言已成为事实。碳纤维复合材料（CFRP），凭借其质量小，强度高、刚性高，良好的耐蠕变与耐腐蚀性的特点吸引了法拉利、宝马、兰博基尼、玛莎拉蒂、雷克萨斯等众多豪华轿车厂商的垂青，碳纤维复合材料已经成为各厂家出奇制胜的法宝。

碳纤维是一种具有类石墨结构的人造纤维材料,作为高端原材料在工业和生活中有非常广泛的应用，由于碳纤维复合材料具有质轻、比强度高、设计自由度高、集成性强等优点，碳纤维复合材料逐渐成为汽车轻量化材料的新宠。

通常情况下，车身自重约消耗70%的燃油，因此降低汽车油耗的首要问题就是减轻汽车自重。日本的碳纤维制造协会曾经做过一个关于碳纤维生命周期的测试，采用碳纤维加固的汽车因减轻了自身重量，不仅燃料应用效率极大提高，而且间接地降低了二氧化碳排放，作为环保材料的碳纤维受到全世界的关注。围绕“碳纤维汽车”，全世界的汽车企业展开了激战，国际碳纤维巨头也纷纷扩能，抢占这一具有巨大潜力的市场。

中国新材料技术协会会长、全国特种合成纤维信息中心主任罗益锋认为，今后CFRP(碳纤维增强复合材料)需求增长最快的将是汽车工业，预计到2020年的消费量将接近于航空航天与军工领域(约23000吨)。而我国碳纤维生产企业由于自身实力上的差距，目前鲜少涉足汽车用领域，唯有跨越式发展才可能把握住“汽车机会”。

国外车用碳纤维复材发展迅速

近年来，碳纤维复合材料在汽车上的应用部位不断扩大。2010年丰田上市的跑车雷克萨斯LFA全面采用CFRP制造车体，成为了关注的焦点，但其价格也创下了日本国产车中最高的3750万日元。其后，宝马集团通过开发多种技术提高生产效率，终于将CFRP成功地应用于量产车。

宝马的碳纤维原丝供应商是日本三菱丽阳。自2012年以来，三菱丽阳不断扩大碳纤维产业链，收购了日本CFRP零件制造商Challenge公司等多家企业，并计划2014年度以后增加美国工厂的设备，将年生产能力在现有约1万吨的基础上扩大到2万吨，将向作为主要客户的宝马汽车公司(BMW)扩大供货。

宝马公司还与汽车碳纤维生产商SGL Carbon(SGL)合作计划投资逾1亿欧元，将碳纤维产量从每年3000吨提高到6000吨，用来满足不断增长的宝马i系列电动汽车的市场需求，并同时应用在预计将于明年底上市的宝马7系车上。

日本东丽集团于2013年9月斥资近700亿日元，收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司(Zoltek)，藉此一跃成为全球最大的碳纤维供应商，将产品全球份额提高到30%。而全球第二大碳纤维厂商日本帝人则与美国通用汽车在碳纤维技术利用方面展开了合作，预计2014年将在美国新建工厂，并面向量产车供应碳纤维。

碳纤维应用汽车行业存在诸多难题

虽然碳纤维作为一种轻量化的材料在汽车上有着广泛的应用前景，但想要在汽车行业中大规模使用碳纤维还存在诸多技术难题。

设计能力：碳纤维复合材料可设计性强，零部件集成设计、碳纤维复合材料铺层设计能力（包括铺层层数、角度、方式）等都需要大量的经验积累，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势。

材料选择：根据编织方式的不同（如平纹，斜纹，多轴向），每个牌号的碳纤维织物性能各有差异，因此，在满足安全性能的前提下，选用何种牌号何种编织方式的碳纤维织物都是需要我们进行大量实验来决定。

价格降低：相对于传统的铝材，复合材料的成本较高，需通过碳纤维规模化的生产及应用，才能降低碳纤维价格。

零件加工工序：碳纤维通常经过编织-铺贴-与树脂浸润-高温成型，耗费大量劳力且生产效率较低，还需进一步优化工艺或研究新的工艺，缩短加工周期。

材料连接：碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强度，另外碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性能。