“国内碳纤维行业未来要向哪个应用领域发力？”在9月26~27日举办的第29届中国国际化纤会议暨第10届中国碳谷碳纤维产业大会上，不少与会专家认为，汽车工业是碳纤维行业的值得深入探究的应用场景，未来有望成为碳纤维应用的新领域。

此前，碳纤维由于成本高，多用于风电、航空航天、军工、跑车等特定领域。如今，随着技术进步，碳纤维不仅功能和强度都有所提升，成本也有一定的下降。

随着国内新能源技术的发展及日趋成熟，人们对电动汽车的续航里程要求越来越高。作为续航里程的重要影响因素，车身的轻量化成为电动汽车设计的重要课题。而作为电动汽车关键部件的电池包，对其部分部件进行碳纤维复合材料处理，在保证性能的同时又能满足轻量化的需求，是非常值得研究的方向。

碳纤维复合材料简介

碳纤维复合材料是用有机纤维进行高温氧化碳化而成，是一种含碳量超过90%的高性能纤维。它密度通常只有（1.5~1.6）g/cm3左右。同时具有极高的强度及模量，因此具有其他材料无法比拟的比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度），力学性能优异。将其应用于车身及其他零部件可以有效降低整车重量，降低能量消耗，提高续航里程，在汽车行业广泛应用。

属性。与钢、铝等各向同性材料不同，碳纤维材料是平面正交各向异性的属性，其主要承力方向相比次承力方向强度相差很大，在建模时需要定义X/Y两个不同方向的弹性模量，同时要定义剪切模量。

在有温度要求的情况还需要定义温度膨胀系数。碳纤维材料区别于钢、铝材料的另一个属性是铺层属性，将不同厚度、不同尺寸的材料按照不同的角度通过粘胶进行铺层。碳纤维复合材料独特的属性给工程师提供很大的自由空间，同时也提高了设计的复杂性。钢材等受拉力则拉伸方向变形，施加弯曲力则弯曲变形。而碳纤维材料与此不同，结构施加拉力可能会发生弯曲变形，施加弯曲力则可能还发生扭转变形，这些情况在设计铺层的时候都要考虑。

连接形式。碳纤维材料主要有机械连接、胶接两种形式。极少数也有焊接情况。机械连接通常以螺栓、铆接形式完成，因其可靠性高、维修性好、受环境影响小的特点，经常用于主承力结构的连接，传递集中载荷或强调可靠性的部位。

胶接形式由于剥离强度低，难传递大载荷，所以一般用于非主要承力结构，传递均布载荷或承受剪切载荷的部位，以及有密封、减振和绝缘要求的部位；焊接则主要适用于热塑性碳纤维复合材料。在一些安全裕度要求比较高的连接部位很多时候会使用机械、粘胶混合连接。

除此之外，碳纤维增强复合材料(CFＲP)的刚性以及吸能性也高于传统金属材料，其碰撞吸能是钢的6～7倍、铝的3～4倍，进一步保障汽车的行驶安全。为提升驾驶人员的舒适性，该复合材料的震动阻尼可有效提升整车噪声、振动以及声振粗糙度(NVH)性能。而该复合材料集成度高的优势，使其实现造型自由，对于汽车的零部件数量可大大减少，有利于降低汽车的自身质量以及生产成本。

减轻车身质量

碳纤维复合材料凭借自身优势，可有效减轻汽车车身的总质量，并使汽车功率小于正常需求。

为此，对汽车进行制造时，应采用更小的驱动引擎以及悬挂装置。本研究通过减少动能的方式，为进一步减少汽车的冲击危险奠定基础，该方式的最终结果对于汽车的整体质量具有减轻的作用。

设计灵活

通过使用碳纤维复合材料作为汽车部件的原材料，并结合计算机辅助工程(CAE)对汽车进行结构优化，可有效根据汽车的不同结构及用途广泛的对产品进行设计及加工成型。

为实现汽车的最佳轻量化，本研究的设计方案:充分结合汽车实际受力情况，对汽车各部件的纤维结构及排列顺序进行调整。

使其形成各向异性和不同厚度的碳纤维复合材料部件，并利用三明治夹层结构，对汽车各部件的整体刚性进行提升。

为实现节约生产成本和减轻汽车整体质量的目的，本研究对汽车部件进行制造时，将碳纤维按照实际受力方向进行排布，并充分发挥碳纤维复合材料强度的各向异性。

模块化设计

当前汽车主要采用模块化及整体化方式对结构进行设计。

而碳纤维复合材料凭借良好的流动性，使汽车在加工制造时，极易制成各种局部不同强度和形状曲面，并使其一体化成型。

该方式可有效减少零部件的数量、装配成本以及模具费用等，对于汽车的外观气动性能具有重要提升作用。

采用碳纤维复合材料作为原料对汽车模具进行设计，有利于将不同厚度的部件、凸起部、筋、棱、空等一次性整体化成型。

该材料更适用于制造汽车部件中较为复杂的几何结构，使部件的精度更加准确，其对于汽车的整体性能具有重要提升作用。

吸能性和减震性

与传统汽车用金属材料相比，碳纤维复合材料具有优越的耐冲击性、吸能减震性以及粘弹性等优势，有利于吸收汽车的冲击能量。

对汽车的安全性具有提升作用。碳纤维复合材料超高的自身频率及吸收震动能量，使该材料的震动阻尼系数高于金属材料。

因此，在汽车遭受冲击时，碳纤维复合材料可最大限度的吸收冲击能量，这有利于提高驾驶人员的安全性。

耐腐蚀性和耐候性

汽车在持续使用过程中，其零部件将承受机油、汽油、汽车传动液等化学制剂的腐蚀，还需要承受外界恶劣环境的影响。

在不同环境的影响下，可使传统金属材料制作的汽车零部件的质量一致性以及使用寿命无法得到保证。

通常情况下，碳纤维复合材料制成的汽车零部件不存在生锈及腐蚀问题，并且该材料制成零部件具有耐碱、耐盐以及耐有机溶剂腐蚀的优势，是一种优良的耐腐蚀材料。

将该材料应用于汽车部件的制造过程中，有利于延长汽车部件的使用寿命并降低汽车的维修费用。

碳纤维复合材料在汽车轻量化中的发展趋势

由于碳纤维复合材料具有多种优势，在未来发展中，该材料在汽车领域中的应用范围将不断扩大，其应用层次也将得到显著提升，对于汽车轻量化发展具有重要作用。

1、由高端车型向普及型汽车发展

碳纤维复合材料在应用之初，存在生产成本过高、制造流程过于复杂等问题，仅将该材料应用于超级跑车以及F1赛车等车辆的生产制造中。

其主要原因:此类车辆对于性能的要求较高，且销售价格超过群众整体消费水准，不适用于普通群众购买。

随着碳纤维复合材料的成本逐渐降低、制造工艺逐渐走向成熟，该材料可被应用于各大普及型汽车。

由次结构件向主结构件发展对汽车进行构造时，应充分考虑汽车以及驾驶人员的安全性以及制造工艺等问题。

因此，碳纤维复合材料仅应用于对性能要求较低的次结构件中，其中次结构件主要包括内饰件、车身覆盖件等，该方式最终造成碳纤维复合材料的性能过剩，不能充分利用该材料的优势。

随着成型加工技术以及结构设计方法的不断进步，该材料被广泛应用于汽车的主结构件中，可使碳纤维复合材料的综合性能得到有效利用，其中主结构件主要包括B柱、地板以及轮毂等。

2、由单件小批量生产到规模快生产

通常情况下，碳纤维复合材料汽车零部件主要以手工的方式进行单件小批量的生产，该生产模式占据汽车零部件的核心制造过程。

但是该方式无法保证碳纤维复合材料零部件的整体质量，并且使汽车零部件的生产成本不断提升、效率不断降低。

随着汽车工业领域对碳纤维复合材料零部件的用量不断增加，应用要求不断提高，使汽车零部件的生产方式逐渐走向自动化、数字化以及智能化，该方式对于汽车零部件的生产具有推动作用。

“双碳”政策加持

北京化工大学教授徐樑华表示，近年来，我国碳纤维行业的发展形势非常好，目前已形成黏胶基、沥青基、聚丙烯腈基3种类别的制备体系；以二甲基亚砜法为主，二甲基乙酰胺法和硫氰酸钠法共同参与的原丝制备技术体系；湿法纺丝、干湿法纺丝、小丝束与大丝束工艺齐头并进的工艺体系；高强、高强中模、高模、高强高模齐全的产品体系。

随着碳纤维复合材料性能的不断提高以及“双碳”政策的加持，越来越多的汽车制造商也将目光投向于此。

中国一汽研发总院高端汽车集成与控制全国重点实验室副主任叶福恒认为，轻量化是汽车节能减排的重要途径之一。碳纤维复合材料所具备的优点，适用于汽车外观件、车身结构、底盘结构件等多个场景，是汽车深度轻量化的理想材料。

“合适的材料要用在合适的位置。”叶福恒表示，多材料混合用材方向将助推碳纤维复合材料在汽车行业的产业化、规模化应用。在预期成本不断下探，产业链不断完备的全新市场中，碳纤维用材占比及用量有望呈现上升趋势。目前，碳纤维复合材料已应用到宝马7系、宝马iX、奥迪A8、蔚来ES6、雪佛兰等车型。

先进的量产制造技术将有助于碳纤维复合材料的规模化应用。混合使用连续和非连续纤维可进一步拓展碳纤维复合材料的应用范围，实现异形实体部件的复材化。此外，数据表明，回收后的碳纤维仍有很好的力学性能和利用价值，不仅能用于要求相对较低的应用场景，还可减少能源消耗，这将进一步完善产业链。

总结

碳纤维复合材料超高的自身频率及吸收震动能量，使该材料的震动阻尼系数高于金属材料。

因此，在汽车遭受冲击时，碳纤维复合材料可最大限度的吸收冲击能量，有利于提高驾驶人员的安全性。通过使用碳纤维复合材料作为汽车部件的原材料，并结合计算机辅助工程(CAE)对汽车进行结构优化。

可有效根据汽车的不同结构及用途广泛的对产品进行设计及加工成型，为实现汽车工业领域实现最佳轻量化奠定有力基础。

文章来源： 中国化工报，余说百事，星揽史说