隨著社會的高速發(fā)展，全球氣候變化問題逐漸加劇, 能源消耗持續(xù)增長，環(huán)保節(jié)能變得尤為重要。而汽車作為我們?nèi)粘５某鲂蟹绞?，在為我們提供便利的同時，也會帶來一系列的問題。為響應雙碳政策，汽車向更清潔更節(jié)能的方向發(fā)展已勢不可擋。如今，汽車輕量化技術在雙碳背景下應運而生。根據(jù)歐洲鋁協(xié)數(shù)據(jù)，當汽車質(zhì)量降低10%時，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。這足以證明汽車輕量化技術不僅可以提高汽車的續(xù)航里程，而且還可以解決能耗問題、減少對不可再生資源的依賴性。
碳纖維復合材料是以碳纖維作為增強材料并與樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體復合而成的。碳纖維復合材料憑借著低密度、高強度、耐腐蝕、可設計性、強減震、優(yōu)異的阻燃性能和良好的尺寸穩(wěn)定性廣泛地應用于汽車行業(yè)。中復神鷹SYT45S、SYT49S系列碳纖維具有優(yōu)異的力學性能和工藝性能，可以滿足汽車輕量化需求。例如汽車車身、內(nèi)外飾、底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等。碳纖維復合材料的應用在汽車制造中顯著減輕了車身重量，大約減少了60%，同時顯著提升了電動汽車的續(xù)航能力，至少增加了25%以上。然而，由于碳纖維復合材料成本高、工藝復雜，近期丙烯腈的價格在7500-10500的區(qū)間波動，比其替代品更昂貴，因此開發(fā)碳纖維復合材料制備的新技術、新工藝至關重要。
據(jù)汽車流通協(xié)會統(tǒng)計，我國2024年上半年新能源汽車零售量411萬輛，增長33.1%，滲透率達到41.8%。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》的指導下，積極應對整車輕量化挑戰(zhàn)，為汽車輕量化技術的發(fā)展提供了有力的支撐。全球汽車數(shù)量的增加顯著推動了市場增長。Technavio預測2023-2027汽車復合材料市場規(guī)模中的碳纖維預計將以 6.24% 的復合年增長率增長 2022.2027 億美元。預計市場規(guī)模擴張將增加 181.63 億美元。國際上的各大汽車制造商，如寶馬、奔馳、大眾等，正在積極推動發(fā)展碳纖維復合材料在汽車領域的應用。
碳纖維復合材料的汽車零部件
1）傳動軸與高壓儲氫氣瓶
濕法纏繞技術相較于干法纏繞，在成本上具有顯著優(yōu)勢，大約降低了40%。此外，它還提供了更好的氣密性、更優(yōu)的纖維排列平行度，并能有效減少纖維在生產(chǎn)過程中的磨損。這些優(yōu)點使得濕法纏繞工藝在多個領域得到了廣泛應用，尤其是在汽車行業(yè)，如傳動軸和儲氫氣瓶的制造中。汽車傳動軸的性能設計包括軸體彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、臨界轉(zhuǎn)速，這是由于它的受力情況比較復雜，對材料的性能要求很高。傳統(tǒng)的傳動軸鋼鐵材料會出現(xiàn)穩(wěn)定性不佳等弊病。碳纖維復合材料汽車傳動軸能夠很好的解決這個問題，有效提升汽車性能。碳纖維復合材料具有拉伸強度高、密度低、比強度高、耐腐蝕，彈性模量高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料的傳動軸可較好的滿足使用需求。此外，碳纖維復合材料傳動軸不僅可減輕重量40%-50%，譬如豐田86碳纖維傳動軸和蘭博基尼第六元素概念車傳動軸，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。
新能源汽車也用到了濕法纏繞工藝制備碳纖維纏繞氫氣瓶。高壓儲氫氣瓶根據(jù)內(nèi)膽材料和纖維纏繞的不同分為 I 型、II 型、III 型及 IV 型瓶，分別為純鋼制、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞、金屬（鋼和鋁）內(nèi)膽纖維纏繞以及及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶。在車載儲氫氣瓶的技術上，國際已經(jīng)能大量生產(chǎn)70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，而國內(nèi)主流儲氫氣瓶依舊是35 MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶，它內(nèi)膽材料是鋁合金/塑料，外層包覆材料是碳纖維復合材料。美國汽車研究理事會研究表明高壓儲氫瓶生產(chǎn)規(guī)模由1萬套提高到50萬套時，成本會下降五分之一。因此，隨著國內(nèi)碳纖維纏繞制備技術突破以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，車載高壓儲氫氣瓶在未來必然會綻放異彩。
2）輪轂與制動盤
汽車的輪轂成型工藝使用了熱壓罐工藝，熱壓罐工藝擁有幾個顯著的優(yōu)點：首先，壓力分布均勻；其次，壓力、溫度均勻且可調(diào)控；然后是模具設計簡單，效率高，適用于大面積復雜型面的板、殼，以及簡單形狀的板、棒、管、塊；最終，成型工藝展現(xiàn)出了其穩(wěn)定性和可靠性。使用碳纖維復合材料制造的輪轂能夠顯著降低重量，這有助于降低車輪的轉(zhuǎn)動慣性，從而使得汽車在啟動、制動和轉(zhuǎn)向時能夠?qū)崿F(xiàn)更快的速度。例如，福特的新一代野馬Shelby GT350R就采用了這種碳纖維輪轂。同樣，瑞典超級跑車制造商柯尼賽格在其Agera車型中，除了輪胎氣門嘴外，整個輪轂的其余部分都使用了碳纖維材料。這種設計不僅減輕了重量，同時也確保了結(jié)構(gòu)的堅固性和安全性。
此外，汽車制動盤也采用了熱壓罐工藝，傳統(tǒng)的制動襯片主要使用石棉材料，在高速摩擦產(chǎn)生的高溫下會出現(xiàn)熱衰退的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生石棉粉塵，危害健康。碳纖維復合材料的比強度高、抗熱衰性能優(yōu)異并且有著優(yōu)異的耐磨性與耐熱性，可完全代替石棉應用在汽車制動系統(tǒng)。碳纖維制動盤可承受2500℃的高溫，能在50m內(nèi)將車速從300km/h降到50km/h，且有助于減輕汽車底盤重量，提高方向盤操控的靈活性，并減小車身懸掛以上抖動現(xiàn)象，人身安全得以保障。
3）車頂結(jié)構(gòu)、板簧與其他
汽車上的電池盒、支撐柱、車頂結(jié)構(gòu)、板簧都使用到碳纖維復合材料。這些零部件常采用高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）制造，高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）是在樹脂傳遞模塑成型工藝基礎上發(fā)展而成的。
該工藝通常需要預先制備預成體，然后利用高壓將低黏度的樹脂和固化劑液體混合液注入閉合的模腔內(nèi)浸漬纖維，通過相應的溫度和壓力固化成型。與熱壓罐成型工藝相比，此種工藝可以實現(xiàn)低成本、短周期、大批量及高質(zhì)量的生產(chǎn)。
4）碳纖維輕質(zhì)保險杠
碳纖維鋁蜂窩復合材料保險杠比鋁合金的碳纖維鋁蜂窩復合材料具有更輕的質(zhì)量以及更好的安全性。利用Abaqus CAE軟件進行的分析顯示，所設計的碳纖維鋁蜂窩復合材料制成的保險杠橫梁在承受沖擊的能力上超越了傳統(tǒng)的鋁合金材料，同時實現(xiàn)了約50％的減重，充分滿足了輕量化設計的要求。
總結(jié)
總的來講，碳纖維復合材料表現(xiàn)出的優(yōu)異性能是推動市場增長的關鍵因素；健全綠色低碳發(fā)展機制，加上對綠色和輕型車輛積極影響的認識，可以直接促進市場的增長。此外，省油的汽車是環(huán)保的，具有很高的行駛里程，可以使用替代燃料，并使用先進的燃料技術?；旌蟿恿ζ嚒㈦姵毓╇娖?、插電式混合動力汽車和氣動電動汽車是消費者青睞的一些省油汽車。這些輕型車輛大量使用復合材料，這直接增加了預測期內(nèi)對市場的需求。
雖然碳纖維的成本降低可能不會立即發(fā)生，但是隨著技術的進步、生產(chǎn)規(guī)模的擴大、自動化和機器人技術的應用、回收和再利用技術的發(fā)展、政策和市場激勵，碳纖維在汽車輕量化中的應用會變得更加經(jīng)濟可行。（來源：中國復材）
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