国内外碳纤维汽车欣赏

2015-07-31 艾邦高分子

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作者介绍：潘鼎，东华大学材料学学科研究员、博士生导师。现任中国复合材料学会增强体专业委员会主任委员。主要研究成果有“硝酸一步法聚丙烯腈原丝”获国防科委科技成果二等奖、“化学纤维成型理论和结构性质的研究”获国家教委二等奖等。

前一段时间我们发过一篇文章：全球汽车用碳纤维复合材料（CFRP）研究报告（温馨提示：点击即可阅读文章），主要对碳纤维的开发模式和关键技术做了简单的介绍；这篇文章主要谈的是国内外碳纤维在汽车上应用的成果，内容比较全面、通俗易懂，相信看完之后您会对国内外的碳纤维的市场应用会有比较全面的了解！

一、国外车用碳纤维现状

CFRP应用领域领跑全球的是德国宝马公司。2014年5月9日，西格里集团和宝马集团在位于美国华盛顿州摩西湖的西格里汽车碳纤维公司（SGLAutomotive Carbon Fibers）摩西湖工厂举办扩产奠基仪式。碳纤维年产量提升至目前的三倍。年产能将达到9000吨。将成为世界上最大的碳纤维生产基地。

图1：西格里集团

1、宝马车用CFRP生产流程

1）西格里集团和日本三菱人造纤维公司生产PAN原丝。
2）摩西湖工厂将原丝转化为碳纤维。
3）由德国瓦克斯多夫的第二个合资工厂将碳纤维加工成不同类型的编织材料。
4）碳纤维织物被运往宝马工厂，用于汽车零部件的生产。

2、宝马汽车i系列

目前，BMW i车型使用的碳纤维材料全部来自摩西湖工厂。截至2014年4月，莱比锡工厂BMW i3纯电动汽车的日产能为100台，累计生产超过5,000台。回顾该公司开发“i系列”车的简要历史:

2007年中，确定持续发展战略
2008年，宣布把碳纤复材带入汽车主流材料
2010年，宣布与SGL合作，参股SGL,并建立合资碳纤维厂
2013年7月，宝马i3纯电动车首发;同年9月，揭幕i8混合动力车
2014年底i3与i8成果,应用于宝马7系车上，底盘将使用CFRP
2015年借鉴7系车型的轻量化技术，用于新一代宝马5系和3系车

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3、结构与水平

BMW i新能源汽车专用的LifeDrive轻量化车辆架构：由整体由碳纤维复合材料打造的Life—乘员座舱模块以及以电驱动为核心、包括纯电及插电式混合动力驱动的eDrive驱动模块组成。

零排放的BMW i3是最创新的纯电动汽车，采用BMW eDrive驱动实现160~285公里的最大续航里程和百公里加速7.2秒的敏捷性能。

全新BMW i 8实现4.4秒的0-100公里/小时加速能力，综合百公里油耗仅2. 1升。

推荐阅读：巴斯夫为宝马i3电动车提供了哪些塑料？

4、汽车轮毂和其他部件

宝马公司或将在未来一到两年内为旗下车型配备大量的碳纤维部件特别是碳纤维轮毂，这将大幅度降低汽车的重量。

宝马公司的CFRP轮毂是与i系列汽车同时开发的，包括全CFRP轮毂和CFRP轮辋加合金轮辐的轮毂。全CFRP轮毂的重量比锻造合金轮毂轻35%，而合金加CFRP轮毂比锻造合金轮毂轻25%，这将显著降低整车的重量。宝马公司能够在两年内把这种轮毂推向市场。

图2：CFRP轮毂

其他可能采用CFRP材料的部件包括方向盘和传动轴，其中传动轴将作为单独配件配备新宝马M3和M4。此外宝马还在大力宣扬他们的碳纤维材料二次利用，例如i3和i8汽车的边角料可以用来取代传统铝镁合金材料制作IP支撑结构，座架以及备用车轮。

图3：CFRP材料方向盘

5、宝马汽车其他车型碳纤维情况

宝马旗下的M车型一直是性能的代名词，X6M作为新晋成员也跟随了传统，4.4LV8双涡轮增压发动机可提供最大555马力的功率，百公里加速只需4.7秒，虽然它的底盘调校不像M3那样激进，但对于大个子来说，它也算是身手敏捷了，X6M的内饰使用了大量碳纤维材料，这让本身就有火药味的它又增加了一抹战斗气息。

图4：宝马X6M内饰

宝马公司开发的BMW3系列的Touring和X5的后扰流板，BMWZ4硬顶、后保险杠支架等，都是采用Zoltek公司生产的大丝束CF。

6、国外其他碳纤维汽车欣赏

图5：兰博基尼全碳纤维轿车

图6：奥迪CFRP电动汽车

图7：英国“寻血猎犬” (Bloodhound)的超音速汽车，碳纤维车身；超音速汽车时速高达447m/s，超过64 式手枪子弹初速300m/s。

图8：兰博基尼Aventador 1:8模型车碳纤维打造拍卖价350万欧元

图9：法拉利车队全新碳纤维F10赛车

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二、国内车用碳纤维现状

CFRP在汽车工业中，年用量比例还不大，应用较为成熟的技术大部分仅集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维快速成型方面，只重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本复合材料部件制造关键技术。

实现了部分连续化自动化生产，及连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。

1、《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012-2020年）

根据《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012-2020年）的规划，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆，油耗当量提升为14.5KM/L。

到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，油耗当量提升为20KM/L，新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。

2、国内首部碳纤维电动汽车

2011年8月，中科院深圳先进技术研究院汽车电子研究中心等单位研制的国内首部碳纤维电动汽车。

整车大量使用碳纤维部件，大大降低了车身重量，仅有1.1吨; 毂减重29%，阻尼系数提高15倍，且达到良好的减压性能。

图10：国内首部碳纤维电动汽车

3、碳纤维插电式混合动力车“艾瑞泽7”

2014年5月，中国科学院宁波材料技术与工程研究所与奇瑞汽车联合打造的碳纤维插电式混合动力车“艾瑞泽7”车型。车身采用CFRP，外壳重量减轻10%，油耗降低7%；车身总体减重达40%～60%后，整体可操控性加强，带来更为出色的加速感受。

通过复合材料体系研究、复合材料结构件设计、快速成型工艺研究以及复合材料结构件性能验证与评估，基本突破了汽车结构件用复合材料的关键技术，对国产碳纤维复合材料汽车结构件的设计和快速制造提供了有力支撑。

图11：艾瑞泽7

4、碳纤维复材结构件成型技术

2014年6月，中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合研制出连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，及连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化设备。效率达到56件/天。

分别采用阴离子聚酰胺6(APA6)及聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)热塑性单体，经原位合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术。在热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。

图12：大尺寸复合材料汽车底板

5、长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂

2014年9月，北京航空航天大学、北京纳盛通新材料科技有限公司、北京中材汽车复合材料有限公司自主设计研发的长碳纤维增强热塑性(尼龙)复合材料(LCFT)轮毂，比汽车铝轮毂可大幅减重40-60wt%，尺寸精度更高，抗疲劳、抗蠕变、耐热、耐环境性能等性能更加优异, 生产效率更高、成本更低，且可回收循环使用，该注塑工艺已在保险杠、发动机罩盖等非承力件大量使用。

图13：长碳纤维增强热塑性(尼龙)复合材料轮毂

6、国产CFRP电动车汽车欣赏

图14：奥迪A3CFRP电动车

图15：莲花CFRP车身电动车

图16：东风CFRP内装饰电动车 I-car

图17：北汽CFRP车身电动车

图18：中集碳纤维箱体车

图19：中联重科碳纤维臂架泵车

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