复合材料在交通运输领域的应用技术---汽车轻量化

实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。...



汽车轻量化，通俗的来说就是减轻汽车整备质量而不影响汽车的强度及安全性。实验证明，汽车使用20%的复合材料，将会使质量降低30%，燃料消耗的降低相应的会减少0.5吨碳排放。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。在我国已经制定的未来到2020年的汽车油耗中显示从2015年的每百公里6.9L，降到每百公里5L。到2025年汽车总重量平均下降25%，新能源电动车到2025年汽车的总量减重50%。



轻量化的主要途径有车型优化、选用轻质材料、结构设计优化及承载式车身等方式，其中选用轻质材料是最有效也是最主要的轻量化措施。从最初的钢，经过铝合金、镁合金到现在广泛发展的碳纤维材料，不仅是材料的本身质量轻性能好，碳纤维材料本身可设计性强也是有效减轻质量的重要原因。有研究表明现在钢制底盘需要28个部件，而运用碳纤维的话制备8个预成型体和5个芯材就可以实现，其间减少的连接部分不仅强度得到提升，质量也减少很多。此外，轻合金发生振动后需要9秒才能停止振动，碳纤维复合材料2秒就能停止。



德国产的宝马I3是全球首款全碳纤维车身量产，每日可生产100辆，整个车身151千克，整车仅中1250千克，原本上百个零件的车体现在仅34个碳纤维零部件组成，成型工艺以RTM为主，大量采用了胶粘技术。宝马的复合材料车身达到量产水平，自动化生产水平领跑全球。美国产的特斯拉Roadster则是全球首款纯电动跑车，同样使用了大量碳纤维材料，整车仅重1200千克。日本东丽TEEWAVE AR1整车846千克中有160千克使用了碳纤维，结合了热固性碳纤维材料及热塑性碳纤维材料，整个车身仅有3个部件，重量为钢制车身的二十分之一。



长安、上汽、奇瑞、比亚迪等汽车主机厂都在进行碳纤维复合材料研究，但是集中在部件的轻量化，如上汽荣威E50的碳纤维引擎盖，北汽Concept900的碳纤维鸥翼门，国内并没有形成车身量产的技术。



跨国公司已经形成“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。仍以宝马为例，三菱提供原丝，西格里制备碳纤维，瓦克斯多夫工厂制备织物及预浸料，BMW兰茨胡特工厂制备零部件，最后由BMW莱比锡工厂进行组装，形成了完整的产业链。反观国内，一方面，国内碳纤维制备厂家生产设备大多购置于国外，技术落后，价格昂贵，产品销路不畅，产能过剩，限制了碳纤维技术的发展；另一方面主机厂虽然都在研究，但是缺乏设备生产商，大多仅仅停留在研究观望的状态，如何推动碳纤维在汽车产业中的应用以拉动碳纤维市场和需求成为极为紧迫的问题。碳纤维在汽车中的应用将带动新型制备装备的研发和生产，而当前我国碳纤维发展刚刚缺乏，亟待领军企业投入研发制造，扛起大旗，缩短与国外装备制造业领域的差距。



产研合作是当前困境的出路。主机厂作为设计、标准及规范的制定参与者及最终产品使用者，供应商作为基础材料及符合材料的批量生产者，研究机构作为材料研发者和标准规范制定者。三方面相互参与共同合作，才能形成完整的产研合作模式，逐步克服“做不出来”、“成本太高”、“行业不接受”和“消费者不买单”的困难，充分利用好复合材料这一有效的减重措施，进而推动整个汽车轻量化的进程。

作者简介：

殷莎，现为北京航空航天大学交通科学与工程学院讲师，目前主要研究方向为轻质复合材料制备与力学性能研究。

联系方式：shayin@buaa.edu.cn

张翀，现为北京航空航天大学交通科学与工程硕士生（硕士一年级），目前主要研究方向为轻质复合材料制备与力学性能研究。

联系方式：chongzhang@buaa.edu.cn

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