汽车用碳纤维复合材料产业现状和对策

碳纤维复合材料在国内外汽车领域的应用现状

碳纤维复合材料由于其独具的强度和刚度特性，可以取代钢用于汽车的主承力结构。世界知名汽车制造商纷纷采用碳纤维复合材料零部件制造车型。

2014 年，宝马 i3 和 i8 的上市不仅开创了碳纤维复合材料在量产车型大规模应用的新纪元。宝马 i3 和 i8 作为一款零排放电动车，正是由于采用了碳纤维复合材料打造的车身，使整车质量仅为1255千克，完美解决了由于电池质量而带来的车辆质量大增，车辆驾控敏捷度降低的问题， 并创造了百公里7.2秒的加速时间。

        随着我国汽车工业的发展，复合材料在我国汽车工业中的应用广度有了突破，汽车复合材料的年用量为 10 万吨左右，但主要是应用于非承力结构的玻璃钢复合材料，汽车复合材料厂家普遍规模较小。碳纤增强环氧树脂复合材料在大型商用飞机和高性能汽车（如特斯拉、宝马i3和i8） 及F1赛车主承力结构件上的成功应用表明，复合材料完全可以取代金属被用于汽车车身结构中。目前，国内整车企业也纷纷开始尝试采用碳纤维复合材料零部件替换传统金属零件。

       国内整车厂纷纷开始着手调研国内复合材料研发和制造企业，着手启动面向量产的复合材料零部件的设计和研制，逐步开始为量产做充分准备。由于有承力要求，汽车用复合材料零部件（尤其是承力件，如传动轴等）需要对材料以及部件进行重新设计。近年来，中航复材充分发挥自身在设计、材料、制造等方面的优势，先后为整车厂研发了汽车前舱盖、后备厢盖、尾翼、重载汽车板簧、客车板簧、重载汽车传动轴、全复材承载式大巴车身、全复合材料油罐等产品，部分产品已经通过了测试验证。

国内汽车复合材料产业现状与差距分析

“十一五”、“十二五”期间，国内车企与科研单位联合先后研发出四代碳纤维复合材料示范电动车。前两代通过逆向工程设计技术，采用碳纤维复合材料对已有车型的覆盖件以等代设计法进行替代，验证了碳纤维复合材料的减重效果，以及碳纤维复合材料覆盖件的制备与装配技术；在前两代车的设计制造基础上，后两代车通过正向设计制造，对整车进行结构设计，验证了全碳纤维复合材料主结构部件的设计、制备和装配连接技术，进一步探索了碳纤维复合材料整车的设计、制造、装备和性能测试技术。这四代车的研发为碳纤维复合材料在汽车工业的产业化应用积累了宝贵的经验，开启了国内碳纤维复合材料汽车应用的新起点。

近期，中航复材在国内率先采用快速固化预浸料结合快速模压工艺、真空辅助成型工艺制备了承载式全复合材料纯电动客车车身，在兼顾复合材料构件的整体化制造、成本控制和制造效率等方面取得了较好的效果。目前国内各汽车主机厂以及零部件供应商都在进行碳纤维复合材料研究，主要集中在零部件的轻量化上，采用非连续性纤维成型工艺，制备的汽车零部件已实现了量产及规模化应用。然而，由于自动化生产装备的缺乏，连续纤维复合材料尚未形成量产水平，尤其是车身量产技术。虽然有企业推出了碳纤维复合材料车身电动车样车，但部件、整车的设计、验证以及量产技术，自动化装配技术，质量控制等均尚处于探索中，离碳纤维复合材料在汽车工业的规模化应用还存在一定的距离。

国内在连续碳纤维复合材料轻量化汽车制造产业方面才刚刚起步，处于前期技术探索和积累阶段。中航复材已与中国一汽联合成立“汽车用先进材料联合实验室”、与北汽联合成立“汽车用先进材料技术中心”，旨在开展汽车用复合材料零部件的研发和工程化应用，与长安汽车、比亚迪集团也在开展合作，面向新能源车开展复合材料零部件研发和研制。公司先后开发了系列汽车零部件（复合材料板簧、传动轴、轮毂等动部件和引擎盖、后备厢盖、尾翼等覆盖件）和国内第一台全复合材料大巴车身。中航复材于2014年承担了国家“863”项目——《CCF-3级碳纤维 复合材料在交通和能源领域规模化应用技术》。该项目以快速固化树脂及预浸料为主要材料体系， 以快速模压及真空辅助成型（VARI）为主要工艺，通过全复合材料纯电动客车车身为领先示范应用考核与验证，显著降低高性能碳纤维复合材料的成本，大幅提升复合材料构件的制造效率，实现国产碳纤维及复合材料在交通领域的推广应用，未来将带动 1000 吨/年的碳纤维工程化应用， 推动我国碳纤维复合材料相关行业持续发展。

           尽管近年来国内在碳纤维复合材料技术上取得了长足的发展，但与国外汽车复合材料技术发展与规模化应用方面还存在很大差距，具体分析如下：

         （1）需求牵引不足。由于市场缺乏消费动力，政策配套还未健全，汽车制造商并未从新能源汽车高投入中获得高收益，严重制约了生产积极性，投入资金开展新能源汽车生产后，难以实现大规模产业化。受整个新能源汽车产业发展现状的制约，碳纤维复合材料在新能源汽车应用也基本处于探索研究阶段。
      （2）碳纤维方面的差距。虽然近年来我国碳纤维产能快速放大，但差距依然存在。与国外相比，国产原丝大多杂质含量高、质量不够稳定、离散系数大，成本还需进一步降低。
      （3）复合材料制造技术差距。满足快节拍低成本制造的相关材料和自动化装备滞后。汽车产业的特点要求复合材料制造过程中既要满足性能要求，又要满足快节拍生产和低成本制造，还要发展配套的维修材料和维修工艺。目前国内已经有满足低成本要求的碳纤维材料、快速制造的树脂材料和配套工艺材料。而且，为之开发了快速制造整套数字化、智能化工艺装备，保证了汽车复合材料零部件的快速可重复精确制造。国内相关材料虽然也在研发，但尚未形成标准和实现工业应用。
      （4）设计开发和试验技术落后，能力不足。目前，复合材料设计软件均来自于国外，覆盖复合材料设计、工艺仿真、力学性能分析的系列仿真软件。由于汽车复合材料研究在中国刚刚起步，目前国内缺少设计、分析和仿真所需的可靠的材料和工艺数据；还不能准确、完整地定义载荷和环境条件要求；汽车复合材料结构损伤模式和失效准则还难以确定；汽车复合材料结构试验方法、判据和试验装备缺乏：既懂汽车又懂复材设计的人才稀缺，这些方面都需要在后续研发和应用中逐步积累和完善。
     （5）汽车用复合材料维修技术尚未全面开始研究。基于 VAT 技术的修补材料及修复补强技 术需要进一步推广。
     （6）工业化的复合材料回收再利用技术还不成熟，尚未形成一条完整的复合材料回收利用产业链，需尽快开展碳纤维复合材料废品的循环利用技术的研发工作，提高碳纤维产品的利用效率。

       国内汽车复合材料产业化应用需要突破的关键技术高性能复合材料要在汽车上实现规模化应用，首先需要设计和构建基于量产的复合材料汽车零部件快节拍制造系统解决方案。目前，不管是汽车主机厂、汽车零部件企业，还是复合材料零部件制造企业都没有现成的基于量产和低成本制造的系统解决方案。构建该解决方案需要首先突破以下关键技术：材料—设计—制造一体化产品设计技术；低成本、快速固化的材料(或低工艺成本材料)技术；低成本、自动化连续集成制造工艺技术；产品（或元件级）关键性能试验技术；配 套修补材料和修复技术；复合材料循环利用与回收技术。

       国内在碳纤维复合材料轻量化汽车制造产业方面才刚刚起步，还处于前期技术探索和积累阶 段。因此国家推动碳纤维复合材料在汽车产业中的应用不仅必要，而且愈来愈显紧迫。从推动新材料等战略新兴产业发展方面来看，国家引导汽车工业和碳纤维材料产业相互结合也具有更加深远的意义。碳纤维-复合材料-应用这个产业链涉及多个学科、多个领域的基础科学问题与应用技术问题，具有交叉性强的特点，亟待国家进行全面的顶层设计、分类管理，组织强强联合、集智攻关，共同构建整车企业-碳纤维原料-复合材料制造企业的联合团队，突破设计、材料、制造、验证、装备等一系列关键技术，打造基于量产的复合材料汽车零部件快节拍制造系统解决方案。逐步实现汽车行业对于复合材料从不会用到会用，从简单用到用到好的转变。