[关键词] 碳纤维复合材料；车身结构；成型工艺 ；应用挑战
引言
低碳化转型是目前全球汽车产业的发展趋势，各车企围绕能源来源、原材料、供应链、生产制造等产品全生命周期积极探索降碳减排技术路径。相关研究显示，燃油车整车重量降低10%，油耗可降低5%～8%；在温室效应方面，整车重量每减轻100kg（公斤），可以减少CO2(二氧化碳)排放12.5g/km（克/公里）[1]。 整车轻量化设计已成为汽车产业低碳化的重要组成部分。 CFRP密度仅为钢的1/5､钛合金的1/3;强度是高强度钢、铝的4倍左右，玻璃钢的两倍左右；比模量（指材料的弹性模量与其密度或比重的比值，是衡量材料轻质高刚度性能的重要指标）则是上述材料的3倍以上。另外，CFRP还具有优异的耐疲劳、振动衰减、热稳定、耐腐蚀等性能特点[2]，使其在汽车轻量化上具有巨大的应用潜力。
欧洲车身会议（ECB）自1998年起每年在德国举办汽车行业顶级会议，主要关注车身设计、性能及制造技术。至2025年，该会议已举办了27届。历年的会议报告显示了全球汽车车身技术发展趋势和方向。本文通过分析ECB 2010—2021年报告的125款车型，系统研究了CFRP在车身结构应用、成型工艺及解决应用挑战方面的发展趋势。
1 CFRP在车身结构中的应用趋势
从2010—2021年ECB报告的125款车车身用材看，有11个品牌29款车在车身结构上应用了CFRP，具体车型信息见表1。
这29款车型中，有11款跑车，占比38%；有11款大型轿车/SUV，占比38%；宝马、雷克萨斯、奔驰、雪佛兰、沃尔沃、路虎、蔚来等品牌在2款以上车型车身结构中应用了CFRP，其中宝马更是先后在i3、i8、7系、8系Coupe、iX5五款车型开发中应用了CFRP，而i3车型中CFRP用量在车身中占比达49.4%，也是ECB报告的车型中CFRP应用比例最高的一款车。
ECB报告显示，目前，以豪华品牌跑车、大型轿车/SUV为主的车型更愿意通过应用CFRP来提升整车轻量化水平。其中，跑车在投入成本开发CFRP车身零部件方面表现更加积极。
图1为ECB报告披露期间11款跑车车身结构中的CFRP用量，其用量占比由于不同材料使用策略存在巨大差异。其中，雷克萨斯LFA、阿尔法罗密欧4C、兰博基尼Aventador、宝马i8四款车型都选择了CFRP制造的一体式乘员舱结构，车身结构中CFRP占比达30%～45%，远高于其他车型；极星1选择了钢铝混合下车体和CFRP上车体结构材料策略，车身结构中CFRP占比达25%；雪佛兰的两款克尔维特车身结构中CFRP占比都在6%，总体材料策略前后没有变化，下车体框架采用铝合金，前轮罩、前围板和后围板采用碳纤维片材模压成型（SMC）结构；以雷克萨斯LC为代表的车型仅在侧门内板和行李舱盖内板应用了SMC，用量占比也较少。
除了跑车车型外，宝马是探索应用CFRP最多的汽车品牌。表2展示了宝马五款车型CFRP应用策略、主要应用部位和零部件数量。其中， i3、i8这两款车在白车身结构上主要采用了CFRP，是非跑车类车型极致轻量化的理念尝试，尤其是i3的出现，让业内对CFRP的轻量化前景充满了希望。之后的宝马7系用材策略转变为碳纤维核心，在中通道加强板、门槛梁、A柱上边梁等车身关键承力部位应用了CFRP，在加强车身结构的同时优化了车身重量。在7系用材策略基础上，宝马8系、iX这两款车型将CFRP应用在消费者可以目视可见的零部件上，最终在iX车型形成碳纤维框架理念。
2 碳纤维零部件成型工艺应用趋势
复合材料零部件制造中可以根据零件结构类型和性能要求匹配选择相匹配的成型工艺，完成材料和结构的一体化制造。常见的成型工艺包括预浸料热压成型、树脂传递成型（RTM）、湿法模压成型、SMC、缠绕成型、拉挤成型等。
雷克萨斯在这一期间报告了三款跑车，包括2010年的LFA、2017年的LC和2020年的LC敞篷车。在LFA车型上，雷克萨斯为其碳纤维乘员舱结构选择了预浸料热压成型、RTM、 SMC组合工艺，平衡了性能和生产效率。其中，预浸料热压成型零部件的强度和刚度最高，应用在了乘员舱主体框架结构中；SMC成型效率最高，但性能低于预浸料热压工艺和RTM工艺，主要用在行李箱结构上；RTM工艺性能和效率介于预浸料热压工艺和SMC工艺之间，主要用在车身的次承力结构上。在LC车型上，为提高效率、降低成本，雷克萨斯在车身结构上不再应用CFRP，主要应用快速RTM工艺生产顶盖、SMC工艺生产侧门内板和行李箱门内板等零件。其中，快速RTM工艺的生产周期被压缩到6分钟以内，SMC工艺的日产量可达300件。在LC敞篷车型上，雷克萨斯的工艺效率和成本趋势更加明显，在2017年LC车型的基础上只保留了生产效率最高的SMC工艺，用于生产侧门内板和行李箱门内板等零件。
表2中宝马五款车型的工艺也显示了同样的趋势，生产效率更高的湿法模压和高压RTM成为其最新的Carbon Cage策略选用工艺，其中高压RTM工艺在9分钟、湿法模压工艺在3分钟。iX车型上仅在性能要求更高的A柱上边梁柱应用高压RTM工艺，侧围外板和尾部流水槽则选用生产效率更高的湿法模压工艺。
3 CFRP在汽车应用中面临的挑战
CFRP特有的高强度、高模量及低密度性能，使其在汽车轻量化上具有巨大的应用价值，但目前受原材料成本贵以及CFRP零部件在后期维护维修、可持续回收难等因素的影响，致其使用受限。以2022—2025年ECB会议报告车型为例仅有一款跑车车型应用了CFRP。
CFRP零件维修难度大，源于复合材料损伤检查和维修工艺与钣金零部件的差异。目前，汽车维修服务商主要通过目视检查钣金零部件的损伤，复合材料零部件除了目视可见的严重损伤外，还存在无法目视检查的内部纤维分层等损伤。复合材料应用成熟的航天航空领域，主要采用声发射仪、热损伤仪、超声探测仪及X射线探测仪开展损伤探测。CFRP在汽车产业广泛应用后，将迫使汽车维修服务商增加专门损伤探测设备的投入。与钣金维修工艺不同，复合材料零部件维修工艺以螺接修补、胶结修补、树脂注射、局部替换等为主，现有维修人员在这类工艺上存在短板。不仅如此，汽车维修服务商还需增加相应维修技能培训投入。由于缺乏专门损伤检查设备和维修人员，导致CFRP零部件维修难度大、成本高。宝马在i3、 i8等车型设计中就考虑到维修便利性。在实践中，根据使用数据定义高频维修区域，并在这些区域设置拆解机构，以降低维修难度。
2021年，由工业和信息化部、科技部、财政部和商务部联合发布的《汽车产品生产者责任延伸试点实施方案》明确提出，到2023年，中国汽车的可回收利用率要达到95%。可回收率也是CFRP在汽车应用中面临的关键挑战。目前，CFRP成熟回收利用方法是回收预成型/成型过程中的裁剪废料再生为非连续纤维类片材、回收的固化碳纤维破碎后再利用作为填料[3]。宝马先后两次报告了其使用的回收方案。2014年，宝马i8应用回收再生碳纤维制造下车体的小尺寸非关键位置零部件；2015年，宝马7系应用回收再生碳纤维制造了更大尺寸的C柱加强板和行李厢隔板。回收应用过程是先将回收裁剪碳纤维废料分散为长纤维，再生产定型为非连续纤维片状料，最后通过SMC工艺成型加工得到低成本CFRP零件。通过这两种成熟回收再生工艺得到的CFRP，目前只能应用在低性能要求或小尺寸的零件上，无法满足高性能、大尺寸零件的开发。而开发热塑性树脂基复合材料是破解这一问题的有效途径。热塑性复合材料与热固性复合材料，除了具有可回收特性外，还具有更优异的断裂韧性、抗冲击性、成型周期短等优点，但现有成熟的热塑性树脂存在热变形温度低、刚性差等问题。因此，开发高性能、耐高温热塑性树脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物等，成为目前行业热点，随着未来相关研究开发逐步成熟，CFRP回收利用效率将得到大幅提高[4]。
4 结论
综上所述，目前，以豪华品牌跑车、大型轿车/SUV为主的车型，通过在车身关键承力部件、顶盖、侧门内件应用CFRP，来提升整车轻量化水平。其加工工艺以生产效率更高的高压RTM、湿法模压、SMC为主。
另外，要实现CFRP在车身结构上的广泛量产化应用，除了围绕工艺和原材料降低零件成本外，还需要从售后维修便利性、可持续利用等方面着手降低应用难度。
参考文献
[1] 迈利克等.汽车轻量化：材料、设计与制造[M].机械工业出版社，2012：2-4.
[2] 贺福等.碳纤维及其应用技术[M].北京化学工艺出版社，2004:317-320.
[3] 胡侨乐,端玉芳,刘志等.碳纤维增强聚合物基复合材料回收再利用现状[J]. 复合材料学报,2022,39(1):64-76.
[4] 周晓东,王秋峰,翟欢.高性能热塑性复合材料在汽车领域应用的主要问题[J].纤维复合材料,2007,24(1):3-7.
