碳纤维复合材料在电动汽车车身中的应用分析

碳纤维复合材料在电动汽车车身中的应用分析摘要：电动汽车是当前及未来汽车的发展方向，而电池技术是目前及今后很长时间内电动汽车快速发展的最大障碍。碳纤维复合材料在汽车应用方面具有优越的性能，使用碳纤维复合材料轻量化车身，平衡电池包、电机的重量，是未来的必然选择，在引入方面也做了分析。关键词：碳纤维复合材料电动汽车车身轻量化续驶里程一、前言（一）应用背景和国家政策当前国际能源安全与节能环保催生了混合动力汽车和电动汽车，随之而来的新一轮产业结构调整摆上了各大汽车厂商的日程。发展电动汽车是提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径。未来五年将是电动汽车研发与产业化的战略机遇期。“十二五”期间，国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新，把科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合，组织实施电动汽车科技发展专项规划。受到节能减排的迫切要求，欧日各大车厂均开始了新一轮应用碳纤维等高强度复合材料的努力，发展节能型汽车在当前已经成为一个课题。我国电动汽车已经有了一定的发展，鉴于当前电池的比能量、比功率还比较低，电池发展瓶颈的克服还需要很长一段路要走。考虑到电动汽车电池的能量要求，其续驶里程短的问题更被关注，而汽车的整车重量又是影响续驶里程的一主要因素，因此除了加快电池、电机技术的研发，电动汽车车身轻量化方面的研究工作也应重视，不仅是传统汽车的重点研究方向，电动汽车尤其如此，这是政策和技术上容易被忽视的。经研究发现碳纤维复合材料有非常可观的前景，现就碳纤维复合材料是否使用于电动汽车车身中加以分析。（二）轻量化方向电动汽车轻量化可以从电池技术、电机技术、车用材料和汽车结构四个方面入手。在当前电池和电机的技术水平下，最大程度的轻量化要求我们在车身结构，材料的选择与替代两个方面进行合理优化，以此平衡电池包和电机的重量。1、结构轻量化。车身结构优化在满足诸如车身刚度、模态、碰撞安全、疲劳寿命和NVH等特性的同时，也必须考虑车身结构的可制造性和生产成本。在结构优化方面，我国已经迈出了重要一步，目前车身有的结构设计已经相当成熟，优化空间正在减小。2、材料轻量化。目前仍以高强度钢、镁、铝和塑料作为主要汽车材料组合。在轻量化趋势下，我们应当深化多材料组合的应用，在优化组合的同时引入新材料，其效益不仅是轻量化结果本身，两者的结合对整车开发技术来讲也是一种进步。结构优化发展较早的原因之一是未找到合适的轻量化材料替代汽车用钢。铝出现后，便以优异的性能开始应用于车身，同时玻璃纤维伴随其他复合材料也开始出现。如今，碳纤维凭借其优越性几乎可以完全替代钢材料。当前已经有凭借碳纤维材料的优异特性成功降低车重和碳排放的实例，尤其是在一些新款电动车中，人们可以找到碳纤维材料的身影。事实上，碳纤维材料在国内汽车上的应用目前仅限于某些改装车的部件。（三）应用现状我国在乘用汽车碳纤维车身方面还没有应用性的进展，然而在重卡中已经有了突破性应用。2012年11月6日，由包头德翼车辆有限责任公司、北京蓝星和中材科技三方合作的我国首辆配装全碳纤维复合材料箱体的8.6米自卸车在包头问世，原金属车厢重68吨，而碳纤维复合材料车厢重48吨，减重29%，目前结构设计相对保守，再减重潜力很大。值得一提的是，用户可在短期1-2年内收回因复合材料的应用增加的成本，而且使用寿命是金属车厢的4-5倍。国外电动汽车的碳纤维车身技术已经从实验室走向生产。雷克萨斯LFA研发团队深入研发CFRP的生产技术，由65%的碳纤维增强塑料和35%的铝合金材料构成的LFA车身，比同样的铝制车身轻100多kg，结构更坚固。宝马于2011年推出的Hommage全新概念车采用轻量化CFRP,整车质量只有780kg。未来宝马将要推出的电动汽车将更多地采用碳纤维，新电动车底盘也将在很大程度上采用碳纤维增强热固性塑料。梅赛德斯奔驰SLR超级跑车，车身几乎全部采用碳纤维复合材料，由于强化了碳纤维的应用，在碰撞中具有高效的能量吸收率。更值得一提的是该车在搭载240kg电池包的情况下整车车重不超过850kg。这一应用在降低整车质量的同时兼顾了汽车性能与安全，可见碳纤维复合材料对于平衡电动汽车电池包重量的显著效果。二、碳纤维复合材料碳纤维是一种含碳量在92%以上的新型高性能纤维材料,具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能,不仅是21世纪新材料领域的高科技产品,更是国家重要的战略性基础材料,政治、经济和军事意义十分重大。尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能,然而,它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一起时,才能利用其优异的力学性能,使之更好地承载负荷。因此,碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷,而目前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料,广泛应用于航空航天领域、体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。碳纤维增强复合材料是以各种树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树脂基复合材料(CFRP)、陶瓷基复合材料(CMC)和金属基复合材料(MMC)。碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的，其比强度、比模量均高于其他材料，拉伸强度比铝、钢都大，弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟。（一）碳纤维复合材料特性碳纤维增强复合材料具有应用于车身制造的诸多优势。为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀抗疲劳,材料寿命长，此类材减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。1、碳纤维复合材料具有极高的比模量和比强度，是目前常用材料中最高的。密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/3cm,相当于钢密度的1/4、铝合金密度1/2，用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时，其重量可减轻70%左右。表1、碳纤维—环氧增强塑料与几种材料特性的比较材料种类纤维含量体积比/%密度/(g·cm-3)拉伸强度/Mpa弹性模量/Mpa比强度/m比模量/km钢—7.810002140001.30.27高级合金钢—8.012802100001.60.26铝—2.6400700001.50.272A12铝合金—2.8420710001.50.25玻璃增强塑料60单向2.01100400005.50.2碳纤维环氧塑料高强度型60单向1.514001300009.30.87高模量型60单向1.611001900006.21.2碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度，因此比强度很高。另外，由于其密度方面的压倒性优势，替代钢材后，车体质量将是钢材的25%左右，却10倍于钢强度。2、纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展，具有较高的断裂韧性和假塑性，而外加载荷有增强纤维承担因而疲劳强度极限比金属材料和其他非金属材料高很多。如下是三种材料疲劳强度的比较。循环次数/r图1、三种材料疲劳强度3、碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4～5倍，减轻车身质量的同时，还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能。下面是碳纤维复合材料和其他材料的对比结果。020406080100120碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料片状模塑料铝钢能量吸收率(kJ/kg)图2,、能量碰撞吸收对比4、碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP材料的形状、排布、103104105106107铝合金玻璃钢碳纤维复合材料15010050应力/(kgf/mm2)含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数目，可以大大提高材料利用率。（二）碳纤维车身对纯电动汽车续驶里程的影响纯电动汽车在蓄电池充足电的状态下按一定的行驶工况，能连续行驶的最大里程（km）称为续驶里程。等速法测试续驶里程是在道路上让车辆以固定的速度等速行驶，当蓄电池达到一定放电深度时，车辆驶过的距离（km）即为测量的续驶里程。等速工况续驶里程的计算：假定纯电动汽车在续驶里程测试过程中以速度cv（km/h）等速行驶，当蓄电池总能量为BE(单位为kWh)时，纯电动汽车在匀速行驶时的续驶里程s（单位为km）为：15.213600s2cDqDODmcTBAvCGfE（2-1）式中G—整车重力（N）;f—轮胎滚动阻力系数；DC—空气阻力系数；A—迎风面积（2m）；T—传动系统机械效率；mc—电动机及控制器效率；q—蓄电池的平均放电效率；DOD—蓄电池的放电深度，在实际使用中，为了保护电池防止其完全放电受损，保证电池的寿命，一般要求75DOD%。由式2-1表明当选用碳纤维复合材料时G较小，续驶里程s就较大；当车身变轻后，蓄电池的安装空间也会相对变的更加宽裕。动力电池的容量主要是由纯电动汽车的续驶里程觉得的，故动力电池容量为qmcDODTbbUseC6.3(2-2)式中bC—动力电池组的容量（Ah）；e—单位行驶里程消耗的能量（kmkJ/）；bU—动力电池的工作电压（V)。将2-1带入得到15.216.336002cDbBbAvCGfUEC（2-3），由此说明当车身减轻时选择的蓄电池容量也可以相应增大。但是电池数量、车重与安装空间三者之间必然会有一个平衡点。通过公式可以说明使用碳纤维复合材料减轻车身重量，对于电动汽车续驶里程的增加在理论上是可行的，具有实际的应用价值。（三）碳纤维复合材料研究现状碳纤维生产工艺复杂，目前只集中于美国、日本等发达国家生产。其中，日本碳纤维产能占世界总产能的75%，在小丝束碳纤维生产方面占绝对优势；美国产能占14%，在大丝束碳纤维生产方面有较强的科研基础。目前世界上具有规模化生产碳纤维能力的厂家主要有日本的三菱丽阳公司、东邦公司和美国的氰特工业公司(Cytec)、赫氏公司(Hexcel)。2012年12月，宝马与波音公司展开合作，共同研发碳纤维材料技术。目前，大众也在争取碳纤维技术伙伴，大众旗下的兰博基尼品牌已经与波音达成碳纤维方面的合作。碳纤维复合材料已经成为汽车和航空制造商之间争夺的新阵地。我国的碳纤维产能较低，产品以小丝束等低档产品为主，T300碳纤维实现了国产化。相比于国际水平，国产碳纤维由于原丝质量等因素制约，产品强度低、均匀性和稳定性较差。此外，我国碳纤维生产企业规模性、缺乏核心竞争力、新技术被国际专利覆盖问题严重。目前，我国的高性能PAN-CF将实现国产化，中科院山西煤炭研究所、中复神鹰碳纤维工程技术中心的碳纤维也逐渐从研发走向生产。三、应用现状及效果碳纤维复合材料具有质轻高强、高模量、减摩耐磨、热导率大、自润滑、耐腐、抗冲击性好、疲劳强度大等优越性。目前我国的电动汽车发展还未与汽车材料的减重结合起来，也只有个别高校研制过CFRP的电动车样车。对于汽车生产商来说，碳纤维复合材料车身还具有集成化、模块化、总装成本低、投资小等优点，避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理成本。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料。目前，在赛车和高档跑车之外，碳纤维增强复合材料可以很大程度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统。最重要的是车身，目前车体重量的3/4是钢材，轻量化空间很大，碳纤维复合材料是车身材料的最好选择。这种材料的替换应用同样适用于电动汽车车身，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40~60％,对汽车轻量化具有十分重要的意义,已成