一、引言
隨著社會的高速發展，全球氣候變化問題逐漸加劇, 能源消耗持續增長，環保節能變得尤為重要。而汽車作為我們日常的出行方式，在為我們提供便利的同時，也會帶來一系列的問題。為響應雙碳政策，汽車向更清潔更節能的方向發展已勢不可擋。如今，汽車輕量化技術在雙碳背景下應運而生。根據歐洲鋁協數據，當汽車質量降低10%時，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。這足以證明汽車輕量化技術不僅可以提高汽車的續航里程，而且還可以解決能耗問題、減少對不可再生資源的依賴性。碳纖維復合材料是以碳纖維作為增強材料并與樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體復合而成的。碳纖維復合材料憑借著低密度、高強度、耐腐蝕、可設計性、強減震、優異的阻燃性能和良好的尺寸穩定性廣泛地應用于汽車行業。中復神鷹SYT45S、SYT49S系列碳纖維具有優異的力學性能和工藝性能，可以滿足汽車輕量化需求。例如汽車車身、內外飾、底盤系統、動力系統等，如表1所示。碳纖維復合材料的應用在汽車制造中顯著減輕了車身重量，大約減少了60%，同時顯著提升了電動汽車的續航能力，至少增加了25%以上。然而，由于碳纖維復合材料成本高、工藝復雜，近期丙烯腈的價格在7500-10500的區間波動，比其替代品更昂貴，因此開發碳纖維復合材料制備的新技術、新工藝至關重要。據汽車流通協會統計，我國2024年上半年新能源汽車零售量411萬輛，增長33.1%，滲透率達到41.8%。我國新能源汽車產業在《新能源汽車產業發展規劃》和《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的指導下，積極應對整車輕量化挑戰，為汽車輕量化技術的發展提供了有力的支撐。全球汽車數量的增加顯著推動了市場增長。Technavio預測2023-2027汽車復合材料市場規模中的碳纖維預計將以 6.24% 的復合年增長率增長 2022.2027 億美元。預計市場規模擴張將增加 181.63 億美元。國際上的各大汽車制造商，如寶馬、奔馳、大眾等，正在積極推動發展碳纖維復合材料在汽車領域的應用。
1）傳動軸與高壓儲氫氣瓶
濕法纏繞技術相較于干法纏繞，在成本上具有顯著優勢，大約降低了40%。此外，它還提供了更好的氣密性、更優的纖維排列平行度，并能有效減少纖維在生產過程中的磨損。這些優點使得濕法纏繞工藝在多個領域得到了廣泛應用，尤其是在汽車行業，如傳動軸和儲氫氣瓶的制造中。汽車傳動軸的性能設計包括軸體彎曲剛度、扭轉剛度、臨界轉速，這是由于它的受力情況比較復雜，對材料的性能要求很高。傳統的傳動軸鋼鐵材料會出現穩定性不佳等弊病。碳纖維復合材料汽車傳動軸能夠很好的解決這個問題，有效提升汽車性能。碳纖維復合材料具有拉伸強度高、密度低、比強度高、耐腐蝕，彈性模量高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料的傳動軸可較好的滿足使用需求。此外，碳纖維復合材料傳動軸不僅可減輕重量40%-50%，譬如豐田86碳纖維傳動軸和蘭博基尼第六元素概念車傳動軸，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。新能源汽車也用到了濕法纏繞工藝制備碳纖維纏繞氫氣瓶。高壓儲氫氣瓶根據內膽材料和纖維纏繞的不同分為 I 型、II 型、III 型及 IV 型瓶，分別為純鋼制、鋼制內膽纖維纏繞、金屬（鋼和鋁）內膽纖維纏繞以及及塑料內膽纖維纏繞瓶。在車載儲氫氣瓶的技術上，國際已經能大量生產70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，而國內主流儲氫氣瓶依舊是35 MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶，它內膽材料是鋁合金/塑料，外層包覆材料是碳纖維復合材料。美國汽車研究理事會研究表明高壓儲氫瓶生產規模由1萬套提高到50萬套時，成本會下降五分之一。因此，隨著國內碳纖維纏繞制備技術突破以及生產規模的擴大，車載高壓儲氫氣瓶在未來必然會綻放異彩。汽車的輪轂成型工藝使用了熱壓罐工藝，熱壓罐工藝擁有幾個顯著的優點：首先，壓力分布均勻；其次，壓力、溫度均勻且可調控；然后是模具設計簡單，效率高，適用于大面積復雜型面的板、殼，以及簡單形狀的板、棒、管、塊；最終，成型工藝展現出了其穩定性和可靠性。使用碳纖維復合材料制造的輪轂能夠顯著降低重量，這有助于降低車輪的轉動慣性，從而使得汽車在啟動、制動和轉向時能夠實現更快的速度。例如，福特的新一代野馬Shelby GT350R就采用了這種碳纖維輪轂。同樣，瑞典超級跑車制造商柯尼賽格在其Agera車型中，除了輪胎氣門嘴外，整個輪轂的其余部分都使用了碳纖維材料。這種設計不僅減輕了重量，同時也確保了結構的堅固性和安全性。此外，汽車制動盤也采用了熱壓罐工藝，傳統的制動襯片主要使用石棉材料，在高速摩擦產生的高溫下會出現熱衰退的現象，從而產生石棉粉塵，危害健康。碳纖維復合材料的比強度高、抗熱衰性能優異并且有著優異的耐磨性與耐熱性，可完全代替石棉應用在汽車制動系統。碳纖維制動盤可承受2500℃的高溫，能在50m內將車速從300km/h降到50km/h，且有助于減輕汽車底盤重量，提高方向盤操控的靈活性，并減小車身懸掛以上抖動現象，人身安全得以保障。
圖1 Agera車型碳纖維復合材料輪轂
圖2 法拉利Enzo碳纖維復合材料制動盤
汽車上的電池盒、支撐柱、車頂結構、板簧都使用到碳纖維復合材料。這些零部件常采用高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）制造，高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）是在樹脂傳遞模塑成型工藝基礎上發展而成的。該工藝通常需要預先制備預成體，然后利用高壓將低黏度的樹脂和固化劑液體混合液注入閉合的模腔內浸漬纖維，通過相應的溫度和壓力固化成型。與熱壓罐成型工藝相比，此種工藝可以實現低成本、短周期、大批量及高質量的生產。高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）過程如圖所示。
圖3：高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HR-RTM）工藝過程
碳纖維鋁蜂窩復合材料保險杠比鋁合金的碳纖維鋁蜂窩復合材料具有更輕的質量以及更好的安全性。利用Abaqus CAE軟件進行的分析顯示，所設計的碳纖維鋁蜂窩復合材料制成的保險杠橫梁在承受沖擊的能力上超越了傳統的鋁合金材料，同時實現了約50％的減重，充分滿足了輕量化設計的要求。
圖4 保險杠橫梁結構
2024年6月7日， HRC在上海國際低碳智慧出行展覽會（GSA 2024）展出的汽車熱塑內飾樣件、汽車熱塑內飾條等產品采用模壓注塑工藝一步成型，避免了二次膠結。通過全自動化成型，節拍最快可達2分鐘，確保了產品的高度一致性，也大大提升了生產效率。此外，為滿足市場個性化、定制化需求，在工藝研究過程中，HRC 使用了不同的天然纖維，使其得以實現多樣化的紋理效果。2024年7月31日澳盛科技攻克“快速固化改性樹脂系列”難題，開發出快速固化改性樹脂體系預浸料，與環氧樹脂預浸料相比，成型時間更短。目前澳盛汽車正在進行數字智能車間改造，已完成檢驗段、粘接段、打磨段、涂裝段自動化產線技改，已達成全工序自動化量產。2024年澳盛汽車將深入開拓汽車內外飾件及結構件市場，從熱固性和熱塑性兩個技術方向著手，投入新的工藝和生產線。天成自控經過持續的研發創新，研發出比傳統材料更輕、更安全的碳纖維輕量化產品，在不犧牲堅固程度的情況下，使座椅更輕、更節省空間，使其和座椅整體完美搭配，采用一體模壓、熱固、注塑成型，可廣泛應用于各類行業座椅中，引領未來座椅發展趨勢。公司已經展示了其輕量化座椅產品，這些產品不僅減輕了重量，而且提高了舒適性和安全性，受到了國內外汽車制造商的高度評價。
圖5碳纖維輕量化座椅產品
山東雙一科技作為國內纖維增強復合材料制品的骨干企業，擁有近20年的復合材料制品生產經驗。公司掌握多種先進生產工藝，并配備了不同噸位的壓機和智能化精密加工設備，可生產加工各類復雜曲面模具、輕質高強部件、整體終端制品 。
圖6 碳纖維汽車車身
總的來講，碳纖維復合材料表現出的優異性能是推動市場增長的關鍵因素；健全綠色低碳發展機制，加上對綠色和輕型車輛積極影響的認識，可以直接促進市場的增長。此外，省油的汽車是環保的，具有很高的行駛里程，可以使用替代燃料，并使用先進的燃料技術。混合動力汽車、電池供電汽車、插電式混合動力汽車和氣動電動汽車是消費者青睞的一些省油汽車。這些輕型車輛大量使用復合材料，這直接增加了預測期內對市場的需求。雖然碳纖維的成本降低可能不會立即發生，但是隨著技術的進步、生產規模的擴大、自動化和機器人技術的應用、回收和再利用技術的發展、政策和市場激勵，碳纖維在汽車輕量化中的應用會變得更加經濟可行。
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