汽車輕量化是指在保持汽車原有的安全性、舒適性、可靠性等目標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求的前提下，且汽車本身成本符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車節(jié)能減排、降低燃油消耗等性能指標(biāo)。

 

    材料輕量化技術(shù)是指通過采用新型輕質(zhì)材料，在保證實(shí)現(xiàn)原有功能及性能目標(biāo)的前提下來實(shí)現(xiàn)降低重量的技術(shù)措施。

 

    在輕量化趨勢的影響下，各種新型材料，如輕質(zhì)金屬材料（鋁合金、鎂合金）、輕質(zhì)非金屬材料（低密度、薄壁化）以及先進(jìn)復(fù)合材料將越來越多的應(yīng)用于汽車的輕量化設(shè)計(jì)中，在整車的材料組成中比例也將隨之提高。

 

    高分子復(fù)合材料按性能高低，可分為通用復(fù)合材料和高性能(先進(jìn))復(fù)合材料。高性能高分子復(fù)合材料是采用新技術(shù)、新工藝或新設(shè)備研制的具有優(yōu)異性能或特殊功能的復(fù)合材料。國際上一般是指以碳纖維、芳香族聚酰胺合成纖維(芳綸纖維)、硼纖維等纖維和晶須等高性能增強(qiáng)體與耐高溫的高聚物等基體構(gòu)成的復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度和比模量、各向異性和可設(shè)計(jì)性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導(dǎo)電、半導(dǎo)、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、摩擦、吸聲等功能[2]。

 

復(fù)合材料是各向異性的非均質(zhì)材料，具有如下特點(diǎn)：

 

（1）比重小，質(zhì)量輕。密度比鋼、鋁、鎂等金屬材料都低，以碳纖維復(fù)合材料舉例，其密度約為1.7g/cm3，而金屬材料中鋼的密度為7.85g/cm3、鋁的密度為2.75g/cm3；

（2）比強(qiáng)度和比模量高。比強(qiáng)度可達(dá)鋼的14 倍，是鋁的10 倍，而比模量則超過鋼和鋁的3 倍；

（3）可靠性佳，層壓的復(fù)合材料對疲勞裂紋擴(kuò)張有“止擴(kuò)”作用，這是因?yàn)楫?dāng)裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展時(shí)，到達(dá)某一纖維取向不同的層面時(shí)，會(huì)使得裂紋擴(kuò)展的斷裂能在該層面內(nèi)發(fā)散，這種特性使得FRP 的疲勞強(qiáng)度大為提高。研究表明，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是靜力強(qiáng)度的50%，而復(fù)合材料可達(dá)90%。；

（4）耐磨性好，通過摻入少量的短切碳纖維可大大地提高它的耐磨性，如聚丙烯為其本身的2.5 倍；聚酰胺為其本身的1.2 倍；

（5）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。可長期在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等環(huán)境下使用；

（6）耐高溫。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，除玻璃纖維軟化點(diǎn)較低(700～900℃)外，其他纖維的熔點(diǎn)(或軟化點(diǎn))一般都在2 000℃以上；

（7）設(shè)計(jì)自由度高。可根據(jù)構(gòu)建的設(shè)計(jì)目標(biāo)通過增強(qiáng)材料的分布、層數(shù)及纖維種類和樹脂含量實(shí)現(xiàn)自由設(shè)計(jì)。

車用復(fù)合材料因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度與比模量高、剛度好，可靠性佳、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、設(shè)計(jì)自由度高等特點(diǎn)，更有利于在汽車零部件上推廣應(yīng)用。

    車用復(fù)合材料隨著汽車輕量化的推進(jìn)和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用。

    復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)最早開始于1953 年，車用復(fù)合材料起初被應(yīng)用在少數(shù)的汽車發(fā)燒友和商用車輛上使用，汽車發(fā)燒友將其用于改裝和裝飾零件使用；在商用車領(lǐng)域主要在重卡車上使用。

自2013 年寶馬推出兩款大量使用碳纖維復(fù)合材料的電動(dòng)汽車i3 與i8，隨著i3 與i8 的量產(chǎn)，開啟了碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的風(fēng)暴，各大汽車廠商紛紛開始復(fù)合材料的研發(fā)。

 

目前車用復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要以碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、金屬基復(fù)合材料（MMC）等為主。

 

中國品牌主機(jī)廠對復(fù)合材料的探索主要集中應(yīng)用在車身、內(nèi)外飾、底盤傳動(dòng)、動(dòng)力總成等系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)零部件如下：

 

內(nèi)外飾系統(tǒng)：保險(xiǎn)杠面罩、后視鏡殼體、擾流板、中網(wǎng)格柵、門內(nèi)板、儀表板等；

 

車身系統(tǒng)：上車體，頂蓋和頂蓋橫梁、后地板、車門外板等；

 

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩、發(fā)動(dòng)機(jī)檔桿、發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩蓋等；

 

傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸、制動(dòng)踏板、離合器片等；

 

底盤系統(tǒng)中的懸置、擺臂、框架、板簧等。

 

    隨著汽車在國內(nèi)的銷量和保有量不斷增加以及燃油及能源消耗的不斷上升，國家鼓勵(lì)和支持發(fā)展新能源汽車并提供新能源汽車專用補(bǔ)貼。大力發(fā)展新能源汽車，續(xù)航里程是消費(fèi)者考慮是否購車的關(guān)鍵因素之一，在電池能量密度恒定的前提下汽車持續(xù)減重可以提升續(xù)航里程，而車用復(fù)合材料可以替代汽車傳統(tǒng)采用的金屬材料以降低汽車整備質(zhì)量實(shí)現(xiàn)減重。各大整車生產(chǎn)制造商也紛紛開始加大研發(fā)投入，探索汽車用復(fù)合材料在汽車各系統(tǒng)中的應(yīng)用并開始尋找適合汽車應(yīng)用的專用復(fù)合材料。經(jīng)過調(diào)研和探索發(fā)現(xiàn)如果直接按照金屬材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)將傳統(tǒng)的鈑金替換為復(fù)合材料是很難實(shí)現(xiàn)，而且基于傳統(tǒng)的制造工序也存在許多問題，尤其批量生產(chǎn)制造方面，復(fù)合材料的應(yīng)用還是有局限的，其中包括汽車專用的復(fù)合材料研發(fā)、與整車傳統(tǒng)制造工序的結(jié)合、復(fù)合材料的維修以及和金屬材料的連接和復(fù)合材料的回收等問題。

 

    整車企業(yè)對車用復(fù)合材料的探索，是從市場調(diào)研階段、深入學(xué)習(xí)階段、實(shí)踐消化階段到深化實(shí)踐階段和創(chuàng)新應(yīng)用階段不斷發(fā)展的。

 

    起初整車企業(yè)研發(fā)人員大多采用“等代替換”的原則來開發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)合材料零部件，即采用傳統(tǒng)鋼制部件的結(jié)構(gòu)形式和性能要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。這是因?yàn)檎嚻髽I(yè)的研發(fā)人員大多對復(fù)合材料性能和知識沒有全面的了解，同時(shí)目前的設(shè)計(jì)手冊和設(shè)計(jì)案例也都是以金屬材料為主而制定的。復(fù)合材料主要由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成，其基體材料及增強(qiáng)材料的特性決定了復(fù)合材料的特性。復(fù)合材料與金屬材料具有不同的自身屬性，復(fù)合材料為各向異性；金屬材料為各向同性。復(fù)合材料和金屬材料的失效模式不同，復(fù)合材料失效模式復(fù)雜多變，屬于漸進(jìn)式韌性破裂失效，而金屬材料的失效模式為塑性變形導(dǎo)致的屈服斷裂失效。

 

    汽車用復(fù)合材料的開發(fā)需要在正向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、成本等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。僅依照結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和忽視材料的設(shè)計(jì)都不能使復(fù)合材料達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。同時(shí)目前也面臨著復(fù)合材料特性參數(shù)不足，汽車專用復(fù)合材料缺乏，復(fù)合材成本較高和復(fù)合材料零部件維修及保養(yǎng)等問題。

 

    綜合所述車用復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)在具有汽車專用復(fù)合特性數(shù)據(jù)庫的前提下從選材、制造、噴涂、維修和與金屬材料的連接以及回收等方面進(jìn)行綜合考慮。汽車用復(fù)合材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)逐步完善和制定。

 

    按照《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》有關(guān)輕量化技術(shù)路線的發(fā)展目標(biāo)指出，預(yù)計(jì)2026 年至2030 年實(shí)現(xiàn)整車比2015 年減重35%，重點(diǎn)發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，單車用鎂合金達(dá)到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

 

    整車企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)人員和材料工程師大都對復(fù)合材料沒有深入了解，目前正進(jìn)入探索和實(shí)踐階段，經(jīng)過近幾年的市場調(diào)研及探索，初步具備了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)。然而復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)往往對于汽車主機(jī)廠的開發(fā)流程、質(zhì)量體系、供應(yīng)商管理、供應(yīng)鏈物流、材料認(rèn)可及實(shí)驗(yàn)認(rèn)證均不熟悉。從而形成了主機(jī)廠找不到需要的復(fù)合材料供應(yīng)商，復(fù)合材料企業(yè)也無法完全滿足主機(jī)廠要求這一現(xiàn)象發(fā)生。特別是復(fù)合材料供應(yīng)商到復(fù)合材料零部件供應(yīng)商的身份進(jìn)階和轉(zhuǎn)型需要加快，主機(jī)廠往往采購的是復(fù)合材料零部件而不是復(fù)合材料纖維。

 

    所以建議整車企業(yè)逐步深入對復(fù)合材料進(jìn)行研究，并建立研發(fā)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和人才梯隊(duì)以滿足對復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)復(fù)合材料企業(yè)目前也要深入到主機(jī)廠進(jìn)行溝通交流，逐步完善相關(guān)要求以滿足整車企業(yè)，以實(shí)現(xiàn)共同開發(fā)及同步開發(fā)的要求。

 

    整車企業(yè)作為終端載體，需要對整體產(chǎn)業(yè)鏈負(fù)責(zé)，鑒于目前復(fù)合材料材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)不完整，復(fù)合材料及零部件試驗(yàn)檢測方法不完善，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則不統(tǒng)一等多方面應(yīng)建立相應(yīng)的體系和流程。

 

    復(fù)合材料企業(yè)應(yīng)推進(jìn)復(fù)合材料的成本優(yōu)化，并可實(shí)現(xiàn)由材料至零部件這一過程，按照主機(jī)廠要求建立健全質(zhì)量體系，以滿足整車企業(yè)要求，并深入主機(jī)廠開展復(fù)合材料的交流以推動(dòng)其在汽車的應(yīng)用。

 

 

    車用復(fù)合材料在整車上應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，伴隨著復(fù)合材料廠商對汽車專用復(fù)合材料加大了研發(fā)投入，汽車專用的復(fù)合材料促使了復(fù)合材料在汽車上使用范圍和使用量均雙雙上漲。對車用復(fù)合材料零部件的開發(fā)需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，通過頂層的正向設(shè)計(jì)結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、成本等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。復(fù)合材料廠商應(yīng)更早的進(jìn)階成為復(fù)合材料零部件制造商這一身份轉(zhuǎn)變，在復(fù)合材料零件的研發(fā)階段介入主機(jī)廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為車用復(fù)合材料零部件的開發(fā)提供技術(shù)支持和工藝試制。通過主機(jī)廠與復(fù)合材料廠商的共同推進(jìn)，將更快的加速汽車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。