降本增效和轻量化几乎是今年以来复合材料高度关注的焦点热点话题，今天新能源汽车周报就当下复合材料关注的焦点热点问题进行汇总。

以塑代钢+一体化成型，复合材料助力车用部件制造降本增效

“降本”几乎是今年以来各行各业高度关注的话题。对于汽车零部件加工制造来说，通过材料的研发实现集成化设计，减少部件与工序，是降本增效的有效途径之一。

根据Reports and Insights网站发布的2022-2030年汽车复合材料市场的未来发展与机遇分析专题报告分析，预计到2022年底，汽车工业用复合材料市场规模将达到95亿美元，预计到2030年将达到165亿美元，2022-2030年的复合年增长率将达到7.0%。

近期，不少企业推出新款复合材料，助力车用塑料部件加工降本提质。

一体成型的热塑性复合材料

三菱化学集团开发的具有可回收性的功能选择性热塑性复合材料GMT，可通过一体化成型减少部件数量并简化装配过程。还有高性能工程塑料DURABIO™，通过着色具有良好的可着色性以及具有抗刮擦性。它可以省略喷漆等二次加工，有助于减少生产过程中的二氧化碳。此外，还可以解决VOC的排放等环境问题。

此外，三菱化学集团还推出热塑性复合材料（ FRTP），该原材料具备阻燃性、可加工性能指标高和可回收性，可用于蓄电池外壳。

采用三菱GMT材料一体成型的汽车部件。

电动汽车底板组件一步压塑成型

朗盛品旗下的连续纤维增强热塑性复合材料Tepex dynalite（CFRTP）是可用于高效和机械稳定的车底板组件的轻质材料。近期，该材料已应用于理想L9和理想L8两款插电式混合动力SUV的面板。

汽车的面板需要面对严苛的要求，尤其是使用在保护油箱或电池的车底板组件，需要具备较高的抗穿透性、较强的能量吸收能力。

朗盛Tepex复合材料比类似的钢结构设计轻30%左右。与纯DLFT等其他材料相比，Tepex增强材料使车底板组件更坚固，硬度更高，能量吸收能力更强。理想L9和L8的大尺寸面板均由坚固的热塑性复合材料结构组成。它们采用压缩成型工艺制造而成，包括一个由高性能复合材料Tepex dynalite制成的加固嵌件以及一个DLFT（直接长纤维热塑性塑料）块。

车底板组件长约1.5米，宽约1米，厚度仅为3-4毫米。它包含一个由Tepex dynalite 104-RG600制成的1毫米厚的嵌件和另外一个由挤出工艺制成的DLFT块。这两种材料都经过加热和塑化，然后放置进模压模具，只需一个步骤就能塑为一体。Tepex嵌件的基体由聚丙烯组成，并用47%体积百分比的连续玻璃纤维粗纱进行加固。聚丙烯DLFT块含有40%重量百分比的长玻璃纤维。

车底板组件可以采用传统的压缩成型工具制造，这可以确保高效的生产。DLFT能够以经济的方式制成直接挤出物，并构成组件的主要部分，这也有助于提高成本效率。

聚氨酯HP-RTM制造工艺实现“以塑代钢”

科思创与高新技术企业卡涞科技共同推出了使用高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）工艺的聚氨酯电池包上壳体解决方案，并在主流动力电池制造商实现批量生产。本次合作研发开创了聚氨酯复合材料在新能源汽车电池包领域的应用。

聚氨酯HP-RTM制造工艺实现“以塑代钢”，可用于电池包。

据介绍，该款聚氨酯电池包上壳体解决方案在今年通过了欧盟REACH和RoHS认证，以及中国GB38031-2020的标准化测试，并在机械性能、高温高湿老化、氙灯老化、耐酸、耐碱、耐高温和绝缘性能等一系列标准化测试中表现出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工艺实现了“以塑代钢”的减重要求。

相较于其他工艺，全新的HP-RTM工艺使用自动化铺层技术，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期评估显示，相较传统金属工艺，使用HP-RTM工艺产生的二氧化碳排放也更低。

STM聚氨酯复合材料电池包壳体

不久前，搭载巴斯夫所开发、基于STM ( spray transfermolding )工艺的聚氨酯复合材料电池包壳体解决方案的几款电动汽车已经实现了大批量上市。

经过充分的量产验证，这项解决方案兼具阻燃好，重量轻，可以提升电动车的驾驶安全性。此外，在生产方面，它可直接应用于现有成熟的汽车供应链和生产设施，生产的效率高，非常适于汽车行业的快速大规模生产，是电动汽车电池包减重降本的理想解决方案。

采用巴斯夫特性材料开发的STM聚氨酯复合材料电池包壳体，采用微发泡技术，可以大大降低部件密度，轻松实现壳体减量的目标，同时拥有关键专利技术使得部件可以满足气密性试验与沉水试验要求。

在轻量化的同时，该复合材料拥有着高强度和高韧性的特点，为壳体保证了足够的机械性能。

据了解，巴斯夫的STM聚氨酯复合材料解决方案，其工艺无需预成型，生产效率远远高于其他传统的聚氨酯复合材料成型工艺。目前国内汽车行业已有成熟的产业链和供应商可以快速提供量产的产品。同时,新量产项目的设备及模具投入成本也非常低。

以预制件生产复杂的车辆结构件

Cannon Tipos公司和Coriolis 复合材料公司联合开发了一种制造工艺，可以从接近净形的干预制件中制造出复杂的碳纤维增强复合材料（CFRP）部件作为半成品。

该工艺的关键组成部分是高压树脂传递模塑（HPRTM）工艺和Coriolis的自动纤维定位（AFP）。该合作产生的组件目前正在进行适合批量生产的测试。该工艺实现了20秒的生产循环节拍时间，并显示出符合要求的机械性能，但重量最多减轻了80%。

该公司生产的自动纤维放置（AFP）设备允许连续纤维或短纤维以不同的方向放置，甚至是复杂的几何表面，同时最大限度地减少材料浪费。

干式AFP二维预制件由单向（UD）取向碳纤维的优化纤维薄片组成，每层纤维重量为280克/平方米，纤维体积分数为55%。一种特殊的粘结剂技术被用于注射快速固化的兼容环氧树脂系统。改进预制件的可塑性、纤维浸渍和可修剪性（使用三维水刀工艺），以实现接近净成形的几何形状，可将总体废品率降低达50%。

Cannon Tipos钢制模具的设计压力最高可达120巴。最小化的微孔确保了树脂与固化剂在恒定温度下的最佳反应，最大偏差为2℃。此外，在注射阶段有最小的背压，真空时间应最大化，以避免冲刷损失和气泡的产生。由于高度抛光的腔体与Coriolis的预制件技术相结合，部件的表面质量特别好。

HRC：轻量化复合材料应用，助力低碳绿色循环发展

轻量化一直是汽车行业研究的重点话题，基于双碳政策对于节能和环保的要求，新能源汽车产业得到飞速发展，轻量化的合理应用对于降低能耗、增加续航里程及提升安全性方面起着至关重要的作用，HRC作为全球先进复合材料综合解决方案的一级供应商，专业从事高性能轻量化碳纤维零部件的研发、工程设计和工业量产，拥有行业内稀缺的复合材料零部件系统开发能力和业内最为丰富的实际项目经验，擅长复杂结构，变截面，一体化成型产品的工程设计和应用解决方案开发，以其先进的轻量化材料开发技术和自身严苛的行业标准影响着未来汽车的设计理念，也为新能源汽车技术革命贡献强大推力。

行业领先的多样化复合材料应用

在第二十届上海车展中，展位位于2.2H 2BA010的HRC携多项全球首发的轻量化创新成果重磅亮相，积极响应2023上海车展“拥抱汽车行业新时代”的主题。现场展台最吸睛的是一个为不同主机厂开发的20多个包括车身覆盖件、车身结构件、底盘件、内外饰件、运动套件等全碳纤维零部件集成拼装的爆炸车身，车身整体都具有高轻质、高强度、高刚性等优异性能，外覆盖件不仅拥有A级表面，HRC研发团队经分析比对还选用了3K对称纹路，呈现精美的外观，并且大部分展品已进入量产阶段。其中，超大尺寸面积的引擎盖具有极高完成度的清漆工艺，表明HRC不仅有碳纤维研发能力，而且还拥有很强的表面工艺加工技术，为车身减重40％-50％，提升性能、缓解了汽车转向不灵活的缺陷，同时在外观方面更加运动时尚。

值得一提的是，我们在集成爆炸车身上面见到了制造工艺极为复杂的碳纤维轮毂，众所周知，汽车轮毂作为唯一一个与地面接触的汽车零部件产品，其与轮胎一起承载了汽车的全部重量，同时在传动轴的带动下起到驱动汽车的作用，并承受了地面的汽车的所有冲击，工作环境恶劣，面临水、灰尘等多方面影响，其在密封性、尺寸精度、抗冲击性上都对设计和制造流程提出了更高的要求。HRC团队开发的全碳纤维轮毂，在满足了极为复杂的外观造型设计和尺寸精度的基础之上，整体质量上较传统铝合金轮毂减重30％，在功能上能够减轻簧下质量，并大幅降低转动惯量，从而进一步改进加速和制动性能，提升悬挂响应速度、底盘动态性能、转向质感和驾乘品质，实现更加优异的操控性能。

基于终端用户对产品多样化的需求，首次亮相的全碳纤维门板质量仅为12kg，碳纤维部分可减重50％，整体减重35％，可提升燃油和电池工作效率，同时大幅度提升了整车的相关碰撞要求。该款产品可应用于具有特殊需求的车辆进行异形门设计的。技术方面，采用一体化胶合各碳纤维部件、金属装配件，HRC团队开发的精密胶合工装能严格控制工艺变形，尺寸合格率高达100％。内外板胶合区域采用特定结构胶填补，并通过A级表面处理工艺使其融为一体，保证车门整体视觉体验与使用体验达到更高维度提升。

最受汽车改装玩家和爱好者追捧的汽车零部件当属汽车尾翼（后扰流板），其在具有良好的外观装饰效果之外，在功能方面可有效减少汽车在高速行驶时产生的空气阻力，增强对地面的附着力、抵消升力，增强车辆行驶稳定性。结合市场需求，HRC团队从材料验证、结构设计、仿真分析、模具开发、CNC工装开发、胶结工装开发、检测技术等一系列制造和检测技术上进行探索，逐一攻破难关，内部采用异型气袋配合热压罐成型工艺，成功开发一体成型碳纤维尾翼。一体成型工艺减少胶接工序，避免胶接过程翘曲变形，相较于采用塑料注塑成型或纤维复合材料真空灌注成型的尾翼，满足轻量化要求，能够从容应对低温等极端天气，有效提升尾翼刚性和强度，机械新能和功能要求严苛。HRC极高的表面处理技术工艺使造型更加精美，在抗老化性和耐腐蚀性方面达到飞跃式突破。

随着新能源汽车保有量持续增加，由新能源汽车电池引发的交通事故层出不穷，各大动力电池厂商也在电池技术方面积极探索，在优化电池性能的同时，还要避免潜在的热失控问题，所以在材料阻燃性、行业认证等方面都是需要考虑的重要因素。为此HRC也在电池领域不断突破创新，推出了全碳纤维电池箱，同时也在上海车展期间重磅亮相，该电池箱盖采用热压罐工艺成型，原材料为阻燃型碳纤维预浸料，具有优良机械性能和气密性能，满足UL94-V0阻燃要求。

该产品轻量化明显，2米多长的全碳纤维电池壳体重量仅为6.4kg，与铝合金电池壳相比可减轻约40%的质量，拥有非常好的轻量化性能、安全性能、机械性能及气密性能，该产品也可根据主机厂或电池供应商需求定制开发，本体最低厚度可降至1mm，能够有效为客户提升电池设计空间，也能为终端客户增加使用空间，提升空间利用效率。

面向未来移动出行的解决方案

展会现场，由HRC与德国VOSS集团旗下液压连接技术领先制造商VOSS Fluid联合，共同推进行业技术进步，携手开发的Ⅳ型整体储氢系统——IV型70MPa储氢系统也吸引了众多业内人士的目光。

HRC市场总监陈文瑾女士表示“IV型70MPa储氢系统压力容器部份由HRC旗下英国工程设计专家Engenuity和先进复合材料技术中心（ACTC）自主研发设计并制造而成，通过采用独特的复合材料缠绕铺层设计及先进的缠绕工艺，使该产品重量相较于钢制款大幅减轻，连接部份搭载的是VOSS Fluid与旗下HypTec特别定制的高压阀门密封系统，在满足功能要求的同时极大程度提高了产品的安全性能”。

IV型70MPa储氢系统的非金属内胆具有优异的抗氢脆腐蚀能力，具有更优越的安全性能。相比于Ⅲ型储氢系统或同容积的产品质量更轻、尺寸更小，设计也更加灵活。一体式成型的产品设计理念，能够更加便捷的实现安装使用。该系统可随时进入量产化阶段，在未来，这项技术在乘用车和商用车领域将发挥巨大优势。

专注研发战略，服务行业发展

此前，由于成本原因碳纤维等复合材料大多在更高级别或具有特殊环境作业的车辆中应用。近年来，我们发现定位面对大众消费者的车型上面也有搭载，碳纤维等高性能复合材料价格逐步下沉走低，但相比于传统金属材料价格方面并不具备优势。“得益于HRC强大设计研发团队，通过结构优化设计、原材料研发、工艺技术升级、自动化设备应用、细节管控提升等方面降低成本，使该类型产品呈现逐渐向中端车型蔓延趋势。”陈文瑾女士表示。

为了确保HRC集团快速发展和创新的整体战略，同时也为了更好地协同产业链上下游的各方资源，以实现复合材料行业工业化应用的突破，HRC与德国弗劳恩霍夫化学技术研究院(Fraunhofer ICT)共同成立的先进复合材料技术中心（ACTC），专注于为移动出行领域和其它复合材料相关市场领域提供创新和可持续发展的复合轻量化解决方案。目前，ACTC是亚洲最大、中国国内首个以汽车轻量化为主要研发方向的开放式碳纤维复合材料及应用研发平台，拥有全球最先进的工艺和设备，通过双边或多边具体研发项目。同时，更多当下热点技术和前瞻性研究项目正在有序推进。

2023年3月新能源客车0.26万台降14%

近5年来，我国城市公交客运行业的新能源车快速发展，城市内公交替代柴油车的需求持续大增，为具有零排放、适合中低速运行特点的客车带来了巨大的市场机会。但2019年到2023年的新能源客车没有拓展公交外的市场，甚至因补贴的性价比下降在非营运领域有所下降，新能源客车市场适应性压力较大。

2023年新能源车逐步脱离补贴独立发展，但新能源公交客车市场压力仍较大。2023年3月的新能源客车销量0.26万台，同比下降14%，较上月增长5%。由于2022年透支力度很大， 2023年新能源客车市场走势严重低迷。随着蓝天保卫战的持续推进，柴油车的发展面临巨大危机，大中型客车是新能源城市交通的核心，新能源大巴大有优势。城市公交仍是新能源客车核心主力市场。

1、2023年新能源客车上牌表现

近几年的新能源客车的销量持续小幅负增长，这也是需求总规模不大、需求饱和的特征。2022年新能源客车的销量5.8万台增长18%的表现相对较好。2023年3月的新能源客车销量0.26万台，同比下滑14%，较上月增长5%。

2、客车增长特征

2023年3月新能源客车的表现相对较平稳，较2022年3月微有下降。去年4季度补贴退出前的抢装行情过后，2023年1季度需求不足影响较大。3月销售的时间长，销售增长仍不强。

新能源客车上牌走势相对复杂，总体客车市场饱和，但新能源仍属于盈利模式相对复杂的。

3、新能源客车产品特征

我国新能源客车产品向纯电动、大型化方向发展。新能源客车的产品逐步走上稳定，大中型客车成为主力，微客市场逐步物流化的特征。

我在分析中剔除了部分5字头轻客，主要考虑由于专用车的微客和轻客较多，因此电动微客实际应该是物流车的需求使用，不属于乘用车和一般客车的特征。

今年的插混大客增长较大，这也是相对极其异常的，估计是补贴结束后少装电池的车型有了优势。

4、新能源客车用途特征

新能源客车的城市公交类占比逐步提升。大客2023年公交的占比相对2022年同期小幅下降。

大中型客车基本都是公交用途，其它用途的新能源大中型客车没有市场，或者市场未能有效启动，这也是巨额补贴减少导致的新能源客车缺乏市场竞争力的体现。

插混的市场空间很小，基本全是大巴，除此之外没市场。但近期的増程电动车市场又开始活跃，这也是值得关注的。

5、2023年新能源客车各企业差异化

客车企业数量众多，主力企业参与并非很强，但近期长安轻客装车较多。3月的主力车企表现分化，福田、长安、郑州宇通、南京金龙、吉利商用车新能源等表现较好。

传统客车企业竞争优势不可撼动，新势力的“投资换市场”是区域深度渗透的捷径，产品性能是外地品牌拓展市场的基本技能。

新能源客车的区域性特征仍较明显，主力车企有良好地方资源，形成和谐发展的局面。

6、2023年各区域市场的企业差异化较大

2023年3月新能源客车表现较强的是江苏、北京、广东、湖北、天津等。当地主力企业一般在本地都有较好表现，基本各地财政都有相对认可和支持的核心企业。

由于疫情后私家车出行比例提升，加之个人两轮出行比例上升，公交市场的新能源需求疲软，客车企业相对不容易，市场竞争多因素促进。

作为最大的复合材料终端应用市场，汽车行业对复合材料并不陌生。除了开创性的车辆设计，复合材料还有助于使车辆更轻、更省油。汽车需要可靠、同步的机构，其部件能够承受摩擦、腐蚀和温度波动。

设计或生产中的不准确将影响性能，并可能造成制造商的业务损失。与金属钢相比，复合材料的性能能够满足并超过汽车行业的需求。这些独特的性能包括：

低热膨胀系数
优异的尺寸稳定性，可保持形状和可靠性
在潮湿和干燥条件下的耐腐蚀性能
高冲击强度，可承受重复使用
相对较轻的重量，以减少车辆的整体质量
隔音效果更好，性能更佳
对油漆的接受性，包括满足A级表面要求、油漆和烘烤工艺的能力
易于制造，成本相对较低

复合材料在汽车内外部结构中典型应用

截止目前，复合材料已经广泛用于一系列汽车结构零部件，从前照灯的前照灯外壳到发动机罩下的电气和隔热部件，再到汽车车身外部零件、内部结构和装饰部件。以下列举复合材料在汽车零部件中的常见应用：

导流板和扰流板
进气歧管
电池外壳和盖
保险杠和保险杠横梁
气缸盖（如气门、摇臂、凸轮）盖
车窗/天窗框架
前端格栅开口板
前向前照灯的壳体
隔热板（例如发动机、变速器）
支柱和覆盖物

中国新能源汽车 “出海”势头不减

图片来源/摄图网授权

新能源汽车现在有多火？从第133届广交会首次增设新能源及智能网联汽车展区就可见一斑。当前，中国新能源汽车“出海”可谓是热潮涌动。
中国汽车工业协会最新发布的数据显示，今年3月份，中国新能源汽车出口7.8万辆，同比增长3.9倍。今年一季度，中国新能源汽车出口24.8万辆，同比增长1.1倍，迎来“开门红”。具体到企业来看，1至3月份，比亚迪出口4.3万辆，同比增长12.8倍。新势力中的哪吒同样出口增长较快，根据泰国市场2月份纯电车型上牌量榜单，哪吒V稳居榜单第二，达1254辆，环比增长126%。此外，3月21日，在广州南沙港，3600台哪吒汽车启动出海发运，成为中国造车新势力中最大单批次出口。
中国汽车工业协会副总工程师许海东在接受中国经济时报记者采访时表示，一季度以来，我国新能源汽车发展势头良好，特别是出口增长强劲，延续了去年以来的良好态势。
海关数据显示，2022年我国汽车出口量达311万辆，首次超越德国成为第二大汽车出口国，创历史新高。其中，我国新能源汽车出口67.9万辆，同比增长1.2倍。进入2023年，新能源汽车出口延续强劲增长态势。
在许海东看来，一季度新能源汽车出口迎来“开门红”原因有以下两点。
第一，国际市场对中国品牌的需求非常旺盛。近年来，我国新能源汽车充分发挥体系化、规模化优势，不断丰富海外产品矩阵，国际竞争力持续上升。
第二，特斯拉等合资品牌带动效应明显。记者了解到，特斯拉上海超级工厂于2020年10月份启动整车出口业务，2021年出口量约16万辆，为中国新能源汽车全年出口量贡献了一半。2022年，特斯拉上海超级工厂累计交付71万辆，据乘联会数据统计，该工厂出口海外市场超过27.1万辆，国内交付数据为44万辆。
新能源汽车第一季度的出口数据把深圳推到了最前线。据深圳海关统计数据显示，1至2月份，深圳关区新能源汽车出口超36亿元，同比增长约23倍。
许海东认为，深圳新能源汽车出口增速表现亮眼，比亚迪不可忽视。2023年以来，比亚迪不仅汽车销量持续增长，汽车出口量也强势增长，带动深圳汽车出口产业腾飞。
据了解，近年来，深圳对汽车出口尤为重视，深圳已于去年开通小漠国际物流港口岸开放及汽车船班轮航线，经过上海港转港驶向欧洲，成功拓展汽车滚装船业务。
今年2月份，深圳更是印发《深圳金融支持新能源汽车产业链高质量发展的意见》，以多项金融举措支持新能源车企出海。
记者了解到，2021年5月，比亚迪正式宣布“乘用车出海”计划，将挪威作为开拓海外乘用车业务的首个试点市场。经过一年多的发展，目前比亚迪新能源乘用车已进入日本、德国、澳大利亚、巴西等国，足迹遍布全球51个国家和地区，2022年累计出口新能源乘用车超5.5万辆。
4月17日，北汽集团总经理张夕勇在2023新时代汽车国际论坛暨汽车半导体行业峰会上表示，从2020年到2030年，是我国汽车出口的关键成长期，我国以新能源汽车为引领的自主品牌出口将持续增加，持续向高势能的欧美等发达国家和地区拓展，不断扩大贸易份额、增加属地建厂、零部件布局和运营等方面的投资。新能源汽车迎来大发展的同时，要促进跨国车企新能源转型重心转向中国，大力加强在我国本土化布局和投资，进一步提升我国新能源汽车产业的竞争优势。

“随着海外市场对中国品牌认可度不断提升，未来一段时间，我国新能源汽车出口有望保持强劲势头。”许海东进一步表示。

新能源汽车结构轻量化研究

随着社会的进步，能源消耗在全世界范围内大幅度增多。同时，由于传统燃油汽车的使用规模和生产速度均不断扩大，进一步加剧了能源消耗以及环境污染的速度。通过对石油实际消耗与石油探明储量之间的比值，数据分析表明，如今全世界的能源短缺问题越来越严重。因此，通过科学有效的能源开采规划和能源使用时间表已经被越来越多的国家认可。而且，随着“碳中和”、“碳达峰”的出台，世界各国对石油等传统能源的使用要求越来越严格。

由于我国一直在坚持走绿色、可持续发展的道路。因此，新能源汽车的推广和应用得到了国家的大力扶植。在政策的推动下，新能源汽车在汽车产业中的占比越来越大。同时，由于新能源汽车对能源的需求较少，而且对环境的污染几乎为零。调研数据显示，消费者对新能源汽车的青睐主要是节能环保（详见图1）。在这样的时代机遇下，为了更好的利用新能源汽车的环保要求，对新能源汽车的轻量化研发是新能源汽车产业的发展趋势，这将对新能源汽车的发展、制造及投入使用具有重要意义。

通过数据进行分析，新能源汽车轻量化探究的主要方向如下：

①设计开发方式、分析方法的合理选择：传统汽车在经历了长达一百多年的历史进程中，其在车身结构、原材料的使用等方面都已经拥有量相对稳定的研发系统。而新能源汽车虽然获得了突飞猛进的机会，但也只是处于起步和探索的过程中。这就要求相关技术研究工程师投入更多的精力加以分析与研究。

②替代材料的合理选用、新材料的加工生产工艺的先进性，都是新能源汽车轻量化方面的亟待解决的痛点。

我国的生产制造能力在几十年的发展中得到了跨越式的发展。但是，与汽车强国的生产工艺相比，我国的生产工艺仍有很大的进步空间。所以，科学有效的对新材料进行制造加工，使其逐渐转变为轻量化的结构材料。

01新型材料在新能源汽车中的应用

随着材料技术的不断进步，新型材料在新能源汽车中的应用不断扩大和深入。如今，高强钢、铝合金、碳纤维复合材料等材料的应用越来越多。

1.1 高强钢在新能源汽车中的使用

高强钢主要有普通高强钢与先进高强钢两种。普通高强钢主要是指烘烤硬化钢、无间隙原子钢以及刚强度低合金钢等。而先进高强钢主要包括双相钢、复相钢以及相变诱导塑性钢等。研究表明，高强钢不仅能够降低汽车总重量，而且能够大幅度提高汽车碰撞的安全性能。所以，不管是从成本还是从性能方面来看，高强钢都是新能源汽车车身轻量化比较理想的材料之一，同时也能保证新能源汽车的安全性达到汽车行业标准以及法律法规的要求。其主要应用见图2。

1.2 铝合金在新能源汽车中的使用

铝合金密度较小，其密度仅为钢材料的三分之一左右。由于该材料的可塑性极强。而且其耐腐蚀性出色，同时也具有较高的强度和良好的韧性。机构相同的汽车，与钢制材料的车身重量相比，采用铝制材料能够使其重量减少约四成。同样，铝制轮毂的质量在结构相同的情况下也只有钢制轮毂的大约1/3。在如今的汽车生产技术中，铝合金的应用范围不断扩大，性价比也越来越高。因此，铝合金材料是汽车轻量化材料最优发展潜力的轻型材料之一。其主要在新能源汽车中的应用见图3。

1.3 碳纤维复合材料在新能源汽车中的使用

碳纤维复合材料自身的物理特性较为特殊。如今的碳纤维材料，是用树脂与金属为基体的复合材料进行加工而成。其在车身上的应用也越来越成熟，而且在制造工艺上优势较为明显。通过碳纤维复合材料加工而成的零部件与同类钢制零部件相比，其质量仅为钢制材料的1/2左右。即便是与铝制零部件相比，其质量也只有其1/3左右。通过数据分析发现，碳纤维复合材料做成的汽车，其汽车车身以及底盘整体质量将会降低4-6成。

但是由于该新型材料成本较高。如今，由碳纤维复合材料制成的结构性车身主要应用于对车身轻量化要求较高的车型。如：豪华跑车、方程式赛车等车型。

02新焊接工艺在新能源汽车中的应用

2.1 激光拼焊

激光拼焊技术的原理是学习了裁剪制衣的相关原理。将厚度不同、材质不同、涂层不同的钢板通过激光技术完成焊接工作。使其成为完整的拼焊板，然后通过整体冲压制造，与其他零部件进行整体装配的一种焊接方法。本焊接技术可实现汽车零部对材料性能的不同要求，其主要意义上能够实现对提升材料的使用效率和对零部件质量控制。德国蒂森克虏伯公司的产品是激光拼焊板的最早应用场所。首次在汽车车身应用是被应用到奥迪100车型的车身结构上。数据分析说明，在汽车车身结构中应用激光拼焊板，汽车车身整体质量降低了20%-40%。在当前环境下，激光拼焊对于推进汽车结构轻量化发展中的作用是非常关键的。不过，激光拼焊工艺的局限性同样较为突出。主要体现在如下几个方面：

①拼接焊缝会对冲压零部件材料的力学性能、表面质量造成一定程度的影响；

②由于激光拼焊板接缝处厚度不同，对薄厚板间连接很难实现平滑连接。所以，对于汽车车身面板的生产并不是非常适合。

当然，随着我国汽车生产技术的不断提升。该工艺在新能源汽车高强钢板拼接方面的技术得到了不断完善和发展，也使新能源汽车获得更为突出的轻量化效果。

2.2 铝合金拼焊

如今，在汽车生产中的使用较为广泛是铝合金材料。相较于使用焊接钢板，同类型的零部件，如果使用铝合金拼焊板，汽车整车重量会有约1/2的降低。即便是与使用铝合金材料相比，铝合金拼焊板技术的使用也可使汽车整车重量减少5％～10％。有数据显示，铝合金拼焊板工艺对控制零部件自身质量优势较为突出。现有技术条件下，铝合金拼焊板工艺主要有非真空电子束焊以及激光焊两种。不过，因为在焊接过程中极易产生空隙、焊缝区域热裂和合金元素损失是铝合金拼焊的弊端，目前，其实际应用与推广较为困难。

2.3 搅拌摩擦焊

随着技术的不断进步，搅拌摩擦焊技术的应用不断深入。该焊接技术是一种比较新颖的铝合金焊板生产技术。其主要工作原理是把搅拌针插入到待焊接工件的内部，在搅拌针高速旋转的作用下，使其与焊接工件摩擦，通过将连接部位的材料温度提升使其软化，在搅拌针向前移动时，被摩擦后软化的材料的向后流动，使金属在焊缝处结合起来，形成致密的固态连接。

03新成型工艺

3.1 内高压成型工艺

该类型生产技术是将管材作为主要材料，利用向管材施加超高压油液以及轴向推力补料的方式将管坯压入模腔，使其成型为所需工件的生产过程。内高压成型工艺的主要工作过程如下：

①填充过程：把管材放入到模腔并进行合膜。在冲水的状况下，使管材两端沿着水平方向推进，在逐步形成相对密封的状态的同时，预充体发挥作用，将管材内部空气排除。

②成型过程：向管材内液体施加压力，使管材逐步成型。

③整型过程：在施加压力的作用下，逐步贴合模具角度与膜腔，形成所需的工件。相较于传统的冲压工艺。内高压成型工艺在降低零部件重量的同时，资源的实际利用率也得到不断提升，使材料损耗率最小化。在新能源汽车的制造过程中，该工艺在汽车仪表板横梁以及电池托架等的制作中应用较为广泛。

3.2 热压成型工艺

该生产技术是较为常见且比较普遍的加工方式之一。利用加热模具，将材料注入到模具中。并通过压力的作用把材料和模具进行固定。当材料定型完毕，再将模型成品取出。热压成型工艺主要由以下几个步骤组成：

首先，将模板加热并把材料放置到其中。然后，通过上模和下模对材料模板施加一定压力的作用，通过排气管将气体排出。最后，对已冷却成型的模具进行剪切，最终成品定型。相较于传统制造工艺，该生产技术在有助于提高零部件强度的痛死，对于零部件的厚度控制也是较为精准的。不仅能够在一定程度上减少零部件的使用数量，而且对于汽车质量的提高有一定的帮助。在新能源车型的制造技术中，汽车地板、车门防撞梁和前防撞梁等的制作中该工艺应用较为广泛。

3.3 辊压成型工艺

材料在跟随辊轮不断转动的过程中，在辊轮的碾压下成型为各种复杂制件，就是辊压成型技术。在使用该工艺时，需注意以下要点：首先，在剪切对焊装置中，应对材料进行的处置要合理。其次，应发挥压机与成型机的作用，确定辊压成型定型。然后，要提高对定型后模具的冲孔、切边以及压型等处理工作的重视程度。在新能源汽车制造技术中，汽车门槛梁、防撞梁和车门窗框等的制作过程中应用该技术是较为广泛的。

04结语

由于社会的进步和技术的发展，消费者对汽车的需求不断变化，追求的品位不断提高。在汽车保有量的持续增加的同时，需要持续提高对新能源汽车结构轻量化的钻研。不断深入研究轻量化材料的适用范围。逐步改善新能源汽车结构轻量化的技术能力，不断提升新技术在新能源汽车的生产制造过程中的重要作用。

作者：李广俊陈许超

来源：《交通运输》

新能源汽车碳纤维复合材料车门轻量化设计

汽车轻量化是在保证其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，从结构、材料、工艺等方面，应用新设计、新材料、新技术来实现对汽车整体的减重，以完成汽车向“低能耗”、“低排放”的转变。

材料轻量化是实现车身轻量化设计的主流方向之一。作为车身的关键部件之一，车门需要保证足够的刚度、强度，从而使整车具有良好的安全、振动噪声和耐久性能。碳纤维增强复合材料以其优异的综合性能、高比强度和比模量和灵活的可设计性在众多新型轻量化材料中脱颖而出。碳纤维增强复合材料的密度仅为钢材密度的20%,铝合金密度的60%,其应用可以使车身减轻30%~60%,其质量仅为钢的1/4,强度则是铁的10倍，是一种理想的轻量化替换材料。陈静等的研究表明，结构优化后的碳纤维材料电池箱在质量减少的同时，提高了刚度和模态频率；陈伟旳将碳纤维材料引入汽车B柱支撑板，在确保碰撞性能的情况下减重55%。

商业领域中，碳纤维材料已经大量应用在宝马、奥迪等量产车型的车身结构中叫薛娇问基于传统金属材料的汽车B柱，使用等代设计的方法将原有的金属材料替换成碳纤维复合材料，并在有限元软件中进行仿真分析。结果表明，碳纤维复合材料的汽车B柱相较于原版的B柱拥有更好的力学性能，其质量减轻了40%；Belingardi等为了能将复合材料利用到保险杠的加工制造中，用数值仿真技术进行了验证，结果表明，在吸收相同撞击力和承受相同载荷的情况下，碳纤维复合材料制成的保险杠总体质量更低。可见,碳纤维增强复合材料是汽车轻量化新型材料的优良选择。

对于将拓扑优化应用到结构轻量化设计中，国内外的学者也做了大量研究。杨畅冈基于变密度法和SIMP惩罚优化准则来构建拓扑优化，对汽车传动轴进行了轻量化，结果使车轴总体上降低了10%的质量。孙志远等用拓扑优化的方法对汽车前车架进行了轻量化设计，车架在结构优化后减轻了30.8%;Kiani等用拓扑优化的方法对镁材料的车身进行轻量化设计，仿真结果显示了车身在满足碰撞和振动要求下，质量大幅减少。

本文采用碳纤维复合材料代替传统钢制材料车门进行轻量化设计。首先对传统车门进行静力学和模态性能分析，然后以分析结果为参考，采用等质量替换法，获得碳纤维复合材料车门的有限元模型，以复合材料车门质量最小化为目标函数，静态性能为约束条件，进行了自由尺寸优化、尺寸优化、铺层顺序优化，最后进行了优化规整和性能验证，实现了在满足性能要求的前提下，车门整体减重48.3%。

1传统车门有限元模型与性能分析

1.1有限元网格的划分

车门是由多个零部件组成的，包括车门外板、车门内板、防撞梁、玻璃窗框、铰链加强板、门锁加强板、翻边及其余部件（如导轨等）。

在CAHA中建立几何模型，导入HyperWorks,进行网格划分，网格划分结果如图1所示。

对整个车门的所有网格进行质量检查，主要参数如表1所示。

1.2传统车门的静力学和模态分析

依据国家有关强制标准，参考FMVSS和ULSCA研究成果，综合分析新能源汽车车门在许多研究中施加的工作载荷，确定了4种典型静力学工况，分别为垂直工况、车门窗框角部工况、上部扭转工况、下部扭转工况。以垂直工况为例，车门垂直受载下的载荷模型如图2所示。

考虑乘客支撑力200N和车门自重550N,载荷大小设定在750N。设定车门采用铰链连接，施加车门铰链处全约束，车门门锁处则仅约束X方向上的平动。

在这种工况下，采用车门沿Z轴负方向上的最大位移量作为评价指标，最大位移量越小，说明车门刚度性能表现越优秀。在OptiStruct模块中进行有限元分析，获得车门位移云图。依据FMVSS和ULSCA研究成果，并与本文仿真数据比较，设置参考临界值为10mm。最大位移发生在窗框角部，大小为7.52mm,而jiao铰链处变形程度很小。刚度性能满足设计要求。

以同一方法对另外3种工况的车门进行静力学分析，刚度性能均符合要求。各个工况下的最大位移如表2所示。

对车门进行约束模态分析，考察振动特性。在约束模态的仿真结果中，一阶模态反映了车门的整体振动特性。汽车电机在启动时，其自身产生的振动频率为20~30Hz，所以车门最低阶频率应该尽可能避开这个区间。本次对原车门的仿真分析结果显示1阶模态频率是45.12Hz。避开了环境综合激励频率，合乎设计标准。

2复合材料车门有限元模型及性能分析

2.1碳纤维复合材料的替换

碳纤维复合材料具有比强度、比模量和比吸能高等诸多突出优势，还拥有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性，零件使用寿命高，有利于汽车轻量化设计,未来随着原料成本的逐渐下降与高效制造工艺的不断成熟，碳纤维将得到更广泛的应用。本文选取采用纤维增强型复合材料，主要选取的材料为环氧树脂单层板复合材料，其具体参数见表3。

在考虑单层板的加工工艺以及制造成本基础上，本次研究选取单层板的最小厚度0.1mm。采用等质量的替换方法，以0.1mm作为每层的最小厚度，具体计算方法如下：

(1)金属车门总质量记为m1；

(2)将金属材料车门外板的总体积v1,与复合材料车门的体积V2作比值，所得出的一个比例系数乘上原有车门外板的厚度，则总的铺层厚度t也可知；

(3)复合材料车门总质量记为m2，由V2和复材密度的乘积而得出；

(4)将m2与m1之差的绝对值与金属材料车门的总质量m1的比值作为误差率，该误差率允许范围为1%。

具体的零部件总厚度计算公式为：

其中：t—零部件的厚度；m—质量；ρ—相应材料的密度。

通过上述方法获得各部件的厚度，使用OptiStruct软件计算出原车门质量为15.53kg,然后进行等质量替换，获得碳纤维材料车门质量。替换后的车门总质量为15.56kg，总质量误差在1%以内，符合了替换要求。部分零部件等质量替换结果如表4所示。

2.2复合材料车门的静力学分析和模态分析

参照原车门分析方法进行复合材料车门的静力学分析。复材替换后的车门在垂直工况下，云图的单元体位移分布与原车门相似，但是由于碳纤维材料本身刚度优良的特点，Z轴方向上最大垂直位移为6.451mm,变形明显小于原车门的7.518mm。

以同样方法对其余3种工况下的复合材料车门进行静力学分析，复材替换后车门的最大位移均小于原车门，具体位移数值见表5。

进一步对复材车门进行约束模态分析，仿真分析结果显示一阶模态频率是45.28Hz。避开了环境综合激励频率，合乎设计标准。

发现在上文的等质量替换过程中，替换后的碳纤维车门模型厚度增加较大。在静力学的分析中，复材替换后的车门在所有的工况仿真中，刚度表现都优于原车门。在模态分析中，复材车门能够满足车门振动稳定性。综上所述，该款车门从结构角度和材料替换角度存在优化空间。

3碳纤维复合材料车门的结构优化设计

采用自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化，具体的优化设计方案流程如图3所示。

其中，约束条件为在4种工况下受力之后最大变形不超过10mm;目标函数选择为车门所有零部件的质量最小化；设计变量为铺层的局部厚度。

3.1自由尺寸优化

通过自由尺寸优化对车门进行初步优化，形成设计优化方向。相比其他优化方式，自由尺寸优化消耗的时间更短,并且不会改变车门的三维结构,能够在满足约束条件的前提下，最大限度地减轻整体质量。设计变量设定为每个板件的厚度，约束条件根据前文中传统钢制车门的静力学分析结果，设定为Z方向上位移最大为±8.5mm,取1.5mm的裕度是为之后的进一步优化做铺垫，使车门始终满足最低的刚度要求。

第1阶约束模态频率为44.93Hz,符合工程要求。优化后的最大厚度出现在铰链加强板位置，车门内外板的中心面则普遍厚度大幅度下降，很多呈现厚度为1mm。而窗框的上沿和车门底端则一部分厚度为4mm左右，符合之前的分析结果。

考察自由尺寸优化后的复合材料车门静力学特性，最大的位移变形出现在上部扭转工况中的车门外板下沿位置，数值为&097mm,小于最大的限制位移8.5mm。

3.2尺寸优化

尺寸优化是对模型具体细节参数的优化，在不改变模型形状和连接方式的基础上修正厚度、长宽等尺寸，使有限元分析结果能够满足静力学和模态频率要求。

对自由尺寸优化后的迭代结果进行尺寸优化,车门的最大厚度在自由尺寸迭代结果的基础上由10.7mm减少到6.718mm。

尺寸优化后的车门在垂直工况下最大变形位移出现在车门窗框上沿边缘处，数值为8.211mm,相比单纯的自由尺寸优化，刚度有所下降，但是仍然符合工程要求。

在优化后，每一层从原有的4层增加到了48层，最终铺层数目为192层。

3.3铺层顺序优化

铺层顺序优化是在不改变铺层厚度、形貌和结构的前提下，对车门铺层的叠加顺序进行优化，目的是在原先的基础上改善刚度和模态频率。

为了结构优化的方便，本文采用的初始铺层数目为4层。而在工程中对于4层的复合材料常用的铺层角度是0度、±45°和90°。图4为对每一层规整后的车门外板铺层图，表7则为优化后的车门外板的各铺层具体厚度以及角度分布的详细数据。

进行静力学分析后发现，经过铺层顺序优化后的刚度性能表现更好,相比于优化之前的车门，变形也减少了很多。优化前后车门在各工况下最大位移比较见表8。

之后对优化后车门进行约束模态分析来校核性能，得出一阶模态约束频率为47.11Hz,避开了环境综合激励频率，合乎设计标准。

4 结论

本文基于新型碳纤维材料和计算机辅助设计软件，对某新能源汽车的车门进行了材料替换和结构优化的轻量化设计。对碳纤维复合材料车门依托自由尺寸拓扑优化、尺寸优化和铺层顺序优化理论进行了结构优化，并校核了优化后车门的刚度和模态频率。模态频率和最大变形均满足要求，最终优化后的车门总质量为8.052kg,减重48.3%。

作者：张乐迪，程博彦，段耀东，曾超凡，董向峰

来源：《农业装备与车辆工程》

汽车底盘 I 碳纤维复合材料在新能源汽车底盘的应用技术

▌ 1.从零出发

参与世界首台CFRTP汽车底盘研制工作的研究人员（名古屋大学）

2013年宝马汽车生产的电动车i3车身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工艺热固性CFRP时，给汽车行业带来了巨大的冲击，该公司的在2015年款7系车上虽然采用了多材料化，但是CFRP的应用仅停留在作为铝、钢铁等增强材料。虽然不是结构部件，2017年丰田汽车将SMC（Sheet Molding Compound）工法的热固性CFRP应用在普锐斯PHV的后车门。

关于碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，2014年丰田汽车将其应用在燃料电池车MIRAI的堆栈框架上，这也是首次在量产车上的应用。关于CFRTP其他的应用事例目前仍在研究阶段还没有达到实用化（图1）。

图1.CFRP成型技术与力学特性之间关系的路线图

日本5家汽车制造商为了寻求适用于量产车生产的CFRP制造技术，将目光着眼于LFT-D（长纤维增强热塑性复合材料工艺）工艺技术（图2），并于2012年在日本经济产业省的支持下成立了研发团队，由名古屋大学国家复合材料中心石川隆司教授担任项目负责人，之后该项目在2014年并入NEDO(日本新能源技术开发机构) 的“创新新结构材料研发”项目。

图2.LFT-D生产概念图

LFT-D是德国弗劳恩霍夫物流研究院提出的一种纤维强化塑料的制造方法，最初是将玻璃纤维和热塑性树脂（聚丙烯）混合而成的材料通过高速冲压成型。本项目为了提高力学性能，原料中使用了碳纤维和热塑性树脂（聚酰胺）。热塑性塑料与热固性塑料相比，具有材料价格便宜，成型时间短的优势。另外，作为热塑性塑料的特性，可以在接合中应用熔接和焊接技术，所以不需要粘合剂和铆钉，可应用于目前现行的汽车生产线，这对汽车制造企业来说具有极大的魅力。

本项目的主要特点之一是采取了大学与11家企业共同参与的联合体方式。各企业根据各自的经验，从零开始开发一种新的工艺，通过5年不断反复的改良，才取得了今天这样与企业诉求充分吻合的重大成果。

图3.经过改良后螺旋推进器的混炼·挤出机

图4.保温搬送装置中挤出的原料

▌ 2.不断进取、不断改良、追求完美

截至目前，本项目最主要的成果首先是以最佳条件形成LFT-D挤出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型设备及系统（图5）。从原料的投入到成型品的完成只需5分钟左右，冲压成型所需的时间缩短到1~2分钟，能保障实现年产10万台规模的量产。其中系统设备研发中最难的一点是将碳纤维和热塑性树脂混炼的工序，这一点可以说是永远的课题。虽然混炼螺杆推进器的设计在多次改良积累了丰富的经验和诀窍，但在螺杆推进器中到底发生什么，仍然还有很多未解之谜。即使利用计算机模拟技术也不能完全揭开其真实的机理，仍然是将来需要解决的课题。

图5.大型LFT-D高速成型设备

在整个研发过程中，物料搬送技术的开发也相当艰辛。挤出材料接触空气后会因氧气而劣化，因此需要阻断氧气。另外，冷却后马上就会凝固，影响在冲压机中的流动，所以需要在保持温度的同时，如何高速向冲压机送料是关键，如何将它控制在分毫不差，是物料搬送技术的核心。

与混炼工序相反，冲压成型中的物料移动非常清晰。通过开发流动模拟CAE技术，并在成型试件的水准设定和模具设计中得以充分灵活的运用（图6）。

图6.CAE流动分析

关于材料的检测评估技术，申请了两项专利。其中一项专利是关于预填充物的制作方法，开发了多阶段稀释法的纤维长度分布测定法，实现了排除试样采集位置特异性的精度提高和效率化（图5）。另一项专利是测量纤维方向的方法，开发了X射线衍射法的纤维取向测定法，确立了平均取向角和取向顺序参数的计算顺序（图6）。

图7.多阶段稀释测定纤维长度分布

图8.根据X射线衍射测量纤维取向

图9.物料搬送技术的应用

▌ 3.“产学官”联合研发的样板工程

日本的“产学官合作”是指通过企业（产）与具有高端技术、高级专业知识的大学（学）以及政府（官）合作，谋求新产品的开发和新工程的创建，积极推进科技创新及其成果的转化。“产学官联合”是日本科技立国政策的重要举措，是在政府的支持下，充分利用大学强大的科研队伍和企业的经济实力，开发新兴技术产品，增强日本企业国际竞争力的机制。

本项目试制所选择的车辆标准是比钢铁轻的铝制车辆，而且是本次共同研发企业之外的车型。项目组购买了一辆莲花爱丽舍二手车，在拆解前测量了其扭转刚度（指汽车车架的扭转刚度），并以与之同等的刚度为本项目的设计目标。

从大尺寸平板的成型开始，取得基础数据，找出问题点。由于当初高质量的平板成型比较困难，经历了多次反复的试验。对于强度不足的部分，同时开展了作为增强材料使用织物（热塑性连续纤维CFRP）的混合成型的开发。在完成技术上最难的底盘平板后，逐步完成了包括侧梁等与实车完全一样的其他结构部件的开发。

图10.LFT-D汽车底盘的结构设计

关于接合，开发了与钢铁材料接合中使用的焊缝焊接同等水平的高速接合技术。虽然实现了解超声波熔接是有效的，但本项目中也实验了电磁感应和激光熔接。电磁感应对连续纤维有效但对不连续纤维不起作用，激光熔接虽然可以接合，但有专利等壁垒，仅限于研究范围。最终选择了超声波熔接，现状不能熔接的部分也并用了一部分，不过，为了发挥LFT-D的特性，从构造设计上下功夫，实现了全部熔接接合。不仅是LFT-D成型材料之间，也可与铝材料通过超声波熔接进行接合。同样也可以与钢材的接合，但是存在表面处理等未解决的问题，目前其研究仍在进行。

本项目中接合技术，有一部分在校学生获得了这次宝贵的机会并参与了研发工作。作为“产学官”合作的示范案例，获得日本内阁府颁发的“产学官联合功劳者选拔委员会特别奖“。同年2月，为了表彰该技术对汽车轻量化的贡献，获得“nano tech大奖”。

本次完成的热塑性CFRP底盘重量40kg，实现了与原车相同的强度和刚性要求。相对于铝制底盘由100个零部件组成，热塑性CFRP底盘仅仅有10个零部件，成本也可与铝制底盘相竞争。

图12.参加本项目的“产学官”大学及企业

碳纤维复合材料及其连接技术在汽车白车身的应用

自进入21世纪以来，能源危机越来越严重。减少能源消耗和排放，成为汽车行业的重要发展方向。当前，一辆汽车半数以上是铸铁或钢，塑料件约占11%，铝合金约占9%，橡胶约占7%，玻璃约占3%。镁、钛、铜和锌合金共同约占1%，油漆、电缆和表面材料等约占13.5%，如下图1所示[1]。

为解决能源效率问题，研究人员提出了观点——车身不同部位用不同的轻量化材料来减轻汽车整备质量。每减重10kg，能耗和碳排放就减少1g/km。

碳纤维作为增强材料和树脂基体复合而成的复合材料，优势明显。例如：低密度，高比强，高比模，耐疲劳性能好，耐腐蚀性能好，可设计性以及强减震。碳纤维复合材料可使车身质量至少降低60%，续驶里程提高25%以上，既降低了整车的质量及油耗，又不失轻便、灵巧。

但新材料的应用需要开发新的加工工艺、连接工艺来满足装配的需求，随着科学技术的发展，目前已经开发出了不少具备工业化的连接技术。

随着碳纤维加工成本的降低和连接技术的成熟，必将推动碳纤维在汽车行业的应用迅速可持续发展。

碳纤维复合材料在白车身的应用

随着汽车的发展，车身尺寸不断增大，安全系数不断提高，配置越来越丰富，结构越来越复杂。这种情况下，要保持合理的车重，选择合适的材料至关重要。可以说，轻量化材料的选择，真正体现了汽车品牌之间的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足汽车刚性性能需求，又实现了汽车的轻量化。碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求，也能解决消费者所关心的节能省油问题。

碳纤维在汽车领域应用之初，由于成本高、工艺复杂，仅在跑车和少量的昂贵车型上应用。但随着技术的进步，碳纤维在汽车车身上的应用越来越多。宝马i3 2013款车型的车身碳纤维用量达到了49.41%，宝马i8 2014款车身碳纤维用量为43%，这两款车也成为碳纤维复合材料在汽车构件大幅度应用的标杆车型。2018年，瑞典豪华品牌Polestar推出了Polestar1，该车上车身全部采用碳纤维复合材料，极大降低了整车的整备质量。随着技术的发展，国内车企也相继推出了碳纤维汽车构件应用的车型，如上汽荣威E50的机盖、一汽红旗的翼子板、奇瑞艾瑞泽7的前保险杠横梁和吸能盒等[2]。

1. 优势

（1）减重CFRP（碳纤维增强复合材料）的密度为1.45~1.6g/cm3，不到钢密度的25%，比铝还要轻，CFRP的使用可使汽车整备质量减少30%~60%。CFRP由于其优异的强度、刚度以及轻量化的特点，对提高燃料利用率、减少CO2排放具有重要意义，在汽车行业得到了广泛的研究和应用[3]。根据之前研究，如果用CFRP替代钢件的话，汽车整备质量可减少60%，燃料利用率提高30%，二氧化碳排放量减少20%。此外，车身结构的减重还可以使得底盘、齿轮和刹车等结构减重。

（2）零部件的集成/减少

如果大量使用碳纤维零件，不仅能够减重，还能显著减少车身零件数量。欧洲汽车研究学会的研究表明复杂形状的碳纤维和连接技术可将车身零件数量减少30%左右。零件数量的减少也会使得生产工具和连接设备减少。当前车身设计和汽车制造还处于一个将零部件焊接到一起的阶段，但ACA的研究表明车身结构使用一体成型的碳纤维结构件，最多可减少70%的工具和设备投入。

（3）良好的抗冲击性和能量吸收能力

碳纤维复合材料具有良好的能量吸收能力。在碰撞时，热塑性复合材料吸能量为250kJ，热固性复合材料的吸能量为120kJ/kg左右，而钢只有20kJ/kg。此外，碳纤维复合材料振动衰减系数大，吸振能力强，可减少振动和噪声[4]。

（4）可实现复杂的造型

大的复杂结构件都可以用碳纤维复合材料制作，且形状不受限制，这是金属材料所无法具备的。此外，和传统的纤维相比，CFRP可用于有外露面的结构件。

2. 劣势

（1）高成本

目前，成本是影响碳纤维复合材料在汽车行业批量应用的关键因素之一。虽然，世界各国的科学家都在努力降低碳纤维量产的成本，但目前和钢车身相比，碳纤维车身的成本是其15倍左右[5]。目前工业生产中，碳纤维前驱体来源受限，造成了碳纤维的高成本。而目前科学家也在研究可替代的前驱体和加工技术，从而降低碳纤维批量生产的成本。

（2）复杂且低效的生产工艺及技术

目前碳纤维复合材料普遍采用热压罐成型技术制备零件，具有质量稳定、成型模具简单、纤维体积含量高等优点，但存在周期长、能耗大等缺点，很难适应汽车工业的规模应用。

采用片状模塑料的碳纤维，由于其表面的喷涂气孔（高温喷涂中轻微的气体溢出造成的针孔）很难消除，所以也是个难题。

（3）可回收性低

碳纤维复合材料会分解为不同的树脂，而回收大量不同的树脂会增加拆卸成本，进而降低材料的回收价值。此外，这些数值大多是不可回收利用的，反而是通过填埋处理，这会对环境造成很大影响。

表1是不同材料的虚拟能源，可以看出，和其他材料相比，碳纤维复合材料是较高的，因此碳纤维的回收消耗的能源也是需要考虑的[6]。

碳纤维复合材料连接技术

碳纤维复合材料独特的力学、物理化学性能及加工工艺等，金属材料常见的连接技术很难应用于碳纤维复合材料的连接。目前碳纤维复合材料的连接技术主要有机械连接、胶结、焊接和混合连接技术等[7]。

1.机械连接

碳纤维的机械连接通常指通过铆接或螺栓将不同的碳纤维部件连接成一个整体。

采用机械连接时，需对复合材料进行打孔。采用机械连接具有以下优点：

1）连接简单可靠，方便检查质量。

2）可重复进行拆卸和安装。

3）可避免胶接固化后产能的残余应力。

4）对被连接的零件厚度要求没有特别限制。

但也存在以下缺点：

1）预打孔时，会导致孔四周的应力集中，降低连接性能。

2）由于紧固件的使用，会导致整个零件的质量增加。

3）紧固件和复合材料接触可能会产生电化学腐蚀。

4）紧固件易疲劳，造成结构失效。

5）预制孔时会对复合材料产生不同程度的损伤。

2.胶接

胶接，即使用结构胶将不同的零件连接成一个不可拆卸的整体。胶接目前广泛应用于CFRP和其他材料的连接，胶接需表面处理，且需要较长的固化时间。然而胶接接头的强度对环境和结构胶的性能比较敏感，在严酷的环境下，接头强度会极具降低，尤其在潮湿条件下。

通常，由于CFRP和金属材料的热膨胀系数不同，所以粘接完成后，会产生较大的残余拉应力，接头的强度也会受影响。

有研究表明，使用超声波辅助涂胶技术，接头的强度最高可提高52%，但接头强度会受振动时间和和位置的影响[7]。

由于表面的清洁度、粗糙度和表面化学结构等因素直接影响最终的粘接强度，故在粘接前对碳纤维表面需进行预处理，以提高粘接的强度，常用的表面处理方式有三种：溶剂脱脂法、物理打磨法和化学处理法。溶剂脱脂法主要用于去除表面污染物和改善表面润湿性。物理打磨法用于提高表面粗糙度、增大实际接触面积和改善表面润湿性。化学处理用于改善表面内聚强度、改变表面活性和改变表面自由能。

3.焊接

焊接，即通过加热，将不同的母材连接成一个整体的加工技术。对于碳纤维材料，由于只有热塑性材料能熔化且二次成形，故碳纤维的焊接技术仅适用于热塑性碳纤维复合材料。碳纤维的焊接即通过热源，将碳纤维材料的界面融化，在零件中间形成焊缝，实现不同材料的焊接。

目前热塑性碳纤维复核材料焊接技术主要有超声波焊接、感应焊接、电阻焊和激光焊等。

4.混合连接

混合连接是采用最少两种连接方式将两个或者多个部件连接到一起。通常是将机械连接和胶接同时使用，如螺栓联接和胶接、铆接和胶接。如能保证部件受力时，两种连接技术的接头同时受力，同步变形，可明显起到组织或者延缓接头的损伤，提高抗冲击、抗疲劳和抗拉性能。但混合连接也会使得成本增加，结构质量增加以及孔应力集中等问题。

不同连接技术对比见表2，碳纤维复合材料的连接技术，要综合各方面因素，根据实际情况确定。通常，需要承受大的集中载荷，对可靠性要求较高时，优先考虑机械连接方式。对于承受均布载荷或承受剪切应力时，优先考虑胶接。而混合连接多用于要求多余度连接的部件，如中等厚度板的连接。

结语

碳纤维复合材料由于其轻质且刚度高和抗冲击能力好等优点，在汽车实现轻量化和节能减排的重要发展方向。但也存在生产工艺复杂、成本高、可回收性差等缺点。随着科技的进度，如果能将以上问题解决，相信碳纤维在汽车行业会得到批量应用，也会助推连接技术的发展。

参考文献

[1] Hovorun T. P.，Berladir K.V.，Pererva V.I.，et al.Modern materials for automotive industry[J].Journal of engineering sciences，2017，4（2）：8-18.

[2] 彭孟娜，马建伟.碳纤维及其在汽车轻量化中的应用 [J].合成纤维工业，2018，41（01）：53-57.

[3] 赵艳荣，胡平，梁继才，等.碳纤维复合材料在汽车工业中的应用[J].合成树脂及塑料，2015，32 （5）：95-98.

[4] Ahmad H , Markina A A , Porotnikov M V , et al. A review of carbon fiber materials in automotive industry[J]. IOP conference series: materials science and engineering，2020，971（3）：7-11.

[5] 冶存良，李红娟. 汽车轻量化进程中碳纤维复合材料（CFRP）技术应用现状[J]. 时代汽车，2018 （11）：2.

[6] Howarth J，Mareddy S, Mativenga P T. Energyintensity and environmental analysis of mechanical recycling of carbon fibre composite[J]. Journal of cleaner production，2014，81（7）：46-50.

[7] Zhang D W，Qi Z，Fan X，et al. Review onjoining process of carbon fiber-reinforced polymerand metal：applications and outlook[J]. Rare metalmaterials and engineering，2019，48（1）：44-54.

[8] 王辉，郝旭飞，华林，等. 超声振动辅助碳纤维复合材料胶接研究[J]. 华中科技大学学报：自然科学版，2016， 44（5）：6.

作者：杨洪期，王金培，冯杨，高海东

用于新能源电池热管理的一种新型复合相变材料

1 背景介绍

传统燃油汽车存在着高能耗、温室气体排放、发动机噪声污染等问题，对环境影响很大。在能源短缺、环境污染严重的情况下，节约能源、减少排放，用清洁能源替代传统化石燃料迫在眉睫。清洁能源（氢气、高级醇类、甲烷等）和能量转换器等常见的节能手段近些年都取得了很多研究成果。锂能作为一种很有前途的储能方式，也在逐步完善，逐渐在汽车行业占据重要地位。锂电储能具有能量密度高、循环性能好、节能环保等优点。作为单体电池，软包装锂离子电池具有优异的储能效果，并且广泛应用于电动汽车、储能电站等领域。但是，如果在充放电过程中散热不及时，电池可能会出现膨胀、漏电等现象，存在自燃等事故的危险。因此，有必要对锂电池进行热管理。固液相变材料具有成本低、腐蚀弱、相变潜热高等优点。

通过相变过程，可以储存和释放能量，在电池热管理系统中具有广阔的应用前景。相变材料的存在会使电池组的温度分布更均匀，减少过热现象。然而，纯相变材料的导热系数普遍较低。近年来，金属有机骨架(MOF)受到了广泛的关注，它具有比表面积大、孔隙率高的优点，是一种有效的相变材料封装载体。MOF材料是制备多孔碳的理想模板，将MOF衍生的多孔碳与碳基材料复合作为相变材料载体是优化复合材料的导热系数的一种可行的方法。但是目前关于这方面的报道较少，目前新能源行业飞速发展，开发一种用于新能源电池方面的复合相变热管理材料迫在眉睫。

2 成果掠影

近期，左红艳教授团队在用于新能源电池热管理的复合相变材料方向取得新进展。团队设计了一种用于电池热管理的新型复合相变材料，通过对月桂酸(LA)的吸附，可以得到形状稳定的LA/EG@HPC复合相变材料。载体的BET表面积为15.9326 m2/g，孔径分布以中孔和大孔为主。载体的三维结构可以为LA提供连续的分层换热网络通道。复合相变材料的负荷率可达70%，导热系数为2.546 W/(m.K)，是纯LA的8.4倍。此外，目前用于相变材料载体的MOF材料都是通过反应釜合成的。该团队采用的热溶剂法可大大提高单次合成效率，操作简便。

实验结果表明复合相变材料在电池热管理方面表现出优异的性能。在不同速率的放电测试中，电池包的最高温度比没有热管理的电池包降低了13.4℃，电池温差降低了1-1.5℃，工作温度远低于安全温度50℃。循环试验中，DST条件下复合相变材料组温度波动降低45%，高功率条件下电池温度保持在安全温度以下，具有显著的热管理效果。该研究成果为新能源电池热管理材料提供新的研究思路。研究成果以“EG@Bi-MOF derived porous carbon/lauric acid composite phase change materials for thermal management of batteries”为题发表于《Energy》。

3 图文导读