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

 

    材料輕量化技術是指通過采用新型輕質材料，在保證實現原有功能及性能目標的前提下來實現降低重量的技術措施。

 

    在輕量化趨勢的影響下，各種新型材料，如輕質金屬材料（鋁合金、鎂合金）、輕質非金屬材料（低密度、薄壁化）以及先進復合材料將越來越多的應用于汽車的輕量化設計中，在整車的材料組成中比例也將隨之提高。

 

    高分子復合材料按性能高低，可分為通用復合材料和高性能(先進)復合材料。高性能高分子復合材料是采用新技術、新工藝或新設備研制的具有優(yōu)異性能或特殊功能的復合材料。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體與耐高溫的高聚物等基體構成的復合材料，具有高的比強度和比模量、各向異性和可設計性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導電、半導、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、摩擦、吸聲等功能[2]。

 

復合材料是各向異性的非均質材料，具有如下特點：

 

（1）比重小，質量輕。密度比鋼、鋁、鎂等金屬材料都低，以碳纖維復合材料舉例，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）比強度和比模量高。比強度可達鋼的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，層壓的復合材料對疲勞裂紋擴張有“止擴”作用，這是因為當裂紋由表面向內層擴展時，到達某一纖維取向不同的層面時，會使得裂紋擴展的斷裂能在該層面內發(fā)散，這種特性使得FRP 的疲勞強度大為提高。研究表明，鋼和鋁的疲勞強度是靜力強度的50%，而復合材料可達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）化學穩(wěn)定性優(yōu)良。可長期在強酸、強堿等環(huán)境下使用；

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

（7）設計自由度高。可根據構建的設計目標通過增強材料的分布、層數及纖維種類和樹脂含量實現自由設計。

車用復合材料因其具有質量輕、比強度與比模量高、剛度好，可靠性佳、耐磨性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)良、設計自由度高等特點，更有利于在汽車零部件上推廣應用。

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

    復合材料應用于汽車行業(yè)最早開始于1953 年，車用復合材料起初被應用在少數的汽車發(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合材料的電動汽車i3 與i8，隨著i3 與i8 的量產，開啟了碳纖維復合材料在汽車上應用的風暴，各大汽車廠商紛紛開始復合材料的研發(fā)。

 

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

 

中國品牌主機廠對復合材料的探索主要集中應用在車身、內外飾、底盤傳動、動力總成等系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)零部件如下：

 

內外飾系統(tǒng)：保險杠面罩、后視鏡殼體、擾流板、中網格柵、門內板、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)動機系統(tǒng)中的進氣歧管、發(fā)動機缸蓋罩、發(fā)動機檔桿、發(fā)動機裝飾罩蓋等；

 

傳動系統(tǒng)中的傳動軸、制動踏板、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，國家鼓勵和支持發(fā)展新能源汽車并提供新能源汽車專用補貼。大力發(fā)展新能源汽車，續(xù)航里程是消費者考慮是否購車的關鍵因素之一，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量實現減重。各大整車生產制造商也紛紛開始加大研發(fā)投入，探索汽車用復合材料在汽車各系統(tǒng)中的應用并開始尋找適合汽車應用的專用復合材料。經過調研和探索發(fā)現如果直接按照金屬材料的設計目標將傳統(tǒng)的鈑金替換為復合材料是很難實現，而且基于傳統(tǒng)的制造工序也存在許多問題，尤其批量生產制造方面，復合材料的應用還是有局限的，其中包括汽車專用的復合材料研發(fā)、與整車傳統(tǒng)制造工序的結合、復合材料的維修以及和金屬材料的連接和復合材料的回收等問題。

 

    整車企業(yè)對車用復合材料的探索，是從市場調研階段、深入學習階段、實踐消化階段到深化實踐階段和創(chuàng)新應用階段不斷發(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)設計復合材料零部件，即采用傳統(tǒng)鋼制部件的結構形式和性能要求作為設計目標和要求。這是因為整車企業(yè)的研發(fā)人員大多對復合材料性能和知識沒有全面的了解，同時目前的設計手冊和設計案例也都是以金屬材料為主而制定的。復合材料主要由基體材料和增強材料兩部分組成，其基體材料及增強材料的特性決定了復合材料的特性。復合材料與金屬材料具有不同的自身屬性，復合材料為各向異性；金屬材料為各向同性。復合材料和金屬材料的失效模式不同，復合材料失效模式復雜多變，屬于漸進式韌性破裂失效，而金屬材料的失效模式為塑性變形導致的屈服斷裂失效。

 

    汽車用復合材料的開發(fā)需要在正向設計的基礎上結合材料、結構、制造工藝、成本等方面進行綜合設計。僅依照結構的設計和忽視材料的設計都不能使復合材料達到最優(yōu)化的設計。同時目前也面臨著復合材料特性參數不足，汽車專用復合材料缺乏，復合材成本較高和復合材料零部件維修及保養(yǎng)等問題。

 

    綜合所述車用復合材料的開發(fā)應在具有汽車專用復合特性數據庫的前提下從選材、制造、噴涂、維修和與金屬材料的連接以及回收等方面進行綜合考慮。汽車用復合材料的相關標準也應逐步完善和制定。

 

    按照《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》有關輕量化技術路線的發(fā)展目標指出，預計2026 年至2030 年實現整車比2015 年減重35%，重點發(fā)展鎂合金和碳纖維復合材料技術，實現碳纖維復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用，單車用鎂合金達到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

 

    整車企業(yè)研發(fā)設計人員和材料工程師大都對復合材料沒有深入了解，目前正進入探索和實踐階段，經過近幾年的市場調研及探索，初步具備了復合材料的設計開發(fā)團隊。然而復合材料生產企業(yè)往往對于汽車主機廠的開發(fā)流程、質量體系、供應商管理、供應鏈物流、材料認可及實驗認證均不熟悉。從而形成了主機廠找不到需要的復合材料供應商，復合材料企業(yè)也無法完全滿足主機廠要求這一現象發(fā)生。特別是復合材料供應商到復合材料零部件供應商的身份進階和轉型需要加快，主機廠往往采購的是復合材料零部件而不是復合材料纖維。

 

    所以建議整車企業(yè)逐步深入對復合材料進行研究，并建立研發(fā)項目團隊和人才梯隊以滿足對復合材料的設計要求；同時復合材料企業(yè)目前也要深入到主機廠進行溝通交流，逐步完善相關要求以滿足整車企業(yè)，以實現共同開發(fā)及同步開發(fā)的要求。

 

    整車企業(yè)作為終端載體，需要對整體產業(yè)鏈負責，鑒于目前復合材料材料性能參數數據不完整，復合材料及零部件試驗檢測方法不完善，復合材料結構設計規(guī)則不統(tǒng)一等多方面應建立相應的體系和流程。

 

    復合材料企業(yè)應推進復合材料的成本優(yōu)化，并可實現由材料至零部件這一過程，按照主機廠要求建立健全質量體系，以滿足整車企業(yè)要求，并深入主機廠開展復合材料的交流以推動其在汽車的應用。

 

 

    車用復合材料在整車上應用范圍不斷擴展，伴隨著復合材料廠商對汽車專用復合材料加大了研發(fā)投入，汽車專用的復合材料促使了復合材料在汽車上使用范圍和使用量均雙雙上漲。對車用復合材料零部件的開發(fā)需要團隊協(xié)作，通過頂層的正向設計結合材料、結構、制造工藝、成本等方面進行綜合設計。復合材料廠商應更早的進階成為復合材料零部件制造商這一身份轉變，在復合材料零件的研發(fā)階段介入主機廠的研發(fā)團隊為車用復合材料零部件的開發(fā)提供技術支持和工藝試制。通過主機廠與復合材料廠商的共同推進，將更快的加速汽車用復合材料產業(yè)化的發(fā)展。