CFRP在汽車車身上的應用與研究

（1）車身上用CFRP的總概況

碳纖維複合材料的輕量化結構，首先在跑車的車身上開始應用，後來所有小批量OEM廠商生產的產品中都會採用這種大量使用碳纖維複合材料的輕量化方案。碳纖維複合材料的加工是一種手工加工工藝，且由於周期時間長，材料昂貴，因此多用於賽車、跑車或研究。奧迪通過R8 GT概念詮釋了改進方法，提高了在車身區域應用碳纖維複合材料方面的認知。該車將平面碳纖維複合材料集成在現有的型材結構中，並努力使白車身的質量再減輕10%以上，如圖1所示。

圖1 奧迪R8 GT

M.Goede博士的路線圖（圖2）試圖在質量（輕量化潛力）上將材料與汽車製造的量產大小聯繫起來。該路線圖反映出在考慮碳纖維複合材料和多材料設計（MMD）方法的前提下電動汽車較高的輕量化潛力。

研究歐洲車身年會的交流資料，把車身分成兩組，一組是深度輕量化的車身（以鋁或碳纖維為主體材料），另一組是一般輕量化車身（包括高強鋼、熱成形鋼等），見圖3。用橫坐標表示車身的體積V（長X寬X高），縱坐標是車身的質量（重量），可以看出，鋁和碳纖維對車身的輕量化有顯著的作用，由2013 Alfa Romeo 4C Coupe（FRP）、2010 Lexus LFA（FRP）、2013 BMW i3（FRP）、2010 Audi A8(鋁)、2013 Range Rover Sport(鋁)、2012 Range Rover(鋁)組成的深度輕量化的車身質量遠低於其它車身的質量。以纖維和鋁為主的深度輕量化車身質量與車大小的關係可表示為：Gs1=15.048Vs+68.88，其它一般輕量化車身（平均水平）表示為：Gsa=23.764Vs+81.703，兩者的差值是：△Ga1=8.716Vs+12.8，也就是說纖維和鋁為主材的深度輕量化車身比其它一般輕量化車身輕△Ga1=8.716Vs+12.8，（Vs是車輛的大小），車身輕量化材料與車身輕量化詳見文獻，這裡不再詳述。

圖2 電動汽車多材料設計[MMD]趨勢

圖3 車身的輕量化統計圖

對比近10年的歐洲車展中車身材料的構成，按纖維複合材料佔比的多少進行排序，如圖4所示，不論是小批量的跑車，還是大批量的一般乘用車，寶馬i3的碳纖維佔比都是領先的，也是碳纖維在汽車上應用的成功範例。

（2）寶馬汽車的複合材料應用

圖4 纖維材料在車身應用佔比排序圖

複合材料在民用汽車上的商品化應用，寶馬汽車公司是捷足先登的，BMW i3是第一款大批量生產的採用碳纖維複合材料車身的車型，圖5是2013年在歐洲車身年會上展出BMW i3車型和車身，不論是在車身結構，還是在製造技術上，顛覆了傳統汽車的結構與製造工藝，在整車設計上，採用了傳統的非承載式的車身型式，將車劃分成上下兩個部分，即兩個所謂的模塊，下部分是「驅動（drive）」模塊，上部分是「生活（life）」模塊，下部的驅動部分主要是動力系和行走系，包含車架與電池平臺、電機傳動和底盤部分，上部的生活部分就是車身，車身沒有B柱，對開式車門，上下車極為方便，如圖6所示。在被動安全的設計上，前部撞擊時通過drive和life的兩個模塊，達到最佳效果，高強度CFRP乘員艙幾乎無變形，側撞能量由車身裙部主動吸收並傳遞給drive模塊及life的模塊（駕乘艙）的上部，高強度的CFRP大大降低了碰撞後的車身侵入量，更好地保護乘員。

圖5 BMW i3車型（上下模塊）

圖6 BMW i3無B柱，對開車門

為實現車身結構、性能、間隙品質、維修和輕量化等多方面的需求，BMW在車身內部結構件和覆蓋件上有不同的取向，車身內部結構主要由CFRP材料製作，還有少量的鋁材和鋁型材，主要出於結構強度、剛度、安全等性能方面的考量，利用CFRP的高強度、纖維方向和鋪層多少，滿足不同部位的力學要求，但車身的外部覆蓋件是熱塑性塑料，滿足前罩蓋的行人保護、車外表的間隙控制、車輛的維修和車輛改型方面的需要，但車頂是CFRP，合適的材料用在適合的地方。圖7和圖8所示，車身上大量地使用了非金屬材料，各種材料的質量佔比分別是：CFRP佔49.41%、熱塑性塑料9.55%、熱塑性彈性體0.5%、膠粘劑和泡沫14.04%，圖8是質量佔比餅圖。車身的內部結構共有34個CFRP零件如圖9，其中包括：13個RTM整體件（48個預成型件），2個剖面有泡沫支撐核（Flechtpro⁃file）的RTM件，19個整體纖維增強模壓件。

圖7 BMW i3車身的裡子[車身內結構]和面子（覆蓋件）

圖8 BMW i3車身材料的重量佔比

圖9 BMW i3車身結構的CFRP部件

對於幾何複雜的車身部件採用RTM工藝，考慮滿足大部件不同位置的較大力學變化需要進行設計與製作，由多個預成型件來實現不同要求，選擇纖維方向，形成各向同性或各向異性的預製件，再採用RTM成型為一個件，34個CFRP零件中的最複雜的典型部件，CFRP側圍內板如圖10所示，是由多重的預製件（9個）組合而成，A柱為各向異性，A柱下腳板基本是各向同性的。主要由纖維和樹脂構成的纖維複合材料，如同建築中的鋼筋和混凝土，部件與複合材料一起形成；與航空和航天工業用的複合材料有所不同，符合大批量生產需要的外形設計是必須的。纖維織物套系中的每個織物具有固定的重量和方向，可實現設計靈活性和成本優化。

作為傳統的鋼製或鋁製車身，其中的三大工藝，衝壓、焊接和塗裝，在碳纖維的車體中，都有所改變，衝壓和塗裝也不再需要，焊接也變成了以粘接為主的工藝過程，見圖11。

圖10 BMW i3CFRP部件中的側圍內板

圖11 CFRP部件的工藝改變

車身的外覆蓋件都是熱塑性材料（圖7右），包括發動機罩、前後車門外板、前翼子板和後防護板，材料都是PP/EPDM TV30，塗漆溫度為85℃；車頂縱梁材料是ABS/PC在（85℃）下Min20的塗漆；車頂蓋的材料為CFRP在85℃塗清漆。

對於CFRP結構，BMW公司有CFRP車身損傷和維修的應對策略，定義了幾個維修界面，例如側圍外板如圖12。受到側面衝撞後，如果需要更換損壞的轎車門檻邊梁，車間進行目視檢查和損失評估。使用獲得專利的銑削刀具拆除需要修復的門檻邊梁部分。製造必要的門檻邊梁組件，然後安裝在損壞的車輛上。使用維修材料將新的零件粘合到分離點。任意授權的BMWi經銷商可以修復車身外部，維修中心有專業的員工修理CFRP結構損壞的車輛。

圖12 BMW i3 CFRP部件中的維修

在2015年的歐洲車身年會上，寶馬公司又在7系上推出了新概念「碳核(Carbon Core)」，在車身中有16個碳纖維複合材料部件，佔車身總重的3%，採用了CFRP−溼壓模、CFRP−樹脂傳遞成型、CFRP−鋼混合、CFRP−片狀模塑料共4種工藝製造技術。CFRP−溼壓模製件用在車身頂橫梁、中通道、門檻縱梁等部位，CFRP−樹脂傳遞成型件用在中柱上橫梁和車頂縱梁上；與鋼的混合結構用在B柱處；CFRP−片狀模塑料在C柱和包裹架上，見圖13−16。

圖13 BMW 7的CFRP部件

圖14 BMW 7 CFRP溼模壓和樹脂傳遞成型

圖15 BMW 7 CFRP-鋼混合

圖16 BMW 7 CFRP-片狀模塑料

（3）奧迪和奔馳的混合材料應用

奧迪公司的輕量化以鋁為主，但2017年歐洲車身年會新一代奧迪A8後座椅背板是用碳纖維材料製作的，與前一代相比，密度下降45%，重量降低50%，2013年歐洲車身年會，奔馳S的後背板用的是塑料與鋁的混合材料，整個背板模塊重量為7kg。

（4）CFRP在車身上的應用研究

當前的乘用車懸架固定座，按傳統的設計是鋼板衝壓焊接或雷射拼焊而成,已量產的輕量化結構基本上是鑄鋁製作；前縱梁是鋼板衝壓焊接成盒型,已量產的輕量化方案是鋁型材；在「車輛模塊中的複合材料強化輕量化設計」中，有多個CFRP和鋼或鋁的混合結構的在研示例，比如前懸架固定座用CFRP和鋼板衝壓件的混合設計如圖17（左）,還有前縱梁角處、縱梁結構、前保險槓橫梁、車門、儀錶板橫梁等地方，都是利用CFRP材料發揮著獨特作用，見圖19～21。

圖17 奧迪A8的CFRP背板

圖18 奔馳S塑料與鋁混合的背板

圖19 CFRP用在儀錶板橫梁和車門

圖20 CFRP用在懸架固定座和縱梁角處

圖21 CFRP在防撞系統和混合縱梁中的應用

（5）一汽CFRP在轎車上的應用研究

在紅旗H7的開發中，一汽在發動機罩蓋和行李箱蓋上，進行過鋼、鋁和碳纖維的多方案研究與開發，其中的碳纖維複合材料的開發如圖22（a)所示，前後蓋由碳纖維和玻璃纖維複合材料製成，前後蓋外板都是9層，其中碳纖維有6層，玻璃纖維有3層，採用熱壓罐工藝，與鋼板結構相比，發罩降重達13kg，行李箱蓋降重4.4kg，進行了試驗與驗證，由於成本原因，在生產上最終沒有應用。

以「小型乘用車輕量化技術研究」為課題，一汽在B30的電動車平臺上，開展了碳纖維乘員艙的研究與開發，如圖22(b）。在車身的結構設計、CAE分析與仿真、車身的性能試驗和碰撞安全方面進行了大量的研究工作，試製了兩輛車並進行了部分整車的試驗。

圖22 （a） 一汽的CFRP發罩的行李箱蓋

圖22 （b） 一汽的CFRP乘員艙

（6）碳纖維複合材料車身的比較

在車身方面，按結構型式分為承載式車身和非承載式車身（殼式結構），與如前所述的碳纖維複合材料車身結構相比，另一種「加強筋−空間−框架結構」的車身型式與之相比，在變更驅動系統和模塊化方面有靈活性，在由傳統燃油車向電動化方向過渡時期更具優勢，見圖23。

圖23 碳纖維複合材料車身結構對比