Application of carbon fiber reinforced composite in auto industry

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1 Application of carbon fiber reinforced composite in auto industry
碳纤维增强复合材料在汽车工业中的应用 Application of carbon fiber reinforced composite in auto industry

2 提纲 一、碳纤维增强复合材料应用于汽车工业的特点 二、碳纤维增强复合材料在汽车工业中的产品应用 三、碳纤维复合材料在汽车工业中的应用前景

3 一、 碳纤维增强复合材料应用与汽车工业的特点
更高的轻量化效果 碳纤维复合材料优势 汽车工业发展 高结构承载能力 抗冲吸能 大型部件整体成型

4 碳纤维复合材料是汽车轻量化的理想选择 由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘减轻质量40％～60％，相当于钢结构质量的1／3～1／6。 钢 玻纤复合材料 碳纤复合材料 模量（GPa） 设计厚度（mm） 1 3 2 材料密度（g/cm3) 7.8 1.8 1.6 减重比例 30% 49%

5 英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明，碳纤维增强聚合物材料车身重172 kg，而钢制车身质量为368 kg，减重约50％。

6 CFRP汽车零部件轻量化实例 零件名称 钢 CFRP 质量减轻 车身 209 94 115 车架 128 34 前端 44 13 31
发动机罩 22 8 14 罩盖 19 6 保险杠 56 20 36 车轮 42 23 车门 71 28 43 其他 16 15 共计 622 302 320

7 碳纤维增强复合材料在碰撞中的能量吸收能力是钢或铝的4~5倍，用于车身结构部件具有良好的碰撞安全性。

8 Aston Martin 复合材料防撞吸能结构

9 全球率先采用碳纤维制成的前端碰撞缓冲构件的量产轿车
SLR的车身壳体、车门和发动机罩均由耐腐蚀的碳纤维复合材料制成，主体结构的重量降低了30%左右 两个圆锥形碳纤维构件，每个大约620毫米长，重量仅为3.4公斤。 碳纤维梁用螺栓固定于发动机悬置件的铝质结构上，其前端通过碳纤维复合材料制成的横梁和水平夹层板与车身壳体结构的其余部分相连接。 新款梅赛德斯-奔驰SLR迈凯轮 全球率先采用碳纤维制成的前端碰撞缓冲构件的量产轿车

10 英国的Cranfield大学制作的Aerocarbon概念车
车体骨架采用一种Coretex的新型碳素纤维材料，制作过程围绕一种独创的芯料纵横交错地编织碳纤维矩阵，并在真空环境下浇灌环氧树脂流体，从而在固化后形成一种内含多重微型蜂巢的梁构件，从而可以大量吸收撞击能量。 骨架重80kg，车身总重140kg,整车空载自重600kg， 指标：百公里油耗约2.8L，极速144km/h。

11 二、碳纤维增强复合材料在汽车工业中的产品应用
典型的碳纤维汽车部件

12 典型的碳纤维汽车部件 Lamborghini引擎罩，采用碳纤维+环氧树脂，RTM工艺制造

13 典型的碳纤维汽车部件 碳纤维复合材料进气歧管 碳纤维复合材料车门 碳纤维增强热塑性复合材料前端支架 碳纤维复合材料座椅

14 碳纤维车轮毂 碳纤维车轮毂2.76Kg

15 碳纤维传动轴 CFRP传动轴它不仅减轻了60%的重量，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

16 宝马mini E 车重：1465Kg 0-100Km/h 8.5s 最高车速150Km/h 续驶里程120-180Km

17 兰博基尼碳纤维车身结构

18 全碳纤维车身的一级方程式赛车

19 二、碳纤维增强复合材料在汽车工业中的产品应用
2003款 Dodge Viper是最早应用碳纤维增强乙烯基SMC部件的量产车（年产量大于10000辆）。 8公斤碳纤维复合材料应用于车身9个部件。

20 Dodge Viper 短切碳纤维SMC性能表
Property Method Net Shape Molded Specimensa Specimens Cut From Panel, Machine Direction Specimens CutFrom Panel, Cross-MachineDirection Fiber Content (% by weight) Solvent Wash 55% Specific Gravity ISO 1183 1.48 Tensile Strength (MPa) ISO 527 212 134 ASTM D 638 287 Tensile Modulus (GPa) 42.2 32.5 55 CTLE (mm/mm/°C) ASTM D 696 6.17 x 10-6 5.54 x 10-6 Heat Deflection 1.80 MPa Stress (°C) ISO 75 >260

21 Dodge Viper 连续定向碳纤维复合材料性能表
Property Method Specimens Cut From Panel, Machine/Fiber Direction Fiber Content (% by weight) Solvent Wash 55 Specific Gravity ISO 1183 1.49 Tensile Strength (MPa) ASTM D 3039 1200 Tensile Modulus (GPa) 120 CTLE (mm/mm/°C) ASTM D 696 9.47 x 10-7 Heat Deflection 1.80 MPa Stress (°C) ISO 75 >260

22 BMW M3 CSL 碳纤维车顶 BMW M3 CSL碳纤维车顶是在BMW汽车公司的Landshut工厂中的第一条高自动化的碳纤维车身零部件加工生产线上制作而成。相比钢制车顶，其重量减轻了约6kg，相当于钢制车顶重量的一半。

23 迈凯轮MP4-12C 在碳纤维车身内安放一台3.8升双涡轮增压90度夹角V8发动机，峰值马力输出高达600 PS，最大扭矩达到600 Nm。整备净重:1336kg

24 Aston Martin Vanquish Ford GT Ford Mustang GTR
碳纤维复合材料行李箱盖和座椅 （4500辆/年） Ford Mustang GTR 碳纤维复合材料引擎盖 （<5000辆/年）

25 2006 Z06 Corvette 2006 Dodge Viper 碳纤维复合材料翼子板、车轮罩护板、车身地板（7000辆/年）
碳纤维复合材料翼子板、门内板、风挡结构（2000辆/年）

26 雷克萨斯高性能双座超级跑车 雷克萨斯LFA的CFRP部件在制造过程中采用了三种不同的成型工艺：1、预浸料形成车身主框架；2、采用热固性树脂浸润坯料，生产传输轴通道，驾驶室底板，车顶和引擎盖；3、使用短碳纤维增强SMC模压工艺。除此之外，雷克萨斯公司还将碳纤维用于车底分流器，速度控制尾翼和内饰组件，有助于减少车身更多重量。 2011款雷克萨斯LFA 碳纤维方向盘 工程师将来自丰田汽车公司的传统编织方式转变为精密的三维碳纤维编织法，既有利于更精确的质量控制，又为此项工程技术在未来产品中的应用打下了坚实基础。以65%的碳纤维增强塑料和35%的铝合金材料构成的LFA车身底盘，这样比同样的铝制车身轻100多公斤（220.5磅），而且更加坚固。 碳纤维雷克萨斯LFA

27 轻量化车身效果与燃油、续驶里程 燃油车辆 车身质量 ↓ 10% ↓ 1% ↓ 100Kg 燃油效率 ↑ 6%～8% 油耗 ↓ 0.7%
↓ 10% ↓ 1% ↓ Kg 燃油效率 ↑ 6%～8% 油耗 ↓ 0.7% ↓0.3L～0.6L（百公里） 电动汽车 车身整备质量 1550Kg 1011Kg（↓34.8%） 805Kg 电池质量 450Kg 250Kg（250Wh/Kg) 一次充电续驶里程 186Km 2775.5Km（↑48.1%） 450Km

28 碳纤维车身的电动跑车 2008年秋，特斯拉开发的全球仅有的具有高速公路行驶能力的电动车宣布量产，这款名为Roadster的双座跑车拥有碳纤维车身，能在4秒内从零加速到60英里/小时(96.6公里/小时)，一次充电可以行驶超过200英里(322公里)，Roadster售价为10.9万美元。

29 Tesla电动跑车碳纤维增强环氧部件的制造
采用Zlotek 50K 碳纤维 BPA环氧树脂， RTM工艺成型 壁厚1.6mm 弯曲强度：471MPa 杨氏模量：25.8GPa

30 BMW i3碳纤维车身电动车 整车尺寸为3845×2011×1537mm，轴距为2570mm，总质量1248Kg.车身重量比传统电动车减轻了 公斤。 车后轴的170马力电动机可直接从静止状态迅速达到最大扭矩输出50牛米（184磅-尺），从0-60公里/小时加速（37英里/小时）仅需四秒， 0-100公里/小时（62英里/小时）仅需八秒，续驶里程为110～150公里。

31 BMW i3碳纤维车身电动车 Drive模块为安置于其上部的Life乘客舱提供了坚固的基础。汽车底部为存放电池提供了最大空间，这里占据了整个模块的中心位置，重量分布最均匀且重心最低。其前后两个撞击防御结构在车前碰撞或追尾事故中可吸收能量。作为一个整体，eDrive系统比类似的内燃引擎在结构上要紧凑得多，因此可将电动马达、变速器及电子传动设备安置在后桥上方一个狭小的区域内。

32 碳纤维商用车车厢 采用热固性塑料（环氧树脂）为基体，碳纤维增强塑料（CFRP）结构。全车总重量不足6.2t，可使燃油消耗降低25-30%。新型拖车实现整车减重3t，因此至少可承载常规17t以上的负荷。燃油消耗也从每100km消耗35升降低到26.5升。 Aldi Sud 的碳纤维增强环氧树脂基体的拖车

33 三、碳纤维增强复合材料在汽车工业中的应用前景
1、碳纤维复合材料在汽车工业中应用的方向 车身内、外装饰部件 新能源汽车整体车身和部件 结构承载部件 商用货车车厢、传动轴、碳纤维车轮、防撞溃缩系能结构部件

34 2、碳纤维复合材料在汽车工业中应用需要解决的问题
首先要解决的是理念问题， 复合材料不应作为金属材料的替代材料，重点在于碳纤维复合材料在汽车上应用的系统解决方案 复合材料供应商与汽车制造企业的合作模式——战略合作 发展低成本材料：大丝束碳纤维及其织物 有吸引力的价格：70元～100/公斤 （5～７＄/lb） 碳纤维三维立体织物制造技术 高效率低成本的制造工艺技术 高效率RTM工艺、LFT-D工艺技术、碳纤维SMC工艺技术、热塑性连续碳纤维预浸技术 复合材料与金属材料的连接技术

35 Thank You！ 主讲人：高国强 公司 :北京中材汽车复合材料有限公司 电话：010-61162048 传真：010-61163250
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