降本增效和輕量化幾乎是今年以來復合材料高度關注的焦點熱點話題，今天新能源汽車周報就當下復合材料關注的焦點熱點問題進行匯總。
以塑代鋼+一體化成型，復合材料助力車用部件制造降本增效
“降本”幾乎是今年以來各行各業高度關注的話題。對于汽車零部件加工制造來說，通過材料的研發實現集成化設計，減少部件與工序，是降本增效的有效途徑之一。
根據Reports and Insights網站發布的2022-2030年汽車復合材料市場的未來發展與機遇分析專題報告分析，預計到2022年底，汽車工業用復合材料市場規模將達到95億美元，預計到2030年將達到165億美元，2022-2030年的復合年增長率將達到7.0%。
近期，不少企業推出新款復合材料，助力車用塑料部件加工降本提質。
一體成型的熱塑性復合材料
三菱化學集團開發的具有可回收性的功能選擇性熱塑性復合材料GMT，可通過一體化成型減少部件數量并簡化裝配過程。還有高性能工程塑料DURABIO™，通過著色具有良好的可著色性以及具有抗刮擦性。它可以省略噴漆等二次加工，有助于減少生產過程中的二氧化碳。此外，還可以解決VOC的排放等環境問題。
此外，三菱化學集團還推出熱塑性復合材料（ FRTP），該原材料具備阻燃性、可加工性能指標高和可回收性，可用于蓄電池外殼。
采用三菱GMT材料一體成型的汽車部件。
電動汽車底板組件一步壓塑成型
朗盛品旗下的連續纖維增強熱塑性復合材料Tepex dynalite（CFRTP）是可用于高效和機械穩定的車底板組件的輕質材料。近期，該材料已應用于理想L9和理想L8兩款插電式混合動力SUV的面板。
汽車的面板需要面對嚴苛的要求，尤其是使用在保護油箱或電池的車底板組件，需要具備較高的抗穿透性、較強的能量吸收能力。
朗盛Tepex復合材料比類似的鋼結構設計輕30%左右。與純DLFT等其他材料相比，Tepex增強材料使車底板組件更堅固，硬度更高，能量吸收能力更強。理想L9和L8的大尺寸面板均由堅固的熱塑性復合材料結構組成。它們采用壓縮成型工藝制造而成，包括一個由高性能復合材料Tepex dynalite制成的加固嵌件以及一個DLFT（直接長纖維熱塑性塑料）塊。
車底板組件長約1.5米，寬約1米，厚度僅為3-4毫米。它包含一個由Tepex dynalite 104-RG600制成的1毫米厚的嵌件和另外一個由擠出工藝制成的DLFT塊。這兩種材料都經過加熱和塑化，然后放置進模壓模具，只需一個步驟就能塑為一體。Tepex嵌件的基體由聚丙烯組成，并用47%體積百分比的連續玻璃纖維粗紗進行加固。聚丙烯DLFT塊含有40%重量百分比的長玻璃纖維。
車底板組件可以采用傳統的壓縮成型工具制造，這可以確保高效的生產。DLFT能夠以經濟的方式制成直接擠出物，并構成組件的主要部分，這也有助于提高成本效率。
聚氨酯HP-RTM制造工藝實現“以塑代鋼”
科思創與高新技術企業卡淶科技共同推出了使用高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動力電池制造商實現批量生產。本次合作研發開創了聚氨酯復合材料在新能源汽車電池包領域的應用。
聚氨酯HP-RTM制造工藝實現“以塑代鋼”，可用于電池包。
據介紹，該款聚氨酯電池包上殼體解決方案在今年通過了歐盟REACH和RoHS認證，以及中國GB38031-2020的標準化測試，并在機械性能、高溫高濕老化、氙燈老化、耐酸、耐堿、耐高溫和絕緣性能等一系列標準化測試中表現出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實現了“以塑代鋼”的減重要求。
相較于其他工藝，全新的HP-RTM工藝使用自動化鋪層技術，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期評估顯示，相較傳統金屬工藝，使用HP-RTM工藝產生的二氧化碳排放也更低。
STM聚氨酯復合材料電池包殼體
不久前，搭載巴斯夫所開發、基于STM ( spray transfermolding )工藝的聚氨酯復合材料電池包殼體解決方案的幾款電動汽車已經實現了大批量上市。
經過充分的量產驗證，這項解決方案兼具阻燃好，重量輕，可以提升電動車的駕駛安全性。此外，在生產方面，它可直接應用于現有成熟的汽車供應鏈和生產設施，生產的效率高，非常適于汽車行業的快速大規模生產，是電動汽車電池包減重降本的理想解決方案。
采用巴斯夫特性材料開發的STM聚氨酯復合材料電池包殼體，采用微發泡技術，可以大大降低部件密度，輕松實現殼體減量的目標，同時擁有關鍵專利技術使得部件可以滿足氣密性試驗與沉水試驗要求。
在輕量化的同時，該復合材料擁有著高強度和高韌性的特點，為殼體保證了足夠的機械性能。
據了解，巴斯夫的STM聚氨酯復合材料解決方案，其工藝無需預成型，生產效率遠遠高于其他傳統的聚氨酯復合材料成型工藝。目前國內汽車行業已有成熟的產業鏈和供應商可以快速提供量產的產品。同時,新量產項目的設備及模具投入成本也非常低。
以預制件生產復雜的車輛結構件
Cannon Tipos公司和Coriolis 復合材料公司聯合開發了一種制造工藝，可以從接近凈形的干預制件中制造出復雜的碳纖維增強復合材料（CFRP）部件作為半成品。
該工藝的關鍵組成部分是高壓樹脂傳遞模塑（HPRTM）工藝和Coriolis的自動纖維定位（AFP）。該合作產生的組件目前正在進行適合批量生產的測試。該工藝實現了20秒的生產循環節拍時間，并顯示出符合要求的機械性能，但重量最多減輕了80%。
該公司生產的自動纖維放置（AFP）設備允許連續纖維或短纖維以不同的方向放置，甚至是復雜的幾何表面，同時最大限度地減少材料浪費。
干式AFP二維預制件由單向（UD）取向碳纖維的優化纖維薄片組成，每層纖維重量為280克/平方米，纖維體積分數為55%。一種特殊的粘結劑技術被用于注射快速固化的兼容環氧樹脂系統。改進預制件的可塑性、纖維浸漬和可修剪性（使用三維水刀工藝），以實現接近凈成形的幾何形狀，可將總體廢品率降低達50%。
Cannon Tipos鋼制模具的設計壓力最高可達120巴。最小化的微孔確保了樹脂與固化劑在恒定溫度下的最佳反應，最大偏差為2℃。此外，在注射階段有最小的背壓，真空時間應最大化，以避免沖刷損失和氣泡的產生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預制件技術相結合，部件的表面質量特別好。
HRC：輕量化復合材料應用，助力低碳綠色循環發展
輕量化一直是汽車行業研究的重點話題，基于雙碳政策對于節能和環保的要求，新能源汽車產業得到飛速發展，輕量化的合理應用對于降低能耗、增加續航里程及提升安全性方面起著至關重要的作用，HRC作為全球先進復合材料綜合解決方案的一級供應商，專業從事高性能輕量化碳纖維零部件的研發、工程設計和工業量產，擁有行業內稀缺的復合材料零部件系統開發能力和業內最為豐富的實際項目經驗，擅長復雜結構，變截面，一體化成型產品的工程設計和應用解決方案開發，以其先進的輕量化材料開發技術和自身嚴苛的行業標準影響著未來汽車的設計理念，也為新能源汽車技術革命貢獻強大推力。
行業領先的多樣化復合材料應用
在第二十屆上海車展中，展位位于2.2H 2BA010的HRC攜多項全球首發的輕量化創新成果重磅亮相，積極響應2023上海車展“擁抱汽車行業新時代”的主題?，F場展臺最吸睛的是一個為不同主機廠開發的20多個包括車身覆蓋件、車身結構件、底盤件、內外飾件、運動套件等全碳纖維零部件集成拼裝的爆炸車身，車身整體都具有高輕質、高強度、高剛性等優異性能，外覆蓋件不僅擁有A級表面，HRC研發團隊經分析比對還選用了3K對稱紋路，呈現精美的外觀，并且大部分展品已進入量產階段。其中，超大尺寸面積的引擎蓋具有極高完成度的清漆工藝，表明HRC不僅有碳纖維研發能力，而且還擁有很強的表面工藝加工技術，為車身減重40％-50％，提升性能、緩解了汽車轉向不靈活的缺陷，同時在外觀方面更加運動時尚。
值得一提的是，我們在集成爆炸車身上面見到了制造工藝極為復雜的碳纖維輪轂，眾所周知，汽車輪轂作為唯一一個與地面接觸的汽車零部件產品，其與輪胎一起承載了汽車的全部重量，同時在傳動軸的帶動下起到驅動汽車的作用，并承受了地面的汽車的所有沖擊，工作環境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，其在密封性、尺寸精度、抗沖擊性上都對設計和制造流程提出了更高的要求。HRC團隊開發的全碳纖維輪轂，在滿足了極為復雜的外觀造型設計和尺寸精度的基礎之上，整體質量上較傳統鋁合金輪轂減重30％，在功能上能夠減輕簧下質量，并大幅降低轉動慣量，從而進一步改進加速和制動性能，提升懸掛響應速度、底盤動態性能、轉向質感和駕乘品質，實現更加優異的操控性能。
基于終端用戶對產品多樣化的需求，首次亮相的全碳纖維門板質量僅為12kg，碳纖維部分可減重50％，整體減重35％，可提升燃油和電池工作效率，同時大幅度提升了整車的相關碰撞要求。該款產品可應用于具有特殊需求的車輛進行異形門設計的。技術方面，采用一體化膠合各碳纖維部件、金屬裝配件，HRC團隊開發的精密膠合工裝能嚴格控制工藝變形，尺寸合格率高達100％。內外板膠合區域采用特定結構膠填補，并通過A級表面處理工藝使其融為一體，保證車門整體視覺體驗與使用體驗達到更高維度提升。
最受汽車改裝玩家和愛好者追捧的汽車零部件當屬汽車尾翼（后擾流板），其在具有良好的外觀裝飾效果之外，在功能方面可有效減少汽車在高速行駛時產生的空氣阻力，增強對地面的附著力、抵消升力，增強車輛行駛穩定性。結合市場需求，HRC團隊從材料驗證、結構設計、仿真分析、模具開發、CNC工裝開發、膠結工裝開發、檢測技術等一系列制造和檢測技術上進行探索，逐一攻破難關，內部采用異型氣袋配合熱壓罐成型工藝，成功開發一體成型碳纖維尾翼。一體成型工藝減少膠接工序，避免膠接過程翹曲變形，相較于采用塑料注塑成型或纖維復合材料真空灌注成型的尾翼，滿足輕量化要求，能夠從容應對低溫等極端天氣，有效提升尾翼剛性和強度，機械新能和功能要求嚴苛。HRC極高的表面處理技術工藝使造型更加精美，在抗老化性和耐腐蝕性方面達到飛躍式突破。
隨著新能源汽車保有量持續增加，由新能源汽車電池引發的交通事故層出不窮，各大動力電池廠商也在電池技術方面積極探索，在優化電池性能的同時，還要避免潛在的熱失控問題，所以在材料阻燃性、行業認證等方面都是需要考慮的重要因素。為此HRC也在電池領域不斷突破創新，推出了全碳纖維電池箱，同時也在上海車展期間重磅亮相，該電池箱蓋采用熱壓罐工藝成型，原材料為阻燃型碳纖維預浸料，具有優良機械性能和氣密性能，滿足UL94-V0阻燃要求。
該產品輕量化明顯，2米多長的全碳纖維電池殼體重量僅為6.4kg，與鋁合金電池殼相比可減輕約40%的質量，擁有非常好的輕量化性能、安全性能、機械性能及氣密性能，該產品也可根據主機廠或電池供應商需求定制開發，本體最低厚度可降至1mm，能夠有效為客戶提升電池設計空間，也能為終端客戶增加使用空間，提升空間利用效率。
面向未來移動出行的解決方案
展會現場，由HRC與德國VOSS集團旗下液壓連接技術領先制造商VOSS Fluid聯合，共同推進行業技術進步，攜手開發的Ⅳ型整體儲氫系統——IV型70MPa儲氫系統也吸引了眾多業內人士的目光。
HRC市場總監陳文瑾女士表示“IV型70MPa儲氫系統壓力容器部份由HRC旗下英國工程設計專家Engenuity和先進復合材料技術中心（ACTC）自主研發設計并制造而成，通過采用獨特的復合材料纏繞鋪層設計及先進的纏繞工藝，使該產品重量相較于鋼制款大幅減輕，連接部份搭載的是VOSS Fluid與旗下HypTec特別定制的高壓閥門密封系統，在滿足功能要求的同時極大程度提高了產品的安全性能”。
IV型70MPa儲氫系統的非金屬內膽具有優異的抗氫脆腐蝕能力，具有更優越的安全性能。相比于Ⅲ型儲氫系統或同容積的產品質量更輕、尺寸更小，設計也更加靈活。一體式成型的產品設計理念，能夠更加便捷的實現安裝使用。該系統可隨時進入量產化階段，在未來，這項技術在乘用車和商用車領域將發揮巨大優勢。
專注研發戰略，服務行業發展
此前，由于成本原因碳纖維等復合材料大多在更高級別或具有特殊環境作業的車輛中應用。近年來，我們發現定位面對大眾消費者的車型上面也有搭載，碳纖維等高性能復合材料價格逐步下沉走低，但相比于傳統金屬材料價格方面并不具備優勢。“得益于HRC強大設計研發團隊，通過結構優化設計、原材料研發、工藝技術升級、自動化設備應用、細節管控提升等方面降低成本，使該類型產品呈現逐漸向中端車型蔓延趨勢。”陳文瑾女士表示。
為了確保HRC集團快速發展和創新的整體戰略，同時也為了更好地協同產業鏈上下游的各方資源，以實現復合材料行業工業化應用的突破，HRC與德國弗勞恩霍夫化學技術研究院(Fraunhofer ICT)共同成立的先進復合材料技術中心（ACTC），專注于為移動出行領域和其它復合材料相關市場領域提供創新和可持續發展的復合輕量化解決方案。目前，ACTC是亞洲最大、中國國內首個以汽車輕量化為主要研發方向的開放式碳纖維復合材料及應用研發平臺，擁有全球最先進的工藝和設備，通過雙邊或多邊具體研發項目。同時，更多當下熱點技術和前瞻性研究項目正在有序推進。
2023年3月新能源客車0.26萬臺降14%
近5年來，我國城市公交客運行業的新能源車快速發展，城市內公交替代柴油車的需求持續大增，為具有零排放、適合中低速運行特點的客車帶來了巨大的市場機會。但2019年到2023年的新能源客車沒有拓展公交外的市場，甚至因補貼的性價比下降在非營運領域有所下降，新能源客車市場適應性壓力較大。
2023年新能源車逐步脫離補貼獨立發展，但新能源公交客車市場壓力仍較大。2023年3月的新能源客車銷量0.26萬臺，同比下降14%， 較上月增長5%。由于2022年透支力度很大， 2023年新能源客車市場走勢嚴重低迷。隨著藍天保衛戰的持續推進，柴油車的發展面臨巨大危機，大中型客車是新能源城市交通的核心，新能源大巴大有優勢。城市公交仍是新能源客車核心主力市場。
1、2023年新能源客車上牌表現
近幾年的新能源客車的銷量持續小幅負增長，這也是需求總規模不大、需求飽和的特征。2022年新能源客車的銷量5.8萬臺增長18%的表現相對較好。2023年3月的新能源客車銷量0.26萬臺，同比下滑14%， 較上月增長5%。
2、客車增長特征
2023年3月新能源客車的表現相對較平穩，較2022年3月微有下降。去年4季度補貼退出前的搶裝行情過后，2023年1季度需求不足影響較大。3月銷售的時間長，銷售增長仍不強。
新能源客車上牌走勢相對復雜，總體客車市場飽和，但新能源仍屬于盈利模式相對復雜的。
3、新能源客車產品特征
我國新能源客車產品向純電動、大型化方向發展。新能源客車的產品逐步走上穩定，大中型客車成為主力，微客市場逐步物流化的特征。
我在分析中剔除了部分5字頭輕客，主要考慮由于專用車的微客和輕客較多，因此電動微客實際應該是物流車的需求使用，不屬于乘用車和一般客車的特征。
今年的插混大客增長較大，這也是相對極其異常的，估計是補貼結束后少裝電池的車型有了優勢。
4、新能源客車用途特征
新能源客車的城市公交類占比逐步提升。大客2023年公交的占比相對2022年同期小幅下降。
大中型客車基本都是公交用途，其它用途的新能源大中型客車沒有市場，或者市場未能有效啟動，這也是巨額補貼減少導致的新能源客車缺乏市場競爭力的體現。
插混的市場空間很小，基本全是大巴，除此之外沒市場。但近期的増程電動車市場又開始活躍，這也是值得關注的。
5、2023年新能源客車各企業差異化
客車企業數量眾多，主力企業參與并非很強，但近期長安輕客裝車較多。3月的主力車企表現分化，福田、長安、鄭州宇通、南京金龍、吉利商用車新能源等表現較好。
傳統客車企業競爭優勢不可撼動，新勢力的“投資換市場”是區域深度滲透的捷徑，產品性能是外地品牌拓展市場的基本技能。
新能源客車的區域性特征仍較明顯，主力車企有良好地方資源，形成和諧發展的局面。
6、2023年各區域市場的企業差異化較大
2023年3月新能源客車表現較強的是江蘇、北京、廣東、湖北、天津等。當地主力企業一般在本地都有較好表現，基本各地財政都有相對認可和支持的核心企業。
由于疫情后私家車出行比例提升，加之個人兩輪出行比例上升，公交市場的新能源需求疲軟，客車企業相對不容易，市場競爭多因素促進。
作為最大的復合材料終端應用市場，汽車行業對復合材料并不陌生。除了開創性的車輛設計，復合材料還有助于使車輛更輕、更省油。汽車需要可靠、同步的機構，其部件能夠承受摩擦、腐蝕和溫度波動。
設計或生產中的不準確將影響性能，并可能造成制造商的業務損失。與金屬鋼相比，復合材料的性能能夠滿足并超過汽車行業的需求。這些獨特的性能包括：
- 低熱膨脹系數
- 優異的尺寸穩定性，可保持形狀和可靠性
- 在潮濕和干燥條件下的耐腐蝕性能
- 高沖擊強度，可承受重復使用
- 相對較輕的重量，以減少車輛的整體質量
- 隔音效果更好，性能更佳
- 對油漆的接受性，包括滿足A級表面要求、油漆和烘烤工藝的能力
- 易于制造，成本相對較低
復合材料在汽車內外部結構中典型應用
截止目前，復合材料已經廣泛用于一系列汽車結構零部件，從前照燈的前照燈外殼到發動機罩下的電氣和隔熱部件，再到汽車車身外部零件、內部結構和裝飾部件。以下列舉復合材料在汽車零部件中的常見應用：
- 導流板和擾流板
- 進氣歧管
- 電池外殼和蓋
- 保險杠和保險杠橫梁
- 氣缸蓋（如氣門、搖臂、凸輪）蓋
- 車窗/天窗框架
- 前端格柵開口板
- 前向前照燈的殼體
- 隔熱板（例如發動機、變速器）
- 支柱和覆蓋物
中國新能源汽車 “出海”勢頭不減
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新能源汽車現在有多火？從第133屆廣交會首次增設新能源及智能網聯汽車展區就可見一斑。當前，中國新能源汽車“出海”可謂是熱潮涌動。
中國汽車工業協會最新發布的數據顯示，今年3月份，中國新能源汽車出口7.8萬輛，同比增長3.9倍。今年一季度，中國新能源汽車出口24.8萬輛，同比增長1.1倍，迎來“開門紅”。具體到企業來看，1至3月份，比亞迪出口4.3萬輛，同比增長12.8倍。新勢力中的哪吒同樣出口增長較快，根據泰國市場2月份純電車型上牌量榜單，哪吒V穩居榜單第二，達1254輛，環比增長126%。此外，3月21日，在廣州南沙港，3600臺哪吒汽車啟動出海發運，成為中國造車新勢力中最大單批次出口。
中國汽車工業協會副總工程師許海東在接受中國經濟時報記者采訪時表示，一季度以來，我國新能源汽車發展勢頭良好，特別是出口增長強勁，延續了去年以來的良好態勢。
海關數據顯示，2022年我國汽車出口量達311萬輛，首次超越德國成為第二大汽車出口國，創歷史新高。其中，我國新能源汽車出口67.9萬輛，同比增長1.2倍。進入2023年，新能源汽車出口延續強勁增長態勢。
在許海東看來，一季度新能源汽車出口迎來“開門紅”原因有以下兩點。
第一，國際市場對中國品牌的需求非常旺盛。近年來，我國新能源汽車充分發揮體系化、規?；瘍瀯?，不斷豐富海外產品矩陣，國際競爭力持續上升。
第二，特斯拉等合資品牌帶動效應明顯。記者了解到，特斯拉上海超級工廠于2020年10月份啟動整車出口業務，2021年出口量約16萬輛，為中國新能源汽車全年出口量貢獻了一半。2022年，特斯拉上海超級工廠累計交付71萬輛，據乘聯會數據統計，該工廠出口海外市場超過27.1萬輛，國內交付數據為44萬輛。
新能源汽車第一季度的出口數據把深圳推到了最前線。據深圳海關統計數據顯示，1至2月份，深圳關區新能源汽車出口超36億元，同比增長約23倍。
許海東認為，深圳新能源汽車出口增速表現亮眼，比亞迪不可忽視。2023年以來，比亞迪不僅汽車銷量持續增長，汽車出口量也強勢增長，帶動深圳汽車出口產業騰飛。
據了解，近年來，深圳對汽車出口尤為重視，深圳已于去年開通小漠國際物流港口岸開放及汽車船班輪航線，經過上海港轉港駛向歐洲，成功拓展汽車滾裝船業務。
今年2月份，深圳更是印發《深圳金融支持新能源汽車產業鏈高質量發展的意見》，以多項金融舉措支持新能源車企出海。
記者了解到，2021年5月，比亞迪正式宣布“乘用車出海”計劃，將挪威作為開拓海外乘用車業務的首個試點市場。經過一年多的發展，目前比亞迪新能源乘用車已進入日本、德國、澳大利亞、巴西等國，足跡遍布全球51個國家和地區，2022年累計出口新能源乘用車超5.5萬輛。
4月17日，北汽集團總經理張夕勇在2023新時代汽車國際論壇暨汽車半導體行業峰會上表示，從2020年到2030年，是我國汽車出口的關鍵成長期，我國以新能源汽車為引領的自主品牌出口將持續增加，持續向高勢能的歐美等發達國家和地區拓展，不斷擴大貿易份額、增加屬地建廠、零部件布局和運營等方面的投資。新能源汽車迎來大發展的同時，要促進跨國車企新能源轉型重心轉向中國，大力加強在我國本土化布局和投資，進一步提升我國新能源汽車產業的競爭優勢。
“隨著海外市場對中國品牌認可度不斷提升，未來一段時間，我國新能源汽車出口有望保持強勁勢頭。”許海東進一步表示。
新能源汽車結構輕量化研究
隨著社會的進步，能源消耗在全世界范圍內大幅度增多。同時，由于傳統燃油汽車的使用規模和生產速度均不斷擴大，進一步加劇了能源消耗以及環境污染的速度。通過對石油實際消耗與石油探明儲量之間的比值，數據分析表明，如今全世界的能源短缺問題越來越嚴重。因此，通過科學有效的能源開采規劃和能源使用時間表已經被越來越多的國家認可。而且，隨著“碳中和”、“碳達峰”的出臺，世界各國對石油等傳統能源的使用要求越來越嚴格。
由于我國一直在堅持走綠色、可持續發展的道路。因此，新能源汽車的推廣和應用得到了國家的大力扶植。在政策的推動下，新能源汽車在汽車產業中的占比越來越大。同時，由于新能源汽車對能源的需求較少，而且對環境的污染幾乎為零。調研數據顯示，消費者對新能源汽車的青睞主要是節能環保（詳見圖1）。在這樣的時代機遇下，為了更好的利用新能源汽車的環保要求，對新能源汽車的輕量化研發是新能源汽車產業的發展趨勢，這將對新能源汽車的發展、制造及投入使用具有重要意義。
通過數據進行分析，新能源汽車輕量化探究的主要方向如下：
①設計開發方式、分析方法的合理選擇：傳統汽車在經歷了長達一百多年的歷史進程中，其在車身結構、原材料的使用等方面都已經擁有量相對穩定的研發系統。而新能源汽車雖然獲得了突飛猛進的機會，但也只是處于起步和探索的過程中。這就要求相關技術研究工程師投入更多的精力加以分析與研究。
②替代材料的合理選用、新材料的加工生產工藝的先進性，都是新能源汽車輕量化方面的亟待解決的痛點。
我國的生產制造能力在幾十年的發展中得到了跨越式的發展。但是，與汽車強國的生產工藝相比，我國的生產工藝仍有很大的進步空間。所以，科學有效的對新材料進行制造加工，使其逐漸轉變為輕量化的結構材料。
01新型材料在新能源汽車中的應用
隨著材料技術的不斷進步，新型材料在新能源汽車中的應用不斷擴大和深入。如今，高強鋼、鋁合金、碳纖維復合材料等材料的應用越來越多。
1.1 高強鋼在新能源汽車中的使用
高強鋼主要有普通高強鋼與先進高強鋼兩種。普通高強鋼主要是指烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼以及剛強度低合金鋼等。而先進高強鋼主要包括雙相鋼、復相鋼以及相變誘導塑性鋼等。研究表明，高強鋼不僅能夠降低汽車總重量，而且能夠大幅度提高汽車碰撞的安全性能。所以，不管是從成本還是從性能方面來看，高強鋼都是新能源汽車車身輕量化比較理想的材料之一，同時也能保證新能源汽車的安全性達到汽車行業標準以及法律法規的要求。其主要應用見圖2。
1.2 鋁合金在新能源汽車中的使用
鋁合金密度較小，其密度僅為鋼材料的三分之一左右。由于該材料的可塑性極強。而且其耐腐蝕性出色，同時也具有較高的強度和良好的韌性。機構相同的汽車，與鋼制材料的車身重量相比，采用鋁制材料能夠使其重量減少約四成。同樣，鋁制輪轂的質量在結構相同的情況下也只有鋼制輪轂的大約1/3。在如今的汽車生產技術中，鋁合金的應用范圍不斷擴大，性價比也越來越高。因此，鋁合金材料是汽車輕量化材料最優發展潛力的輕型材料之一。其主要在新能源汽車中的應用見圖3。
1.3 碳纖維復合材料在新能源汽車中的使用
碳纖維復合材料自身的物理特性較為特殊。如今的碳纖維材料，是用樹脂與金屬為基體的復合材料進行加工而成。其在車身上的應用也越來越成熟，而且在制造工藝上優勢較為明顯。通過碳纖維復合材料加工而成的零部件與同類鋼制零部件相比，其質量僅為鋼制材料的1/2左右。即便是與鋁制零部件相比，其質量也只有其1/3左右。通過數據分析發現，碳纖維復合材料做成的汽車，其汽車車身以及底盤整體質量將會降低4-6成。
但是由于該新型材料成本較高。如今，由碳纖維復合材料制成的結構性車身主要應用于對車身輕量化要求較高的車型。如：豪華跑車、方程式賽車等車型。
02新焊接工藝在新能源汽車中的應用
2.1 激光拼焊
激光拼焊技術的原理是學習了裁剪制衣的相關原理。將厚度不同、材質不同、涂層不同的鋼板通過激光技術完成焊接工作。使其成為完整的拼焊板，然后通過整體沖壓制造，與其他零部件進行整體裝配的一種焊接方法。本焊接技術可實現汽車零部對材料性能的不同要求，其主要意義上能夠實現對提升材料的使用效率和對零部件質量控制。德國蒂森克虜伯公司的產品是激光拼焊板的最早應用場所。首次在汽車車身應用是被應用到奧迪100車型的車身結構上。數據分析說明，在汽車車身結構中應用激光拼焊板，汽車車身整體質量降低了20%-40%。在當前環境下，激光拼焊對于推進汽車結構輕量化發展中的作用是非常關鍵的。不過，激光拼焊工藝的局限性同樣較為突出。主要體現在如下幾個方面：
①拼接焊縫會對沖壓零部件材料的力學性能、表面質量造成一定程度的影響；
②由于激光拼焊板接縫處厚度不同，對薄厚板間連接很難實現平滑連接。所以，對于汽車車身面板的生產并不是非常適合。
當然，隨著我國汽車生產技術的不斷提升。該工藝在新能源汽車高強鋼板拼接方面的技術得到了不斷完善和發展，也使新能源汽車獲得更為突出的輕量化效果。
2.2 鋁合金拼焊
如今，在汽車生產中的使用較為廣泛是鋁合金材料。相較于使用焊接鋼板，同類型的零部件，如果使用鋁合金拼焊板，汽車整車重量會有約1/2的降低。即便是與使用鋁合金材料相比，鋁合金拼焊板技術的使用也可使汽車整車重量減少5％～10％。有數據顯示，鋁合金拼焊板工藝對控制零部件自身質量優勢較為突出。現有技術條件下，鋁合金拼焊板工藝主要有非真空電子束焊以及激光焊兩種。不過，因為在焊接過程中極易產生空隙、焊縫區域熱裂和合金元素損失是鋁合金拼焊的弊端，目前，其實際應用與推廣較為困難。
2.3 攪拌摩擦焊
隨著技術的不斷進步，攪拌摩擦焊技術的應用不斷深入。該焊接技術是一種比較新穎的鋁合金焊板生產技術。其主要工作原理是把攪拌針插入到待焊接工件的內部，在攪拌針高速旋轉的作用下，使其與焊接工件摩擦，通過將連接部位的材料溫度提升使其軟化，在攪拌針向前移動時，被摩擦后軟化的材料的向后流動，使金屬在焊縫處結合起來，形成致密的固態連接。
03新成型工藝
3.1 內高壓成型工藝
該類型生產技術是將管材作為主要材料，利用向管材施加超高壓油液以及軸向推力補料的方式將管坯壓入模腔，使其成型為所需工件的生產過程。內高壓成型工藝的主要工作過程如下：
①填充過程：把管材放入到模腔并進行合膜。在沖水的狀況下，使管材兩端沿著水平方向推進，在逐步形成相對密封的狀態的同時，預充體發揮作用，將管材內部空氣排除。
②成型過程：向管材內液體施加壓力，使管材逐步成型。
③整型過程：在施加壓力的作用下，逐步貼合模具角度與膜腔，形成所需的工件。相較于傳統的沖壓工藝。內高壓成型工藝在降低零部件重量的同時，資源的實際利用率也得到不斷提升，使材料損耗率最小化。在新能源汽車的制造過程中，該工藝在汽車儀表板橫梁以及電池托架等的制作中應用較為廣泛。
3.2 熱壓成型工藝
該生產技術是較為常見且比較普遍的加工方式之一。利用加熱模具，將材料注入到模具中。并通過壓力的作用把材料和模具進行固定。當材料定型完畢，再將模型成品取出。熱壓成型工藝主要由以下幾個步驟組成：
首先，將模板加熱并把材料放置到其中。然后，通過上模和下模對材料模板施加一定壓力的作用，通過排氣管將氣體排出。最后，對已冷卻成型的模具進行剪切，最終成品定型。相較于傳統制造工藝，該生產技術在有助于提高零部件強度的痛死，對于零部件的厚度控制也是較為精準的。不僅能夠在一定程度上減少零部件的使用數量，而且對于汽車質量的提高有一定的幫助。在新能源車型的制造技術中，汽車地板、車門防撞梁和前防撞梁等的制作中該工藝應用較為廣泛。
3.3 輥壓成型工藝
材料在跟隨輥輪不斷轉動的過程中，在輥輪的碾壓下成型為各種復雜制件，就是輥壓成型技術。在使用該工藝時，需注意以下要點：首先，在剪切對焊裝置中，應對材料進行的處置要合理。其次，應發揮壓機與成型機的作用，確定輥壓成型定型。然后，要提高對定型后模具的沖孔、切邊以及壓型等處理工作的重視程度。在新能源汽車制造技術中，汽車門檻梁、防撞梁和車門窗框等的制作過程中應用該技術是較為廣泛的。
04結語
由于社會的進步和技術的發展，消費者對汽車的需求不斷變化，追求的品位不斷提高。在汽車保有量的持續增加的同時，需要持續提高對新能源汽車結構輕量化的鉆研。不斷深入研究輕量化材料的適用范圍。逐步改善新能源汽車結構輕量化的技術能力，不斷提升新技術在新能源汽車的生產制造過程中的重要作用。
作者：李廣俊 陳許超
來源：《交通運輸》
新能源汽車碳纖維復合材料車門輕量化設計
汽車輕量化是在保證其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，從結構、材料、工藝等方面，應用新設計、新材料、新技術來實現對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉變。
材料輕量化是實現車身輕量化設計的主流方向之一。作為車身的關鍵部件之一，車門需要保證足夠的剛度、強度，從而使整車具有良好的安全、振動噪聲和耐久性能。碳纖維增強復合材料以其優異的綜合性能、高比強度和比模量和靈活的可設計性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強復合材料的密度僅為鋼材密度的20%,鋁合金密度的60%,其應用可以使車身減輕30%~60%,其質量僅為鋼的1/4,強度則是鐵的10倍，是一種理想的輕量化替換材料。陳靜等的研究表明，結構優化后的碳纖維材料電池箱在質量減少的同時，提高了剛度和模態頻率；陳偉旳將碳纖維材料引入汽車B柱支撐板，在確保碰撞性能的情況下減重55%。
商業領域中，碳纖維材料已經大量應用在寶馬、奧迪等量產車型的車身結構中叫薛嬌問基于傳統金屬材料的汽車B柱，使用等代設計的方法將原有的金屬材料替換成碳纖維復合材料，并在有限元軟件中進行仿真分析。結果表明，碳纖維復合材料的汽車B柱相較于原版的B柱擁有更好的力學性能，其質量減輕了40%；Belingardi等為了能將復合材料利用到保險杠的加工制造中，用數值仿真技術進行了驗證，結果表明，在吸收相同撞擊力和承受相同載荷的情況下，碳纖維復合材料制成的保險杠總體質量更低?？梢?碳纖維增強復合材料是汽車輕量化新型材料的優良選擇。
對于將拓撲優化應用到結構輕量化設計中，國內外的學者也做了大量研究。楊暢岡基于變密度法和SIMP懲罰優化準則來構建拓撲優化，對汽車傳動軸進行了輕量化，結果使車軸總體上降低了10%的質量。孫志遠等用拓撲優化的方法對汽車前車架進行了輕量化設計，車架在結構優化后減輕了30.8%;Kiani等用拓撲優化的方法對鎂材料的車身進行輕量化設計，仿真結果顯示了車身在滿足碰撞和振動要求下，質量大幅減少。
本文采用碳纖維復合材料代替傳統鋼制材料車門進行輕量化設計。首先對傳統車門進行靜力學和模態性能分析，然后以分析結果為參考，采用等質量替換法，獲得碳纖維復合材料車門的有限元模型，以復合材料車門質量最小化為目標函數，靜態性能為約束條件，進行了自由尺寸優化、尺寸優化、鋪層順序優化，最后進行了優化規整和性能驗證，實現了在滿足性能要求的前提下，車門整體減重48.3%。
1傳統車門有限元模型與性能分析
1.1有限元網格的劃分
車門是由多個零部件組成的，包括車門外板、車門內板、防撞梁、玻璃窗框、鉸鏈加強板、門鎖加強板、翻邊及其余部件（如導軌等）。
在CAHA中建立幾何模型，導入HyperWorks,進行網格劃分，網格劃分結果如圖1所示。
對整個車門的所有網格進行質量檢查，主要參數如表1所示。
對整個車門的所有網格進行質量檢查，主要參數如表1所示。
1.2傳統車門的靜力學和模態分析
依據國家有關強制標準，參考FMVSS和ULSCA研究成果，綜合分析新能源汽車車門在許多研究中施加的工作載荷，確定了4種典型靜力學工況，分別為垂直工況、車門窗框角部工況、上部扭轉工況、下部扭轉工況。以垂直工況為例，車門垂直受載下的載荷模型如圖2所示。
考慮乘客支撐力200N和車門自重550N,載荷大小設定在750N。設定車門采用鉸鏈連接，施加車門鉸鏈處全約束，車門門鎖處則僅約束X方向上的平動。
在這種工況下，采用車門沿Z軸負方向上的最大位移量作為評價指標，最大位移量越小，說明車門剛度性能表現越優秀。在OptiStruct模塊中進行有限元分析，獲得車門位移云圖。依據FMVSS和ULSCA研究成果，并與本文仿真數據比較，設置參考臨界值為10mm。最大位移發生在窗框角部，大小為7.52mm,而jiao鉸鏈處變形程度很小。剛度性能滿足設計要求。
以同一方法對另外3種工況的車門進行靜力學分析，剛度性能均符合要求。各個工況下的最大位移如表2所示。
對車門進行約束模態分析，考察振動特性。在約束模態的仿真結果中，一階模態反映了車門的整體振動特性。汽車電機在啟動時，其自身產生的振動頻率為20~30Hz，所以車門最低階頻率應該盡可能避開這個區間。本次對原車門的仿真分析結果顯示1階模態頻率是45.12Hz。避開了環境綜合激勵頻率，合乎設計標準。
2復合材料車門有限元模型及性能分析
2.1碳纖維復合材料的替換
碳纖維復合材料具有比強度、比模量和比吸能高等諸多突出優勢，還擁有良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，零件使用壽命高，有利于汽車輕量化設計,未來隨著原料成本的逐漸下降與高效制造工藝的不斷成熟，碳纖維將得到更廣泛的應用。本文選取采用纖維增強型復合材料，主要選取的材料為環氧樹脂單層板復合材料，其具體參數見表3。
在考慮單層板的加工工藝以及制造成本基礎上，本次研究選取單層板的最小厚度0.1mm。采用等質量的替換方法，以0.1mm作為每層的最小厚度，具體計算方法如下：
(1)金屬車門總質量記為m1；
(2)將金屬材料車門外板的總體積v1,與復合材料車門的體積V2作比值，所得出的一個比例系數乘上原有車門外板的厚度，則總的鋪層厚度t也可知；
(3)復合材料車門總質量記為m2，由V2和復材密度的乘積而得出；
(4)將m2與m1之差的絕對值與金屬材料車門的總質量m1的比值作為誤差率，該誤差率允許范圍為1%。
具體的零部件總厚度計算公式為：
其中：t—零部件的厚度；m—質量；ρ—相應材料的密度。
通過上述方法獲得各部件的厚度，使用OptiStruct軟件計算出原車門質量為15.53kg,然后進行等質量替換，獲得碳纖維材料車門質量。替換后的車門總質量為15.56kg，總質量誤差在1%以內，符合了替換要求。部分零部件等質量替換結果如表4所示。
2.2復合材料車門的靜力學分析和模態分析
參照原車門分析方法進行復合材料車門的靜力學分析。復材替換后的車門在垂直工況下，云圖的單元體位移分布與原車門相似，但是由于碳纖維材料本身剛度優良的特點，Z軸方向上最大垂直位移為6.451mm,變形明顯小于原車門的7.518mm。
以同樣方法對其余3種工況下的復合材料車門進行靜力學分析，復材替換后車門的最大位移均小于原車門，具體位移數值見表5。
進一步對復材車門進行約束模態分析，仿真分析結果顯示一階模態頻率是45.28Hz。避開了環境綜合激勵頻率，合乎設計標準。
發現在上文的等質量替換過程中，替換后的碳纖維車門模型厚度增加較大。在靜力學的分析中，復材替換后的車門在所有的工況仿真中，剛度表現都優于原車門。在模態分析中，復材車門能夠滿足車門振動穩定性。綜上所述，該款車門從結構角度和材料替換角度存在優化空間。
3碳纖維復合材料車門的結構優化設計
采用自由尺寸優化、尺寸優化以及鋪層順序優化，具體的優化設計方案流程如圖3所示。
其中，約束條件為在4種工況下受力之后最大變形不超過10mm;目標函數選擇為車門所有零部件的質量最小化；設計變量為鋪層的局部厚度。
3.1自由尺寸優化
通過自由尺寸優化對車門進行初步優化，形成設計優化方向。相比其他優化方式，自由尺寸優化消耗的時間更短,并且不會改變車門的三維結構,能夠在滿足約束條件的前提下，最大限度地減輕整體質量。設計變量設定為每個板件的厚度，約束條件根據前文中傳統鋼制車門的靜力學分析結果，設定為Z方向上位移最大為±8.5mm,取1.5mm的裕度是為之后的進一步優化做鋪墊，使車門始終滿足最低的剛度要求。
第1階約束模態頻率為44.93Hz,符合工程要求。優化后的最大厚度出現在鉸鏈加強板位置，車門內外板的中心面則普遍厚度大幅度下降，很多呈現厚度為1mm。而窗框的上沿和車門底端則一部分厚度為4mm左右，符合之前的分析結果。
考察自由尺寸優化后的復合材料車門靜力學特性，最大的位移變形出現在上部扭轉工況中的車門外板下沿位置，數值為&097mm,小于最大的限制位移8.5mm。
3.2尺寸優化
尺寸優化是對模型具體細節參數的優化，在不改變模型形狀和連接方式的基礎上修正厚度、長寬等尺寸，使有限元分析結果能夠滿足靜力學和模態頻率要求。
對自由尺寸優化后的迭代結果進行尺寸優化,車門的最大厚度在自由尺寸迭代結果的基礎上由10.7mm減少到6.718mm。
尺寸優化后的車門在垂直工況下最大變形位移出現在車門窗框上沿邊緣處，數值為8.211mm,相比單純的自由尺寸優化，剛度有所下降，但是仍然符合工程要求。
在優化后，每一層從原有的4層增加到了48層，最終鋪層數目為192層。
3.3鋪層順序優化
鋪層順序優化是在不改變鋪層厚度、形貌和結構的前提下，對車門鋪層的疊加順序進行優化，目的是在原先的基礎上改善剛度和模態頻率。
為了結構優化的方便，本文采用的初始鋪層數目為4層。而在工程中對于4層的復合材料常用的鋪層角度是0度、±45°和90°。圖4為對每一層規整后的車門外板鋪層圖，表7則為優化后的車門外板的各鋪層具體厚度以及角度分布的詳細數據。
進行靜力學分析后發現，經過鋪層順序優化后的剛度性能表現更好,相比于優化之前的車門，變形也減少了很多。優化前后車門在各工況下最大位移比較見表8。
之后對優化后車門進行約束模態分析來校核性能，得出一階模態約束頻率為47.11Hz,避開了環境綜合激勵頻率，合乎設計標準。
4 結論
本文基于新型碳纖維材料和計算機輔助設計軟件，對某新能源汽車的車門進行了材料替換和結構優化的輕量化設計。對碳纖維復合材料車門依托自由尺寸拓撲優化、尺寸優化和鋪層順序優化理論進行了結構優化，并校核了優化后車門的剛度和模態頻率。模態頻率和最大變形均滿足要求，最終優化后的車門總質量為8.052kg,減重48.3%。
作者：張樂迪，程博彥，段耀東，曾超凡，董向峰
來源：《農業裝備與車輛工程》
汽車底盤 I 碳纖維復合材料在新能源汽車底盤的應用技術
▌ 1.從零出發
參與世界首臺CFRTP汽車底盤研制工作的研究人員（名古屋大學）
2013年寶馬汽車生產的電動車i3車身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工藝熱固性CFRP時，給汽車行業帶來了巨大的沖擊，該公司的在2015年款7系車上雖然采用了多材料化，但是CFRP的應用僅停留在作為鋁、鋼鐵等增強材料。雖然不是結構部件，2017年豐田汽車將SMC（Sheet Molding Compound）工法的熱固性CFRP應用在普銳斯PHV的后車門。
關于碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)，2014年豐田汽車將其應用在燃料電池車MIRAI的堆?？蚣苌希@也是首次在量產車上的應用。關于CFRTP其他的應用事例目前仍在研究階段還沒有達到實用化（圖1）。
圖1.CFRP成型技術與力學特性之間關系的路線圖
日本5家汽車制造商為了尋求適用于量產車生產的CFRP制造技術，將目光著眼于LFT-D（長纖維增強熱塑性復合材料工藝）工藝技術（圖2），并于2012年在日本經濟產業省的支持下成立了研發團隊，由名古屋大學國家復合材料中心石川隆司教授擔任項目負責人，之后該項目在2014年并入NEDO(日本新能源技術開發機構) 的“創新新結構材料研發”項目。
圖2.LFT-D生產概念圖
LFT-D是德國弗勞恩霍夫物流研究院提出的一種纖維強化塑料的制造方法，最初是將玻璃纖維和熱塑性樹脂（聚丙烯）混合而成的材料通過高速沖壓成型。本項目為了提高力學性能，原料中使用了碳纖維和熱塑性樹脂（聚酰胺）。熱塑性塑料與熱固性塑料相比，具有材料價格便宜，成型時間短的優勢。另外，作為熱塑性塑料的特性，可以在接合中應用熔接和焊接技術，所以不需要粘合劑和鉚釘，可應用于目前現行的汽車生產線，這對汽車制造企業來說具有極大的魅力。
本項目的主要特點之一是采取了大學與11家企業共同參與的聯合體方式。各企業根據各自的經驗，從零開始開發一種新的工藝，通過5年不斷反復的改良，才取得了今天這樣與企業訴求充分吻合的重大成果。
圖3.經過改良后螺旋推進器的混煉·擠出機
圖4.保溫搬送裝置中擠出的原料
▌ 2.不斷進取、不斷改良、追求完美
截至目前，本項目最主要的成果首先是以最佳條件形成LFT-D擠出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型設備及系統（圖5）。從原料的投入到成型品的完成只需5分鐘左右，沖壓成型所需的時間縮短到1~2分鐘，能保障實現年產10萬臺規模的量產。其中系統設備研發中最難的一點是將碳纖維和熱塑性樹脂混煉的工序，這一點可以說是永遠的課題。雖然混煉螺桿推進器的設計在多次改良積累了豐富的經驗和訣竅，但在螺桿推進器中到底發生什么，仍然還有很多未解之謎。即使利用計算機模擬技術也不能完全揭開其真實的機理，仍然是將來需要解決的課題。
圖5.大型LFT-D高速成型設備
在整個研發過程中，物料搬送技術的開發也相當艱辛。擠出材料接觸空氣后會因氧氣而劣化，因此需要阻斷氧氣。另外，冷卻后馬上就會凝固，影響在沖壓機中的流動，所以需要在保持溫度的同時，如何高速向沖壓機送料是關鍵，如何將它控制在分毫不差，是物料搬送技術的核心。
與混煉工序相反，沖壓成型中的物料移動非常清晰。通過開發流動模擬CAE技術，并在成型試件的水準設定和模具設計中得以充分靈活的運用（圖6）。
圖6.CAE流動分析
關于材料的檢測評估技術，申請了兩項專利。其中一項專利是關于預填充物的制作方法，開發了多階段稀釋法的纖維長度分布測定法，實現了排除試樣采集位置特異性的精度提高和效率化（圖5）。另一項專利是測量纖維方向的方法，開發了X射線衍射法的纖維取向測定法，確立了平均取向角和取向順序參數的計算順序（圖6）。
圖7.多階段稀釋測定纖維長度分布
圖8.根據X射線衍射測量纖維取向
圖9.物料搬送技術的應用
▌ 3.“產學官”聯合研發的樣板工程
日本的“產學官合作”是指通過企業（產）與具有高端技術、高級專業知識的大學（學）以及政府（官）合作，謀求新產品的開發和新工程的創建，積極推進科技創新及其成果的轉化。“產學官聯合”是日本科技立國政策的重要舉措，是在政府的支持下，充分利用大學強大的科研隊伍和企業的經濟實力，開發新興技術產品，增強日本企業國際競爭力的機制。
本項目試制所選擇的車輛標準是比鋼鐵輕的鋁制車輛，而且是本次共同研發企業之外的車型。項目組購買了一輛蓮花愛麗舍二手車，在拆解前測量了其扭轉剛度（指汽車車架的扭轉剛度），并以與之同等的剛度為本項目的設計目標。
從大尺寸平板的成型開始，取得基礎數據，找出問題點。由于當初高質量的平板成型比較困難，經歷了多次反復的試驗。對于強度不足的部分，同時開展了作為增強材料使用織物（熱塑性連續纖維CFRP）的混合成型的開發。在完成技術上最難的底盤平板后，逐步完成了包括側梁等與實車完全一樣的其他結構部件的開發。
圖10.LFT-D汽車底盤的結構設計
關于接合，開發了與鋼鐵材料接合中使用的焊縫焊接同等水平的高速接合技術。雖然實現了解超聲波熔接是有效的，但本項目中也實驗了電磁感應和激光熔接。電磁感應對連續纖維有效但對不連續纖維不起作用，激光熔接雖然可以接合，但有專利等壁壘，僅限于研究范圍。最終選擇了超聲波熔接，現狀不能熔接的部分也并用了一部分，不過，為了發揮LFT-D的特性，從構造設計上下功夫，實現了全部熔接接合。不僅是LFT-D成型材料之間，也可與鋁材料通過超聲波熔接進行接合。同樣也可以與鋼材的接合，但是存在表面處理等未解決的問題，目前其研究仍在進行。
本項目中接合技術，有一部分在校學生獲得了這次寶貴的機會并參與了研發工作。作為“產學官”合作的示范案例，獲得日本內閣府頒發的“產學官聯合功勞者選拔委員會特別獎“。同年2月，為了表彰該技術對汽車輕量化的貢獻，獲得“nano tech大獎”。
本次完成的熱塑性CFRP底盤重量40kg，實現了與原車相同的強度和剛性要求。相對于鋁制底盤由100個零部件組成，熱塑性CFRP底盤僅僅有10個零部件，成本也可與鋁制底盤相競爭。
圖12.參加本項目的“產學官”大學及企業
碳纖維復合材料及其連接技術在汽車白車身的應用
自進入21世紀以來，能源危機越來越嚴重。減少能源消耗和排放，成為汽車行業的重要發展方向。當前，一輛汽車半數以上是鑄鐵或鋼，塑料件約占11%，鋁合金約占9%，橡膠約占7%，玻璃約占3%。鎂、鈦、銅和鋅合金共同約占1%，油漆、電纜和表面材料等約占13.5%，如下圖1所示[1]。
為解決能源效率問題，研究人員提出了觀點——車身不同部位用不同的輕量化材料來減輕汽車整備質量。每減重10kg，能耗和碳排放就減少1g/km。
碳纖維作為增強材料和樹脂基體復合而成的復合材料，優勢明顯。例如：低密度，高比強，高比模，耐疲勞性能好，耐腐蝕性能好，可設計性以及強減震。碳纖維復合材料可使車身質量至少降低60%，續駛里程提高25%以上，既降低了整車的質量及油耗，又不失輕便、靈巧。
但新材料的應用需要開發新的加工工藝、連接工藝來滿足裝配的需求，隨著科學技術的發展，目前已經開發出了不少具備工業化的連接技術。
隨著碳纖維加工成本的降低和連接技術的成熟，必將推動碳纖維在汽車行業的應用迅速可持續發展。
碳纖維復合材料在白車身的應用
隨著汽車的發展，車身尺寸不斷增大，安全系數不斷提高，配置越來越豐富，結構越來越復雜。這種情況下，要保持合理的車重，選擇合適的材料至關重要。可以說，輕量化材料的選擇，真正體現了汽車品牌之間的研發核心技術差距。碳纖維復合材料的應用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求，又實現了汽車的輕量化。碳纖維不但能達到節能減排的全球性需求，也能解決消費者所關心的節能省油問題。
碳纖維在汽車領域應用之初，由于成本高、工藝復雜，僅在跑車和少量的昂貴車型上應用。但隨著技術的進步，碳纖維在汽車車身上的應用越來越多。寶馬i3 2013款車型的車身碳纖維用量達到了49.41%，寶馬i8 2014款車身碳纖維用量為43%，這兩款車也成為碳纖維復合材料在汽車構件大幅度應用的標桿車型。2018年，瑞典豪華品牌Polestar推出了Polestar1，該車上車身全部采用碳纖維復合材料，極大降低了整車的整備質量。隨著技術的發展，國內車企也相繼推出了碳纖維汽車構件應用的車型，如上汽榮威E50的機蓋、一汽紅旗的翼子板、奇瑞艾瑞澤7的前保險杠橫梁和吸能盒等[2]。
1. 優勢
（1）減重CFRP（碳纖維增強復合材料）的密度為1.45~1.6g/cm3，不到鋼密度的25%，比鋁還要輕，CFRP的使用可使汽車整備質量減少30%~60%。CFRP由于其優異的強度、剛度以及輕量化的特點，對提高燃料利用率、減少CO2排放具有重要意義，在汽車行業得到了廣泛的研究和應用[3]。根據之前研究，如果用CFRP替代鋼件的話，汽車整備質量可減少60%，燃料利用率提高30%，二氧化碳排放量減少20%。此外，車身結構的減重還可以使得底盤、齒輪和剎車等結構減重。
（2）零部件的集成/減少
如果大量使用碳纖維零件，不僅能夠減重，還能顯著減少車身零件數量。歐洲汽車研究學會的研究表明復雜形狀的碳纖維和連接技術可將車身零件數量減少30%左右。零件數量的減少也會使得生產工具和連接設備減少。當前車身設計和汽車制造還處于一個將零部件焊接到一起的階段，但ACA的研究表明車身結構使用一體成型的碳纖維結構件，最多可減少70%的工具和設備投入。
（3）良好的抗沖擊性和能量吸收能力
碳纖維復合材料具有良好的能量吸收能力。在碰撞時，熱塑性復合材料吸能量為250kJ，熱固性復合材料的吸能量為120kJ/kg左右，而鋼只有20kJ/kg。此外，碳纖維復合材料振動衰減系數大，吸振能力強，可減少振動和噪聲[4]。
（4）可實現復雜的造型
大的復雜結構件都可以用碳纖維復合材料制作，且形狀不受限制，這是金屬材料所無法具備的。此外，和傳統的纖維相比，CFRP可用于有外露面的結構件。
2. 劣勢
（1）高成本
目前，成本是影響碳纖維復合材料在汽車行業批量應用的關鍵因素之一。雖然，世界各國的科學家都在努力降低碳纖維量產的成本，但目前和鋼車身相比，碳纖維車身的成本是其15倍左右[5]。目前工業生產中，碳纖維前驅體來源受限，造成了碳纖維的高成本。而目前科學家也在研究可替代的前驅體和加工技術，從而降低碳纖維批量生產的成本。
（2）復雜且低效的生產工藝及技術
目前碳纖維復合材料普遍采用熱壓罐成型技術制備零件，具有質量穩定、成型模具簡單、纖維體積含量高等優點，但存在周期長、能耗大等缺點，很難適應汽車工業的規模應用。
采用片狀模塑料的碳纖維，由于其表面的噴涂氣孔（高溫噴涂中輕微的氣體溢出造成的針孔）很難消除，所以也是個難題。
（3）可回收性低
碳纖維復合材料會分解為不同的樹脂，而回收大量不同的樹脂會增加拆卸成本，進而降低材料的回收價值。此外，這些數值大多是不可回收利用的，反而是通過填埋處理，這會對環境造成很大影響。
表1是不同材料的虛擬能源，可以看出，和其他材料相比，碳纖維復合材料是較高的，因此碳纖維的回收消耗的能源也是需要考慮的[6]。
碳纖維復合材料連接技術
碳纖維復合材料獨特的力學、物理化學性能及加工工藝等，金屬材料常見的連接技術很難應用于碳纖維復合材料的連接。目前碳纖維復合材料的連接技術主要有機械連接、膠結、焊接和混合連接技術等[7]。
1.機械連接
碳纖維的機械連接通常指通過鉚接或螺栓將不同的碳纖維部件連接成一個整體。
采用機械連接時，需對復合材料進行打孔。采用機械連接具有以下優點：
1）連接簡單可靠，方便檢查質量。
2）可重復進行拆卸和安裝。
3）可避免膠接固化后產能的殘余應力。
4）對被連接的零件厚度要求沒有特別限制。
但也存在以下缺點：
1）預打孔時，會導致孔四周的應力集中，降低連接性能。
2）由于緊固件的使用，會導致整個零件的質量增加。
3）緊固件和復合材料接觸可能會產生電化學腐蝕。
4）緊固件易疲勞，造成結構失效。
5）預制孔時會對復合材料產生不同程度的損傷。
2.膠接
膠接，即使用結構膠將不同的零件連接成一個不可拆卸的整體。膠接目前廣泛應用于CFRP和其他材料的連接，膠接需表面處理，且需要較長的固化時間。然而膠接接頭的強度對環境和結構膠的性能比較敏感，在嚴酷的環境下，接頭強度會極具降低，尤其在潮濕條件下。
通常，由于CFRP和金屬材料的熱膨脹系數不同，所以粘接完成后，會產生較大的殘余拉應力，接頭的強度也會受影響。
有研究表明，使用超聲波輔助涂膠技術，接頭的強度最高可提高52%，但接頭強度會受振動時間和和位置的影響[7]。
由于表面的清潔度、粗糙度和表面化學結構等因素直接影響最終的粘接強度，故在粘接前對碳纖維表面需進行預處理，以提高粘接的強度，常用的表面處理方式有三種：溶劑脫脂法、物理打磨法和化學處理法。溶劑脫脂法主要用于去除表面污染物和改善表面潤濕性。物理打磨法用于提高表面粗糙度、增大實際接觸面積和改善表面潤濕性。化學處理用于改善表面內聚強度、改變表面活性和改變表面自由能。
3.焊接
焊接，即通過加熱，將不同的母材連接成一個整體的加工技術。對于碳纖維材料，由于只有熱塑性材料能熔化且二次成形，故碳纖維的焊接技術僅適用于熱塑性碳纖維復合材料。碳纖維的焊接即通過熱源，將碳纖維材料的界面融化，在零件中間形成焊縫，實現不同材料的焊接。
目前熱塑性碳纖維復核材料焊接技術主要有超聲波焊接、感應焊接、電阻焊和激光焊等。
4.混合連接
混合連接是采用最少兩種連接方式將兩個或者多個部件連接到一起。通常是將機械連接和膠接同時使用，如螺栓聯接和膠接、鉚接和膠接。如能保證部件受力時，兩種連接技術的接頭同時受力，同步變形，可明顯起到組織或者延緩接頭的損傷，提高抗沖擊、抗疲勞和抗拉性能。但混合連接也會使得成本增加，結構質量增加以及孔應力集中等問題。
不同連接技術對比見表2，碳纖維復合材料的連接技術，要綜合各方面因素，根據實際情況確定。通常，需要承受大的集中載荷，對可靠性要求較高時，優先考慮機械連接方式。對于承受均布載荷或承受剪切應力時，優先考慮膠接。而混合連接多用于要求多余度連接的部件，如中等厚度板的連接。
結語
碳纖維復合材料由于其輕質且剛度高和抗沖擊能力好等優點，在汽車實現輕量化和節能減排的重要發展方向。但也存在生產工藝復雜、成本高、可回收性差等缺點。隨著科技的進度，如果能將以上問題解決，相信碳纖維在汽車行業會得到批量應用，也會助推連接技術的發展。
參考文獻
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作者：楊洪期，王金培，馮楊，高海東
用于新能源電池熱管理的一種新型復合相變材料
1 背景介紹
傳統燃油汽車存在著高能耗、溫室氣體排放、發動機噪聲污染等問題，對環境影響很大。在能源短缺、環境污染嚴重的情況下，節約能源、減少排放，用清潔能源替代傳統化石燃料迫在眉睫。清潔能源（氫氣、高級醇類、甲烷等）和能量轉換器等常見的節能手段近些年都取得了很多研究成果。鋰能作為一種很有前途的儲能方式，也在逐步完善，逐漸在汽車行業占據重要地位。鋰電儲能具有能量密度高、循環性能好、節能環保等優點。作為單體電池，軟包裝鋰離子電池具有優異的儲能效果，并且廣泛應用于電動汽車、儲能電站等領域。但是，如果在充放電過程中散熱不及時，電池可能會出現膨脹、漏電等現象，存在自燃等事故的危險。因此，有必要對鋰電池進行熱管理。固液相變材料具有成本低、腐蝕弱、相變潛熱高等優點。
通過相變過程，可以儲存和釋放能量，在電池熱管理系統中具有廣闊的應用前景。相變材料的存在會使電池組的溫度分布更均勻，減少過熱現象。然而，純相變材料的導熱系數普遍較低。近年來，金屬有機骨架(MOF)受到了廣泛的關注，它具有比表面積大、孔隙率高的優點，是一種有效的相變材料封裝載體。MOF材料是制備多孔碳的理想模板，將MOF衍生的多孔碳與碳基材料復合作為相變材料載體是優化復合材料的導熱系數的一種可行的方法。但是目前關于這方面的報道較少，目前新能源行業飛速發展，開發一種用于新能源電池方面的復合相變熱管理材料迫在眉睫。
2 成果掠影
近期，左紅艷教授團隊在用于新能源電池熱管理的復合相變材料方向取得新進展。團隊設計了一種用于電池熱管理的新型復合相變材料，通過對月桂酸(LA)的吸附，可以得到形狀穩定的LA/EG@HPC復合相變材料。載體的BET表面積為15.9326 m2/g，孔徑分布以中孔和大孔為主。載體的三維結構可以為LA提供連續的分層換熱網絡通道。復合相變材料的負荷率可達70%，導熱系數為2.546 W/(m.K)，是純LA的8.4倍。此外，目前用于相變材料載體的MOF材料都是通過反應釜合成的。該團隊采用的熱溶劑法可大大提高單次合成效率，操作簡便。
實驗結果表明復合相變材料在電池熱管理方面表現出優異的性能。在不同速率的放電測試中，電池包的最高溫度比沒有熱管理的電池包降低了13.4℃，電池溫差降低了1-1.5℃，工作溫度遠低于安全溫度50℃。循環試驗中，DST條件下復合相變材料組溫度波動降低45%，高功率條件下電池溫度保持在安全溫度以下，具有顯著的熱管理效果。該研究成果為新能源電池熱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”為題發表于《Energy》。
3 圖文導讀
圖1.EG@HPC的制備示意圖。
圖2.不同樣品的XRD圖譜。
圖3.LA、HPC、EG@HPC、LA/EG@HPC樣品的FTIR圖譜。
圖4.樣品的SEM圖譜，(a) Bi-MOF (b) HPC (c) EG@HPC (d) 60wt% LA/EG@HPC (e) 65wt% LA/EG@HPC (f) 70wt% LA/EG@HPC。
圖5.(a) EG@HPC的N2下的吸附解吸等溫線，
(b)對應的孔徑分布圖。
圖6.LA、EG@HPC、LA/EG@HPC樣品的TG曲線。
圖7.LA和LA/EG@HPC樣品的DSC曲線。
圖8.LA、LA/HPC和LA/EG@HPC樣品的導熱系數。
圖9.電池熱管理裝置示意圖。
圖10.電池放電溫度變化曲線(a)空白對照組2C速率、(b)空白對照組3C速率、(c) CPCM組2C速率、(d) CPCM組3C速率。
圖11.電池放電溫度的最大最小值以及溫差分布。
圖12.DST條件下的溫度波動（a）空白對照組；
（b）復合材料對照組。
圖13.恒定充放電速率循環下電池溫度的變化。
來源/作者：雅氏橡塑網、萬塑文化傳媒、輕量化技術網、復材應用技術、《農業裝備與車輛工程》、Energy
2023中國復合材料產業鏈展覽會
中國復合材料工業協會定于5月10-12日在山東德州舉辦“2023中國復合材料行業發展大會”，同期舉辦協會七屆四次理事會，企業國際化經營合規風險排查培訓會及中國復合材料產業鏈展覽會。
