汽車的碳纖維時代正向我們走來
8月8日，長城花冠汽車旗下款車型——前途K50正式上市。這是國內款量產型碳纖維汽車。該車采用全鋁合金車身框架，除前、后包圍和側裙等部位外，其余部位均采用碳纖維材質。純電動雙門跑車，補貼后售價為68.68萬元，其技術指標如下：
前途K50 技術數據
車身結構：2門2座跑車，碳纖維覆蓋件，鋁制車車身框架
車身尺寸：長4634 mm，寬 2069 mm，高 1253 mm，軸距 2650 mm，前輪距 1798 mm，后輪距 1791 mm，小離地間隙 103mm，整備質量 1960 kg，行李廂容積 65 L
動力系統：永磁同步電機，雙電機，系統總功率320 kW，總扭矩680 N·m，電池容量 78.8 kWh
懸掛系統：前后雙叉臂式獨立懸掛
性能數據：0~100 km/h加速 4.6 s，高車速 200 km/h，工信部續航里程 380 km，快充時長 0.75 h，快充電量 80%，慢充時長 13 h
作為國內款碳纖車身寬體雙發電機純電動跑車，碳纖維行業內都充滿期待，K50除前后保險杠和側裙之外，K50的所有車身外覆蓋件均由碳纖維材料制作，總重量只有46.7公斤。據報道探索碳纖維批量生產工藝，開發出全新的高溫快速固化預浸料。模壓工藝，實現高度自動化生產。
前途K50為了塑造個性化車身和高強度車身保護，大規模使用了碳纖維覆蓋件，應用于車身側圍、車身頂蓋、機蓋、側車門、行李箱蓋、翼子板處，包裹了車身，全車共使用29個碳纖維復合材料零部件，相較于使用傳統鋼板材料減重可達40%以上。為車身提供良好的可塑性和堅固性。
目前碳纖維在汽車中的應用遇到了一些問題,如價高、工藝受限，難以量產，缺乏汽車復材設計經驗及人員。此外碳纖維復合材料在汽車上應用涉及到維修、回收，以及保險，政策等，都是需要進一步研究的問題。
但是即使如此，碳纖維在汽車中的應用已經有了較大的突破。目前碳纖維應用多的四個領域分別是航空航天、風電、體育用品、汽車，汽車方面的應用在8000噸以上。當然碳纖維及復合材料在汽車中應用的方式有很多種，細細分析，有以下幾大流派。
1、改裝車和超跑
早期因為碳纖維陽春白雪的高貴身份和高昂價格，使其多用于跑車、賽車等高檔車中,后來也逐漸用于汽車改裝件中。
在這個領域，傳統上有模壓、RTM、熱壓罐工藝進行生產，追求的是藝術品的方式來打造碳纖維復合材料產品，成本和效率不是終要考慮的問題，而是通過精工細作，做出炫的產品。
2、寶馬及其他
2014年3月日內瓦車展上，寶馬純電動車寶馬i3亮相，這款車型是寶馬汽車i系列旗下的款量產新車，寶馬官方已經公布i3車型的海外售價34,950歐元起，約合28.3萬元幣，年售量在3萬輛以上。寶馬i3量產車型包含多種創新技術，像全碳纖維復合材料制造的乘員座艙模塊以及鋁合金構造的底盤模塊。寶馬i3在乘務艙內大量運用了碳纖維元素，使得這款電動車的整備質量僅為1195公斤，加之蓄電池使其在純電動模式上續航里程可達到160公里。
寶馬i3汽車是碳纖維材料在汽車上實用化的歷程碑的進步，其家庭化的價格也一舉打消了碳纖維汽車高不可攀的形象。
寶馬i3的碳纖維乘員艙+鋁合金底盤的新能源汽車的模式，在行業內是一個里程碑的事件。在這個車型上，寶馬公司聯合SGL公司用HP-RTM、濕法模壓、預浸料模壓等多種碳纖維復合材料生產工藝、對復材與復材、復材與金屬等連接，以及其他碳纖維復材的應用進行了詳細的研究。寶馬i3的乘員艙重量大約150kg, 碳纖維用量相當可觀。當然這個車型類似于寶馬在碳纖維復材方面研究的搖籃曲，在此基礎上積累了大量經驗。
隨后寶馬又推出了i8、i7等，并宣布將在7系列推廣碳纖維及復合材料，特別是7系不再追求碳纖維的視覺效應，而是體現碳纖維的本質特性，所以采用了Carbon Core技術，以及多種工藝配合。
寶馬公司通過和SGL的共同合作開發，突破了很多碳纖維復材在汽車上應用的技術門檻，先實現了碳纖維在汽車上的批量化應用，特別是7系作為寶馬的主流車型，每輛車用碳纖維材料在50公斤以上，這個用量非常大了。所以每年統計碳纖維在汽車中的用量，八九千噸，一大半以上都是寶馬的量。
3、豐田
“Mirai”是豐田款量產的氫燃料電池車，如其名，Mirai被豐田汽車視為“未來之車”，于2014年12月15日在日本正式上市。日本市場，Mirai的售價為723.6萬日元，另可獲得200萬日元的補貼，終端售價523.6萬日元（約30.7萬幣，這個價格可以碾壓）。這是款量產的氫燃料汽車，在這款車上，也可以看到很多碳纖維的身影。
“Mirai”這個車型的開發成功，體現了日本人的一些獨到之處，以及他們在碳纖維研究上的優勢，他們把碳纖維的輕量化、功能化的特點體現出來，而且避開了常規的鋰電池新能源車的競爭。“Mirai”用到碳纖維部表分是纏繞工藝生產氣瓶、模壓工藝的電池堆框架、氣體擴散層等，碳纖維用量達到40-50kg，而且這些應用方式很大程度上脫離傳統，走出自身的特點。隨著“Mirai”計劃今年的年產，碳纖維在汽車上的應用將有一個新的突破，而且30幾萬的價格將對很多新能源車是一個沖擊。
豐田普銳斯是一款很多年前就開發成功的車型，作為混合動力系統奠基者，普銳斯有很多特色。在2017年新款中，三菱麗陽、豐田共同開發碳纖維后尾門。該碳纖維復材制備的汽車后尾門，不同于傳統的碳纖維工藝，而是三菱開發的PCM工藝，該工藝利用快速固化預浸料作為主體構件，周邊的連接部分利用短纖模塑料，在模具同模壓得到。這樣既可以充分利用連續纖維優良的力學性能，有可以利用短纖做出復雜的連接、裝配結構。
這款復合材料行李箱蓋與之前GT-R上搭載的鋁合金行李箱蓋相比，重量下降了40%，與碳纖維熱壓罐成型產品相比，生產成本降低了50%. 該工藝是一種快速的碳纖維生產工藝，其生產周期大概在2-4分鐘之間，可以實現商業化應用。該工藝的開發成功，甚至使三菱某個常用于預浸料生產的碳纖維型號市場上出現了長時間斷貨。
4、 其他
碳纖維在汽車上的應用還有碳纖維傳動軸和電池箱，傳動軸在汽車上是重要安全部件，因此需要較長時間驗證才能上車。目前有寶馬M系列、阿爾法羅密歐Giulia、奔馳SLS AMG、日產GTR35等車型，量還不是很多。而碳纖維電池箱體是近兩年新開發的產品，目前還沒有進入實際的商業化中。
上述的碳纖維應用的幾種流派，各有特點。但汽車是上成熟的、批量化的產業，不僅對產品質量、穩定性有非常高的要求，對成本要求也很高。如果要想，碳纖維在汽車領域取得大的突破，必須實現碳纖維的不可替代性。
碳纖維的特性決定其具有很好的前景，但目前的價格也決定碳纖維要用在“刀刃”，也即要體現碳纖維在汽車上應用的不可替代性，同時逐步提升技術，降低成本。而要實現這種不可替代性，就要實現創新性設計。一種方式是體現功能、結構上的特殊性，另外就是工藝上的先進性。這樣就可能實現碳纖維在汽車上功能性的不可替代性，或者綜合成本上的不可替代性。
所以隨著技術的提升、工藝的成熟，以及創新性的設計，多種工藝的復合，碳纖維及復合材料在汽車上的應用將越來越廣泛，而這又會反過來促進碳纖維成本的降低，將更加激發汽車領域技術人員應用碳纖維及復合材料的欲望。
作者簡介
嚴兵，江蘇澳盛復合材料科技有限公司技術總監，教育部工程教育認證專家，塑料加工工業協會專家組成員，復合材料學會會員，江蘇復合材料學會常務理事，蘇州大學產業導師。多年從事纖維、粉體增強的高分子基復合材料的研發、生產的技術工作，開發了多項產品投入市場，創造良好的經濟效益，在科學期刊發表論文20多篇，申請多項，其中20多項已經授權。
