摘要：电动汽车是当前及未来汽车的发展方向，而电池技术是目前及今后很长时间内电动汽车快速发展的最大障碍。碳纤维复合材料在汽车应用方面具有优越的性能，使用碳纤维复合材料轻量化车身，平衡电池包、电机的重量，是未来的必然选择，在引入方面也做了分析。
关键词：碳纤维复合材料 电动汽车 车身轻量化 续驶里程
视频：
BMW 碳纤维车体零件生产全过程
图1、三种材料疲劳强度
3、碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4～5倍，减轻车身质量的同时，还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能。下面是碳纤维复合材料和其他材料的对比结果。
图2,、能量碰撞吸收对比
碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数目，可以大大提高材料利用率。
（二）碳纤维车身对纯电动汽车续驶里程的影响
纯电动汽车在蓄电池充足电的状态下按一定的行驶工况，能连续行驶的最大里程（km）称为续驶里程。等速法测试续驶里程是在道路上让车辆以固定的速度等速行驶，当蓄电池达到一定放电深度时，车辆驶过的距离（km）即为测量的续驶里程。等速工况续驶里程的计算： 假定纯电动汽车在续驶里程测试过程中以速度 （km/h）等速行驶，当蓄电池总能量为 (单位为kW h)时，纯电动汽车在匀速行驶时的续驶里程s（单位为km）为：
由式2-1表明当选用碳纤维复合材料时G较小，续驶里程s就较大；当车身变轻后，蓄电池的安装空间也会相对变的更加宽裕。
动力电池的容量主要是由纯电动汽车的续驶里程觉得的，故动力电池容量为
由此说明当车身减轻时选择的蓄电池容量也可以相应增大。但是电池数量、车重与安装空间三者之间必然会有一个平衡点。
通过公式可以说明使用碳纤维复合材料减轻车身重量，对于电动汽车续驶里程的增加在理论上是可行的，具有实际的应用价值。
（三）碳纤维复合材料研究现状
碳纤维生产工艺复杂，目前只集中于美国、日本等发达国家生产。其中，日本碳纤维产能占世界总产能的75%，在小丝束碳纤维生产方面占绝对优势；美国产能占14%，在大丝束碳纤维生产方面有较强的科研基础。目前世界上具有规模化生产碳纤维能力的厂家主要有日本的三菱丽阳公司、东邦公司和美国的氰特工业公司(Cytec)、赫氏公司(Hexcel)。
12月，宝马与波音公司展开合作，共同研发碳纤维材料技术。目前，大众也在争取碳纤维技术伙伴，大众旗下的兰博基尼品牌已经与波音达成碳纤维方面的合作。碳纤维复合材料已经成为汽车和航空制造商之间争夺的新阵地。
我国的碳纤维产能较低，产品以小丝束等低档产品为主，T300碳纤维实现了国产化。相比于国际水平，国产碳纤维由于原丝质量等因素制约，产品强度低、均匀性和稳定性较差。此外，我国碳纤维生产企业规模性、缺乏核心竞争力、新技术被国际专利覆盖问题严重。
目前，我国的高性能PAN-CF将实现国产化，中科院山西煤炭研究所、中复神鹰碳纤维工程技术中心的碳纤维也逐渐从研发走向生产。
三、应用现状及效果
碳纤维复合材料具有质轻高强、高模量、减摩耐磨、热导率大、自润滑、耐腐、抗冲击性好、疲劳强度大等优越性。目前我国的电动汽车发展还未与汽车材料的减重结合起来，也只有个别高校研制过CFRP的电动车样车。对于汽车生产商来说，碳纤维复合材料车身还具有集成化、模块化、总装成本低、投资小等优点，避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理成本。
由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料。目前，在赛车和高档跑车之外，碳纤维增强复合材料可以很大程度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统。最重要的是车身，目前车体重量的3/4是钢材，轻量化空间很大，碳纤维复合材料是车身材料的最好选择。这种材料的替换应用同样适用于电动汽车车身，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40 60％,对汽车轻量化具有十分重要的意义,已成为汽车轻量化材料的重要选择。
下面是碳纤维复合材料应用于车身的效果对比。
图3、 通过自家乘用车(内燃机)的CFRP实现阶段轻量化实例
碳纤维增强复合材料可极大减轻车身重量、节省燃料和合金。在航空领域，1kgCFRP可代替3kg铝合金。同时，依靠其强度、刚度和能量吸收率优势，可以极大地降低轻量化带来的汽车安全系数降低的风险。
四、大规模应用的阻碍因素
在技术和价格方面，以上世纪90年代的镁合金为例，由于其价格和技术瓶颈因素当时还作为一种潜在的汽车用材料，而现在，大规模开发和应用的时代已经到来。然而当镁合金供大于求而廉价出口的时候，我国汽车行业却没有做好准备，用量极少，远远落后于国外汽车用料水平。两者的不对称同时制约着两个行业的发展，而在国际应用力水平相当的情况下，这一现象对我国汽车的发展制约很大。
如今碳纤维复合材料也面临这样一个处境，当我们真正开始涉足这一新材料应用于车身领域时，两者的相互推动作用是显然的。碳纤维复合材料与汽车产业结合真正面临的挑战不是满足技术层面的需求，而是在何时、该如何涉足这一领域。对此，我们要了解这样一个事实：碳纤维复合材料早已呈现出供不应求之势，其绝对优越性迫使生产厂家不得不从长远角度考虑它。英国克兰菲尔德大学的研究小组已经找到了大量生产碳纤维车身的方法，生产碳纤维汽车的成本最终可能比现在的金属外壳汽车还低，因为制造商不再需要投资昂贵的压制工具。我们必须加快进军这一领域，着手研发应用，为技术的成熟及市场的开放做好准备。
碳纤维复合材料与汽车完美结合却未欣欣向荣的原因，除了其本身的技术因素外，还有其他因素：
1、 性价比也就是成本是生产商必须考虑的。轻量化的成本在一定程度上会成为后期节能的前期投入，反映在价格上就是整车的价位比较高。
2、 汽车发展和产品环境。金属材料所占的市场及成熟的行业体系是碳纤维复合材料发展的主要障碍。碳纤维复合材料的技术及产品发展周期很难得到汽车投资者的的青睐，况且针对汽车与碳纤维复合材料的规模性生产结合需要一定的前期投资。
3、 供应商的结构和能力。碳纤维复合材料供应商四分五裂，在资源和生产能力上有限，不具设计、生产、实现汽车各种性能要求的系统研发能力。
4、 风险。开辟市场要能够充分应对来自金属材料安全性升级的压力，这需要一定的技术突破，否则轻量化也就失去了它的意义，这是工程师们必须考虑的。
显然，近年来借助软件研发工具进行结构分析、快速成型工艺研究，在一定程度上扫清了碳纤维复合材料与汽车结合的障碍，而最主要的障碍在于工程师。来自汽车设计和制造行业的制造工程师在全新的材料领域套用金属材料的设计依据、公式和安全系数往往遇到困惑；而碳纤维复合材料行业的工程师无法做到在零件设计方面的灵活运用来替代金属材料。
五、引入方式
如何将碳纤维复合材料引入汽车系列产品尤其是电动汽车系列产品是我们必须考虑的关键步骤，要知道，现今的汽车是各种功能型材料的完美组合体。碳纤维复合材料应用于车身的优点显而易见，然而目前成本居高不下；玻璃纤维价格低，技术较为成熟，在性能方面具有较好的断裂应力应变能力，但缺乏刚性。可以考虑将两种材料按适当比例混合成复合材料，综合两种纤维增强复合材料的性能，从而减少碳纤维的用量，降低成本。
尽管全碳纤维方案在当前技术水平下应用于普通汽车存在多重阻力，而且把如此全新的技术引进到白车身技术，并进行规模化生产也有巨大风险，但是这个风险会随着碳纤维复合材料工艺及应用的日趋成熟而降低。碳纤维复合材料在汽车行业的引进结果是一个企业的决策者从少量小型、非关键部件的首次低调引进，应用于汽车系列产品，并使其发展的多个载体不断改进、成熟的最终结果。初次与当前材料竞争要以研发应用与汽车的小规模性结合的模式，使设计者、产品工程师和成本核算部门之间联系更紧密，同时也形成了制造商与供应商的长期合作。需求形成产业，使供应商逐渐融入这个增值链，整个技术研发、产品转化、产业链将会由小规模进入汽车行业的大规模应用中。
六 结论
21世纪是复合材料的时代，选择性能优越的复合材料以满足时代需要是当务之急。而在低碳节能的今天，碳纤维复合材料几乎是目前可用的最能让汽车减重的完美材料，可以极大地解决电动汽车由于电池和动力技术在节能道路上步履维艰的现状，加快电动汽车低碳的步伐。与此同时，使用碳纤维复合材料替代传统的车身材料能很好的减轻车身重量，对汽车轻量化这一课题有着非常重要的实际意义，尤其是在电动汽车上弥补了电池的比能量质的不足，在减轻车身自重的同时增大电池的安装空间，增大了电动汽车的续驶里程，这对目前电动汽车的推广有着非常重要的意义。
随着人们环保意识的提高及环保法律的完善，电动汽车在汽车领域所占的比重将逐渐增加，因此，电动汽车所面临的一些困境都将逐渐被克服以满足当前社会的需要，而电动汽车更加节能化的时代必然会以碳纤维复合材料的逐渐应用拉开序幕，碳纤维复合材料作为未来汽车材料发展的主流，必然会在今后的研发中占据不可替代的位置。碳纤维复合材料性能、寿命、回收都会随着应用而展开研究。我们应该坚信碳纤维复合材料在电动汽车领域的应用是前景光明的！
视频：
碳纤维体验馆宝马BMW i3制造全过程
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