能源枯竭和環(huán)境惡化是阻礙可持續(xù)發(fā)展的兩大頑疾，由于節(jié)能減排的迫切要求，電動(dòng)汽車的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到了越來(lái)越多的重視，以美國(guó)、歐洲為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家積極展開(kāi)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐。中國(guó)作為快速崛起的大國(guó)，近年來(lái)汽車銷量急劇增長(zhǎng)，石油需求大幅攀升，快速的工業(yè)化導(dǎo)致環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。在這樣的背景下，中國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，不僅有利于降低對(duì)石油的依賴，保證我國(guó)的能源安全，也有利于我國(guó)的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展?！笆濉逼陂g，國(guó)家科技計(jì)劃將加大力度，持續(xù)支持電動(dòng)汽車科技創(chuàng)新，把科技創(chuàng)新引領(lǐng)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育相結(jié)合，組織實(shí)施電動(dòng)汽車科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃。

       我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但鑒于當(dāng)前電池的能量密度、功率密度較低，導(dǎo)致電動(dòng)汽車實(shí)際續(xù)航里程較短，而想要克服電池發(fā)展的瓶頸還有很長(zhǎng)一段路要走?？紤]到電動(dòng)汽車的整車重量也是影響其續(xù)航里程的主要因素之一，因此除了加快電池、電機(jī)技術(shù)的研發(fā)，電動(dòng)汽車車身輕量化方面的研究工作也應(yīng)重視。

輕量化方向

       電動(dòng)汽車輕量化可以從電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、車用材料和汽車結(jié)構(gòu)四個(gè)方面入手。在當(dāng)前電池和電機(jī)的技術(shù)水平下，最大程度的輕量化要求我們?cè)谲嚿斫Y(jié)構(gòu)，材料的選擇與替代兩個(gè)方面進(jìn)行合理優(yōu)化，以此平衡電池包和電機(jī)的重量。

       1、結(jié)構(gòu)輕量化。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化在滿足諸如車身剛度、模態(tài)、碰撞安全、疲勞壽命等特性的同時(shí)，也必須考慮車身結(jié)構(gòu)的可制造性和生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，我國(guó)已經(jīng)邁出了重要一步，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，優(yōu)化空間正在減小。

       2、材料輕量化。目前仍以高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合。在輕量化趨勢(shì)下，我們應(yīng)當(dāng)深化多種材料組合的應(yīng)用，在優(yōu)化組合的同時(shí)引入新材料，其效益不僅是輕量化結(jié)果本身，對(duì)整車開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)講也是一種進(jìn)步。

       結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展較早的原因之一是未找到合適的輕量化材料替代汽車用鋼。鋁出現(xiàn)后，便以優(yōu)異的性能開(kāi)始應(yīng)用于車身，同時(shí)玻璃纖維伴隨其他復(fù)合材料也開(kāi)始出現(xiàn)。如今，碳纖維憑借其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。當(dāng)前已經(jīng)有憑借碳纖維材料的優(yōu)異特性成功降低車重和碳排放的實(shí)例，尤其在一些新款電動(dòng)車中，人們可以找到碳纖維材料的身影。

應(yīng)用現(xiàn)狀及效果

       國(guó)外電動(dòng)汽車的碳纖維車身技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)。雷克薩斯LFA研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入研發(fā)碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)，由65%的碳纖維增強(qiáng)塑料和35%的鋁合金材料構(gòu)成的車身，比同樣的鋁制車身輕約100 |千克，結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固。寶馬于2011年推出的Hommage全新概念車采用輕量化碳纖維復(fù)合材料，整車質(zhì)量只有780千克。未來(lái)寶馬將要推出的電動(dòng)汽車將更多地采用碳纖維，新電動(dòng)車底盤也將在很大程度上采用碳纖維增強(qiáng)熱固性塑料。梅賽德斯奔馳SLR超級(jí)跑車，車身幾乎全部采用碳纖維復(fù)合材料，由于強(qiáng)化了碳纖維的應(yīng)用，在碰撞中具有高效的能量吸收率。更值得一提的是該車在搭載240千克電池包的情況下整車重量不超過(guò)850千克。這一應(yīng)用在降低整車質(zhì)量的同時(shí)兼顧了汽車性能與安全，可見(jiàn)碳纖維復(fù)合材料對(duì)于平衡電動(dòng)汽車電池包重量的顯著效果。

       碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)、耐磨、熱導(dǎo)率大、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、抗沖擊性好、疲勞強(qiáng)度大等優(yōu)越性。對(duì)于汽車生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料車身還具有集成化、模塊化、總裝成本低、投資小等優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)車身的噴涂過(guò)程和相應(yīng)的環(huán)保處理成本。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，是適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的材料。目前，在賽車和高檔跑車之外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以很大程度地應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車中替代傳統(tǒng)零部件材料，如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)，最重要的是車身。目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大，碳纖維復(fù)合材料是車身輕量化材料很好的選擇。這種材料的替換應(yīng)用同樣適用于電動(dòng)汽車車身，它的應(yīng)用將可大幅度降低汽車自重達(dá)4060％,對(duì)汽車輕量化具有十分重要的意義。

大規(guī)模應(yīng)用的阻礙因素

       碳纖維復(fù)合材料與汽車完美結(jié)合卻未欣欣向榮的原因，除了其本身的技術(shù)因素外，還有其他因素：

       1、性價(jià)比，也就是成本是生產(chǎn)商必須考慮的。輕量化的成本在一定程度上會(huì)成為后期節(jié)能的前期投入，反映在價(jià)格上就是整車的價(jià)位比較高。

       2、汽車發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境。金屬材料所占的市場(chǎng)及成熟的行業(yè)體系是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的主要障礙。碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展周期很難得到汽車投資者的青睞，況且針對(duì)汽車與碳纖維復(fù)合材料的規(guī)模性生產(chǎn)結(jié)合需要一定的前期投資。

       3、供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)和能力。碳纖維復(fù)合材料供應(yīng)商四分五裂，在資源和生產(chǎn)能力上有限，不具備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)汽車各種性能要求的系統(tǒng)研發(fā)能力。

引入方式

       如何將碳纖維復(fù)合材料引入汽車系列產(chǎn)品尤其是電動(dòng)汽車系列產(chǎn)品是我們必須考慮的關(guān)鍵步驟，現(xiàn)今的汽車是各種功能型材料的完美組合體。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車身的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，然而成本居高不下成為制約其在汽車工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

性能優(yōu)秀

      中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司作為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，于2016年1月啟動(dòng)全復(fù)合材料客車車身研發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)組成員與整車企業(yè)中植航電動(dòng)汽車南通有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，首輛全復(fù)合材料車身電動(dòng)客車于同年7月制造完成。該客車車身采用高強(qiáng)度碳纖維與低成本玻璃纖維混合制造，成功實(shí)現(xiàn)了車身輕量化，使得行駛安全性和乘車舒適感有所提升。該客車更具備零排放、無(wú)污染，充電快，電耗低等優(yōu)秀性能。

結(jié)構(gòu)合理

       在設(shè)計(jì)初期確定車身結(jié)構(gòu)方案階段，設(shè)計(jì)人員對(duì)比了三種結(jié)構(gòu)形式：預(yù)成型骨架方案，層合梁骨架方案和無(wú)骨架方案。經(jīng)分析比較，上述三種方案強(qiáng)度水平基本相當(dāng)，有骨架方案具有剛度優(yōu)勢(shì)，但三種方案均能滿足剛度要求。重量方面，三個(gè)方案無(wú)明顯差別，但無(wú)骨架方案在工藝性和成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以最終選定無(wú)骨架車身結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)方案。

控制成本

       選材時(shí)考慮到玻璃纖維價(jià)格低，技術(shù)較為成熟，在性能方面具有較好的斷裂應(yīng)力應(yīng)變能力，但缺乏剛性。于是設(shè)計(jì)人員將碳纖維與玻璃纖維兩種材料按適當(dāng)比例混合，綜合兩種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，從而減少碳纖維的用量，降低生產(chǎn)成本。

       該客車采用真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）工藝制造而成，目前國(guó)際上復(fù)合材料客車車身基本都采用VARI工藝制造，其最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是制件外觀存在細(xì)節(jié)上的瑕疵。除VARI工藝外，復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)目前比較成熟的制造工藝還包括預(yù)浸料袋壓/熱壓罐、模壓、樹(shù)脂壓鑄（RTM）等，國(guó)外高端轎車采用的工藝主要是RTM和模壓工藝，其優(yōu)點(diǎn)是制件質(zhì)量好，工藝比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是制造成本高，制造技術(shù)要求高。

減重明顯

       由于結(jié)構(gòu)合理、選材得當(dāng)，12米長(zhǎng)的客車總重量?jī)H為8.5噸，相比同級(jí)別車重量降低4~5噸，減重達(dá)30%以上。能夠?qū)崿F(xiàn)2小時(shí)快速充電并且一次充電續(xù)航里程高達(dá)300千米，又因?yàn)檎囍亓繙p輕，使得電池剩余電量在低于25%情況下客車仍可正常行駛。

抗沖擊

       在側(cè)翻試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)側(cè)翻角度達(dá)到49°時(shí)，整車隨即翻倒在地面，所有車窗玻璃破碎，然而車身未出現(xiàn)任何扭曲、撕裂及變形，并且安裝在車頂部近兩噸重的電池及箱體也保持完好無(wú)損。

抗翻滾性

       由于碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量均是高強(qiáng)度鋼和輕質(zhì)鋁合金的數(shù)倍，因此該客車具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗瞬間沖擊能力，其側(cè)傾角可達(dá)38°以上，比國(guó)內(nèi)同類車指標(biāo)優(yōu)化20%以上，具有更好的抗翻滾性。

阻燃隔離

       近兩噸的電池箱體采用世界首創(chuàng)的頂置模式，充分證明車身的高強(qiáng)度性能，同時(shí)由于采用了阻燃技術(shù)，在電池箱體發(fā)生意外燃燒情況下，電池箱與車身乘客區(qū)域隔離，因此不會(huì)危及車內(nèi)乘客。

低地板

       除駕駛員區(qū)，輪艙區(qū)、后設(shè)備艙區(qū)以外，全車選用低地板結(jié)構(gòu)，使得乘客上下車更為方便，地板離地最小距離150厘米，在人性化設(shè)計(jì)方面，更設(shè)有殘疾人上車輔助功能。

爬坡能力

       由于重量減輕，重心降低，使得整車行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)彎慣性等一系列行駛性能得到極大的優(yōu)化和提高，特別是整車爬坡性能，具有28°以上的超強(qiáng)爬坡能力。

       高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料在客車上的成功應(yīng)用，將是客車乃至整個(gè)汽車行業(yè)的一次顛覆性革命，是汽車行業(yè)的又一個(gè)里程碑。這項(xiàng)革命性的技術(shù)在不久的將來(lái)會(huì)為中國(guó)的新能源汽車行業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)碳纖維新型復(fù)合材料客車、商用車發(fā)展的新紀(jì)元。

上海越科新材料股份有限公司成立于2006年，是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)提供商和產(chǎn)品制造商，專注于高性能要求和大型的結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料件的整體解決方案提供，模具設(shè)計(jì)制造，整體流水線總包，原材料供應(yīng)。主要經(jīng)營(yíng)：環(huán)氧體系脫模劑，聚酯體系脫模劑、封孔劑等。