『剖析』轻量化是重头戏 碳纤维复合材料在电动客车的应用研究

电动客车研发的主攻方向是电池、电机、电控，其实这三个方面，零部件厂家才是主角，客车生产厂家是配角。客车厂家自己要做的主要是轻量化工作。

客观地说，大家在这方面也做了不少工作，不少厂家对外发布了许多成果，而大规模推广应用起来的不多。如果要把新材料用到车上来，主要困难是工艺上要解决的问题太多，如果要进行颠覆性工艺改革，推广起来，涉及到方方面面，其阻力是可以想象的。

大家普遍认为，以碳纤维为代表的复合材料对电动客车而言，是很接地气的工程技术方案，但是目前成本过高，客车上推广应用基本处在纸上谈兵的状态。

下面是笔者对电动客车用复合材料推广应用技术路线的研究。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

实际上客车用的复合材料还是比较多了，比如玻璃纤维做玻璃钢前（后）围、芳纶纤维做的蜂窝板等。这里讨论的电动客车用复合材料，主要是指纤维成分的材料，具体是指“碳纤维”为增强材料的零部件和总成件。

采用指纤维成分的工程复合材料的主要意图是，替代金色材料减重、替代木质材料防火，保安全。电动客车用复合材料的主要意图是减重，实现轻量化。

目前车用复合材料主要是内饰件， 如果用玻璃纤维件，做车前围、后围的包覆件，目前出发点，基于美观效果，其减重作用还不突出。随着电动客车的发展，一次持续里程是短板的情况下，客车企业要主动作为，不能被动等待动力电池比能量的提升。客观地讲，动力电池比能量提升的进度还是比较缓慢的。而长途客车一次持续里程，用户满意的基本要求在500公里以上，城市公交一次性持续里程，用户满意的基本要求在300公里以上。站在客车生产企业的角度而言，电动客车用复合材料做内饰件，强化美观性，是远远不够的。当前，推广复合材料应用的抓手是，要用复合材料去轻量化特性，实现承重结构的零部件和机构件。

什么样的复合材料能做承载钢梁等总成件呢？毫无疑问是，“碳纤维”为增强材料做的总成件。为什么是碳纤维呢？碳纤维基本特性有：

碳纤维（carbon fiber）是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。碳纤维材料是开发承载钢梁等总成件的必选项。

客观地说，具体到碳纤维复合材料特性，要求客车厂的工程技术人员掌握到为客车整车、零部件开发设计的水平，是相当困难的或者基本没有可能性。不像不像金属材料，其特性有手册可查。所以说，要用碳纤维复合材料开发客车结构（骨架），困难重重。必须要得到碳纤维复合材料研发公司的工程技术员的积极支持和深度参与。下面中外企业是用碳纤维复合材料开发车型（见图1）和（图2）。

2017年9月美国Proterra一款12m客车（载电660KWh)创下一次充电连续行驶1700Km的世界记录，碳纤维复合材料轻量化技术的应用成为创纪录的核心技术之一，颠覆性的全新设计的复合材料车身和全新设计的整车（图1），其全寿命生命周期其综合成本为同级别燃油车的70%。

图2 是中国企业采用全复材车身（产品通过3C认证），整车（图2）总重量仅为8.5吨，是目前上了工信部新能源车公告同车型中最轻的，其续航里程可达420公里，减重效果体现在3 个方面：

①结构减重：复材车身部件重1755kg，相比金属车身减重1吨，具有良好的保温、降噪性能，优异的耐腐蚀、抗疲劳特性；

②衍生减重：可省去内饰、地板、电池箱及托架等，共计约500kg，续航里程，可达到400km；

③装配线大大简化，减少40%以上整车装配线，固定资产投资可减少30%以上的厂房面积。

强调：中国企业生产的碳纤维的复合材料，在高铁列车上已经得到广泛应用，目前已经可以用碳纤维复合材料生产出承载弹簧，替代板簧。这样一来，纯电动客车轻量化水平，有一个质的提高。

以上中外碳纤维复合材料电动客车的研发成功，表明这种材料技术应用已经成功，但是并不表明，可以在在电动客车研发中可以推广应用这种材料了。认真思考一下，其推广难度是相当大的。主要有：

①用“外柔内刚”特性的碳纤维材料生产出来的总成件（零部件）的功能和技术参数是将由材料配方决定的，即不同的总成件，有特定的材料配方。这对客车厂工程技术员而言是一个挑战，目前客车厂工程技术人员是机械或者电器专业的，而纤维这种复合材料是高分子专业，相差太远。

②用碳纤维这种复合材料做成零部件以后，目前的机械加工设备，会用得很少了。这个材料主要用模具成型的。实际上一台12米客车，有多少不同零部件，就要多少个模具配套。实际研发中，零部件外形结构变化较快，如果批量太少，要开发太多的模具，这不现实。

③碳纤维材料与钢材规格特性不一样。目前客车用的金属材料规格（特性）基本稳定，尤其的板材和型材，规格基本标准化。碳纤维“外柔内刚”特性说明，他的规格不便于标准化，生产出来的零部件的质量保障体系，如何建立？目前没有经验可以借鉴。

一句话，如果12米纯电动客车全部用碳纤维材料，必须予以系统地、正向设计，这对目前已经成熟、成型的设计体系，这是一个颠覆。颠覆是一种严重的破坏行为，这对客车企业而言，是不能接受的。

①碳纤维材料是汽车，尤其是纯电动汽车用料的必然趋势。目前是大家认识不到位，随时间推移，一定会有越来越来愈多的整车厂家和零部件厂家会采用这种复合材料。目前采用金属材料（钢铁或者合金铝）设计和加工汽车零部件和总成件技术，最终被颠覆是不可避免的。

②纯电动客车（零部件）厂要迎难而上，组织工程技术人员，学习碳纤维材料成型有关技术，认识到采用碳纤维材料是客车轻量化的主攻方向，介于越早越主动。电动汽车一次持续里程只有能燃油汽车具有可比性，才可以说，纯电动汽车可以超越燃油汽车了。提高出电动汽车一次持续里程，整车和零部件厂可以挖潜空间比较大的。具体地说，是轻量化；再细化，就是碳纤维材料的推广与应用了；

③碳纤维材料技术目前基本掌握在中央企业手上，基础研究基本完成。目前推广应用不起来，是因为客车产量不高，而零部件规格多，而模具成本过高，其材料成本比玻璃钢的材料高出太多；

④碳纤维材料供应厂家，要打开市场，要提高推广应用规模。建议其，当前是要进行市场培育，比如说，与客车厂家联手，开发通用零部件，提供开发模具支持，验证零部件的可行性，减少客车厂家采用新技术风险等，叫整车厂尝到甜头；

⑤碳纤维材料供应厂家，要公开技术专利，供整车（零部件）厂免费 使用，市场培育是要有花费的，碳纤维材料供应厂家眼睛要盯住“材料”供应上即可；

一句话，碳纤维材料供应厂家与客车整车厂家，谁也离不开谁。“先有蛋，还是先有鸡”总是困惑人们对新技术推广应用。笔者理解，碳纤维材料推广应用的主动权在上游材料厂家，如果碳纤维材料厂家，顶层设计出来了，在进行产业布局，予以推进，我国汽车界推广应用碳纤维材料一定会打开局面的。

来源：第一电动汽车网

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