傳統(tǒng)汽車面臨降低開發(fā)成本的需求，車身輕量化技術是汽車技術發(fā)展的一個大方向，即便是在新能源動力時代，輕量化技術也是新能源車車身設計所必須考慮的第一要務。

什么是汽車輕量化？

汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結構輕量化設計技術與多種輕量化材料、輕量化制造技術集成應用實現(xiàn)的產品減重但在實現(xiàn)汽車輕量化的同時，一個非常重要的前提是：不能以犧牲車輛安全性和NVH（噪音、振動、平順性）為代價，汽車輕量化必須在預定整車減重目標、整車成本控制目標、安全性目標和NVH控制水平的全面約束下進行。

為什么要汽車輕量化？

首先，車身輕量化是實現(xiàn)整車節(jié)能減排的有效舉措之一。據(jù)研究表明，在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下，乘用車的整備質量每減少10%，燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司統(tǒng)計結果表明，汽車每減重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1公斤。相比于動力技術的提升所帶來的燃油消耗降低，車身輕量化技術的投入相對較少，成效也要更加顯著。要知道在過去的近十年時間里，傳統(tǒng)內燃機技術的提升所帶來的經(jīng)濟性表現(xiàn)的改善也就是在8%左右。

同時，汽車輕量化還有利于汽車安全性能的提升，從理論上說，汽車碰撞時的沖擊能量與汽車的質量成正比。在同等條件下汽車越輕，碰撞時沖擊能量越小，車身結構的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對乘員的保護性能越好、越安全。另外，汽車制動時消耗的能量也與汽車質量成正比，汽車越輕，在以相同初速度剎車時，制動器要消耗的能量就越小，制動減速度就越快，制動距離越短，制動性能就會有明顯改善，汽車主動安全性也會變好。

車用復合材料——CFRP

講到汽車輕量化，就離不開車身材料的輕量化，復合材料作為一種新型的輕量化材料，正日益成為汽車制造業(yè)中的新寵。特別在小批量車型應用領域，它可謂一枝獨秀，成為歐美汽車制造商開發(fā)新車型的首選材料。

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。其中， 碳纖維復合材料（CFRP）因其重量輕，以及具有高強度（是鋼鐵的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果一輛乘用車采用10kg的復合材料，每年新車產量2300萬輛，預計車用復合材料產業(yè)將形成千億元的市場規(guī)模。

由于碳纖維復合材料制造成本過高，碳纖維增強復合材料在汽車中的應用有限，最初僅在一些F1 賽車、超級跑車、小批量車型上有所應用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、GT-R、保時捷911 GT3承載式車身等。但隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應用于高價值民用轎車上。當寶馬i3系列的橫空出世，讓業(yè)界對復合材料刮目相看。寶馬i3電動車不僅在車身鑲板中使用了碳纖維復合材料，還打造了碳纖維材質的車架。

寶馬i3采用的CFRP結構

寶馬i3創(chuàng)新的車體架構由兩部分構成（圖1）：一個部分是由鋁合金材料制成、驅動車輛的Drive模塊，其中集成了驅動系統(tǒng)、底盤、蓄電池、結構功能組件和防碰撞功能組件，另一個部分是碳纖維增強復合材料(CFRP)制成、構成車廂主體的Life 模塊。Life -Drive體系是電動力系統(tǒng)的完美集成。

圖1 Life模塊和Drive模塊

并且，在Life模塊（圖2），我們可以明顯地看到CFRP在整個車身結構件中占到了接近50%。

圖2 Life模塊重量分布圖

寶馬i3在復合材料的創(chuàng)新應用方面，不論是汽車界還是材料屆，都對其贊不絕口。國內很多人都去參觀過寶馬i3的工廠，看到其整個生產線與傳統(tǒng)汽車的生產線很不一樣，車身和車架都是采用碳纖維一次成型。整個生產流程相比以前大大地提高了生產效率，在車身制備中心，相比以前減少了50%的生產前置時間，生產周期小于10分鐘，僅有130個部件，膠結總長為173m，100%的全自動化，100%質量控制，100%標準化機器人，100%自動化過程，且具備靈活的擴充結構。與相似大小和驅動性能的車輛相比，由于整合了一個電子的動力總成，獲得了100%的重量差點補償。

我國CFRP在汽車輕量化應用上遇到的難題

然而，我國在復合材料的創(chuàng)新應用上遠遠落后于歐美日國家，想在汽車上推廣應用還面臨諸多挑戰(zhàn)，主要難題有：

設計能力：碳纖維復合材料可設計性強，零部件集成設計、碳纖維復合材料鋪層設計能力（包括鋪層層數(shù)、角度、方式）等都需要大量的經(jīng)驗積累，才能最大限度的發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)勢；

材料選擇：根據(jù)編織方式的不同（如平紋，斜紋，多軸向），每個牌號的碳纖維織物性能各有差異，因此，在滿足安全性能的前提下，選用何種牌號何種編織方式的碳纖維織物都是需要我們進行大量實驗來決定的；

價格降低：相對于傳統(tǒng)的鋁材，復合材料的成本較高，需通過碳纖維規(guī)?；纳a及應用，來降低碳纖維價格。隨著各碳纖維廠家紛紛擴產，相信碳纖維價格降低指日可待；

零件加工工序：碳纖維通常經(jīng)過編織-鋪貼-與樹脂浸潤-高溫成型，耗費大量勞力且生產效率較低，還需進一步優(yōu)化工藝或研究新的工藝，縮短加工周期；

材料連接：碳纖維復合材料屬于脆性材料，機械連接會產生應力集中，造成多種形式的失效，需要充分考慮復合材料連接部位的力學分布情況，設計連接位置及強度，另外碳纖維具有導電性能，與金屬部件連接會產生電化學腐蝕，造成結構失效，需要研究合適的膠接或機械連接材料，達到最好的裝配性能；

材料回收：碳纖維復合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎進行回收，不環(huán)保而且資源浪費，需要在回收熱固性樹脂的同時，最大限度的保持纖維強度，將碳纖維進行回收利用；

產業(yè)銜接：產、學、研結合不夠緊密，沒有明確定位、合理分工，基礎研究和技術開發(fā)研究的有機銜接不夠.企業(yè)規(guī)模小而分散，輕量化技術開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺.工藝水平落后。

目前在我國汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

但值得慶幸的是，現(xiàn)在國內很多汽車主機廠及研發(fā)單位都在加快汽車產業(yè)技術進步。由中國汽車工程學會牽頭的國家汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，把汽車產業(yè)和學校、科研院所以及上下游集中起來，投資6億，最終研發(fā)出5款輕量化的車型，而且已經(jīng)上市了。

幾款上市的車型，包括一汽的奔騰X80 它整個減重了6%的重量，集成了高強度鋼、鋁合金、以及復合材料等等的一些先進的技術。北汽非常重視汽車輕量化發(fā)展，并成立了董事長帶頭的輕量化領導機構和工作機構，也成立了一批專家隊伍，共同成立了北汽輕量化的工作。 具體的行動計劃就是定了“十三五”期間的一個585的計劃，圍繞5款車型，單車減重不少于80公斤。長安、奇瑞汽車等代表的部分企業(yè)也也已開始聯(lián)手零部件供應商、輕質化材料商以及車企三方都積極投入于汽車輕量化的進程中。

隨著汽車領域對碳纖維復合材料的不斷研究和應用，輕質、高強的碳纖維復合材料應用成本下降，碳纖維復合材料零部件的應用將會越來越廣泛。我們期待這種革命性的變化，相信復合材料在汽車上的應用會是未來的發(fā)展方向。