近來的各大媒體上，“碳纖維”與“汽車輕量化”這兩個詞常常被聯(lián)系在一起，碳纖維材料是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，其軸向強度和模量高，密度低，無蠕變，熱膨脹系數(shù)小，抗疲勞，耐腐蝕，X射線透過性和電磁屏蔽性強，與環(huán)氧樹脂等構(gòu)成不同性能的碳纖維復(fù)合材料，通過不同的成型和加工方式，廣泛應(yīng)用于航空、軌道交通、汽車、體育、醫(yī)療等多個領(lǐng)域。汽車輕量化則是在保證車體強度、剛度、模態(tài)以及碰撞性能的前提下，盡可能地降低汽車的整體重量，從而提高汽車的動力性和安全性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

那么，碳纖維與汽車輕量化之間具體有何聯(lián)系?下文中，著名碳纖維品牌的編輯就通過幾個碳纖維汽車零部件方面產(chǎn)品案例，對此進行詳細說明。

應(yīng)用碳纖維是輕量化的重要途徑

從理論上說，實現(xiàn)輕量化的途徑主要有三種：一是結(jié)構(gòu)輕量化，即通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來對汽車的拓撲結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸進行改進，在滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性要求的前提下降低汽車結(jié)構(gòu)重量;二是特種加工，主要包括應(yīng)用先進的連接方式和先進的成型方式，在進行材料連接時運用有限元分析技術(shù)進行斷面形狀優(yōu)化設(shè)計;三是材料輕量化，采用高強度鋼板和輕質(zhì)材料(有色合金、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維、高強復(fù)合材料等)。

根據(jù)業(yè)內(nèi)的實際情況看，使用輕量化材料是目前最為常用的減重方式，而在輕量化材料的選擇中，碳纖維復(fù)合材料無疑是最大的熱點，從寶馬、蘭博基尼等高檔車型到近幾年興起的新能源汽車，碳纖維復(fù)合材料都受到一致的熱捧，但是，碳纖維復(fù)合材料的原材料價值不菲，再加上加工工藝的技術(shù)要求高，其應(yīng)用成本是傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)倍，這往往使汽車生產(chǎn)商感到心有余而力不足。

但是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在輕量化方面的效果實在是太具有吸引力了，以國內(nèi)某知名品牌新能源汽車定制的碳纖維動力電池盒為例，采用碳纖維復(fù)合材料制作而成的動力電池盒箱體，該箱體容積約為35L，壁厚2mm，重量僅為2.7kg，比傳統(tǒng)的鋼板箱體至少減重8kg，但是在強度、耐腐蝕性等方面還更勝一籌。有實驗證明，車體重量每減重100kg，每百公里二氧化碳排放至少減少8g，油耗可降低0.3—0.5L，而一個電池箱體材料的替換就能達到減重10千克的效果。與此同時，雖然車身大比例減重，車身各方面的性能以及安全性卻沒有受到影響，因為減重，車輛的操控和動力性能反而得到了明顯的提升。正因為此，即便碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用成本較為昂貴，汽車生產(chǎn)方對碳纖維復(fù)合材料的使用也還是需求強烈。

輕量化設(shè)計決定了碳纖維應(yīng)用的效率

碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中到底能發(fā)揮多大的作用，投入的成本與性能提升是否能成正比，這是由輕量化設(shè)計所決定的。輕量化設(shè)計必須從全面、整體的角度出發(fā)，必須將材料的輕量化和結(jié)構(gòu)的輕量化結(jié)合起來，在汽車研發(fā)的設(shè)計階段就要將材料的輕量化思想融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過運用有限元分析技術(shù)得出各設(shè)計參數(shù)對各部位性能和重量的影響規(guī)律，推斷出可行的輕量化最優(yōu)方案。確定哪些部位、哪些零部件使用碳纖維復(fù)合材料能夠在重量和效果上獲得最大程度的輕量化，并且在成本與價值方面保持平衡，不能依靠在車輛開發(fā)的后期對現(xiàn)有車型車身鈑金件的個別替換。因為，局部單一的減重很難體現(xiàn)出碳纖維應(yīng)用的最高效率，只有綜合考慮多方面因素所產(chǎn)生的共同效應(yīng)，將車身結(jié)構(gòu)作為一個整體系統(tǒng)，考慮到各零件之間的拓撲關(guān)系、截面尺寸、位置、材料強度與厚度對車身各項性能的綜合性作用，才能將碳纖維材料的優(yōu)勢性能充分發(fā)揮出來。

成功案例并不鮮見，有的車企在汽車輕量化設(shè)計開發(fā)中強調(diào)以碳纖維的優(yōu)勢性能提升汽車的安全性，例如，有企業(yè)在充分研究考慮后決定嘗試碳纖維低速吸能盒。

汽車低速吸能盒是汽車保險杠系統(tǒng)中重要的吸能裝置，它安裝在橫梁與車架縱梁之間，屬于一種低速安全保護系統(tǒng)。物體在發(fā)生強烈碰撞時會發(fā)生完全、翹曲和褶皺這三種不同的變形，其中褶皺變形是一種理想的吸能方式。吸能盒作為一種金屬薄壁構(gòu)件，在碰撞時容易發(fā)生褶皺變形，這正好滿足了車輛在低速碰撞時能有效吸收碰撞能量，并盡可能減小撞擊力對車身縱梁的損害。

因此，吸能盒既能提高汽車的被動安全性，又能降低撞擊帶來的維修成本。但由于設(shè)計及制造理念的不同，吸能盒裝置形式多樣，這也直接導(dǎo)致了吸能盒吸收撞擊能量的能力有高有低。

總之，碳纖維雖好，也要看用在哪里、怎么用。它對汽車輕量化的意義需要車企結(jié)合自身發(fā)展的定位，通過與碳纖維零部件制造企業(yè)的深入合作來實現(xiàn)。正如無錫威盛新材的市場部楊經(jīng)理所說：“多年來，威盛新材在面向汽車主機廠的服務(wù)中，見證了眾多車企對碳纖維復(fù)合材料的探索和應(yīng)用，從最初的覆蓋件到現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)件，越來越多的嘗試正縮小國內(nèi)汽車與國外汽車在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用方面的差距，相信這也將是國產(chǎn)汽車輕量化發(fā)展的良好契機。”