CFRP/GFRP助力汽车减重达到极致性价比

纤维增强聚合物由塑性聚合物树脂和增强纤维组成这种复合材料结合了原有材料的特点，具有力学性能好，抗冲击性能好，耐腐蚀性强，密度低等优点，已广泛应用于航空航天，风力发电，飞机制造等领域最近几年来被广泛应用于汽车行业，促进汽车车身结构的优化和轻量化其中，碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料是车身轻量化应用的两大主要趋势

HRC集团在复合材料研发领域位于行业前沿，拥有世界先进的复合材料加工成型技术旗下江苏恒瑞碳纤维科技有限公司致力于汽车碳纤维零部件和总成的工程设计和量产HRC技术研究院常务副院长，江苏恒瑞碳纤维科技有限公司总工程师宋东辉博士表示，碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料在汽车面板，结构件，座舱轻量化等领域的应用，可以产生非常明显的减重效果

HRC集团技术研究院常务副院长，江苏恒瑞碳纤维科技有限公司总工程师宋东辉博士。

宋东辉进一步解释说，目前HRC集团已经与OEM和Tier1合作完成了半包座椅靠背轻量化和儿童座椅设计两种项目，都通过了台架试验，实现了30%以上的减重。

CFRP/GFRP材料给汽车带来的不仅仅是重量轻。

由于密度低于钢，铝，镁等金属，CFRP/GFRP等复合材料上了车，首先达到了减轻整车重量的效果，直接影响到功耗，加速，制动等性能这就是为什么CFRP建筑经常被用于赛车值得注意的是，CFRP/GFRP在其他性能方面也很出色，如碰撞能量吸收，振动阻尼等，这给汽车带来的不仅仅是重量轻的优势

据宋东辉介绍，与金属材料的鼓形试样结构相比，复合材料的试样往往是上下同宽在静态弯曲实验中，复合材料破坏时表现为分层断裂以CFRP为例，虽然是一体式结构，但材料较脆，冲击吸能是钢的6~7倍，铝的3~4倍在受到冲击时可以吸收大部分能量，对车内乘员起到较好的保护作用

可是，由于复合材料的低延展性，材料在受到冲击时会被压碎与金属不同，复合材料的安全性和耐久性与材料的厚度和结构有关因此，如何表征材料以及如何模拟复合材料的设计和测试成为一个难点

目前业内主流的方案有两种:第一种是模仿金属材料的多工况模拟，采用高速拉拔，高速轧制，高速剪切的模式，二是用摆锤冲击试验测试材料的冲击韧性宋东辉补充道，在HRC集团进行的多工况模拟试验中，与同重量的铝合金相比，CFRP/GFRP材料的弯曲和扭转刚度可以得到提高

言归正传，目前CFRP/GFRP在整车上的应用主要是结构件，覆盖件和驾驶舱，还可以进一步分为座椅靠背，面盆，底盘板簧，电池组外壳，高压储氢罐，引擎盖等不同领域，这需要热塑性和热固性模塑，湿法卷绕等技术支持

据宋东辉介绍，HRC集团具备从小批量，中产量到大批量的全规模生产能力具备从车身开始的路径拓扑分析，材料表征和全碳纤维车身研发的完整能力，技术覆盖面全的复合材料生产工艺:涉及领域包括热固性到复合注塑热塑性工艺，连续纤维到短切纤维技术，模塑，拉挤和缠绕

座舱轻量化主流方案及工艺详解

最近几年来，座椅减重逐渐成为车辆减重的重点以客室轻量化为例，方案大致分为三种:一种是客室局部区域轻量化，如奥迪R8，采用CFRP，在延伸到座椅靠背的中间通道中，第二种方案是减轻半乘员舱的重量，如阿尔法罗密欧，从下车体到挡风玻璃整个区域采用CFRP结构，第三是全乘客舱的轻量化，迈凯轮跑车采用了CFRP和GFRP的混合架构

宋东辉介绍，车体客室采用CFRP/GFRP架构有几个明显的优势，尤其符合未来电气化的趋势:

首先，CFRP/GFRP架构大大提高了结构的灵活性和适应性，可以直接安装在滑板底盘上同时，HRC集团提供前中后分段客舱设计方案，支持电池组安装在底盘，靠背后端，中间通道等不同位置，并且分段式架构适合全正向开发，也提高了零部件集成的可能性，对跑车的小批量生产非常友好

此外，CFRP/GFRP和其他复合材料具有更高的振动阻尼，这也有助于提高NVH性能和乘坐及驾驶体验。

宋东辉说，HRC集团与OEM和Tier—1合作，开展了半袋座椅靠背轻量化和儿童座椅设计两种项目在座椅的轻量化制造中，主要采用注射成型工艺:将热塑性塑料压缩成型和注射成型工艺相结合，将热塑性塑料片材预热，放入模具中，然后注射成型基于丰富的行业经验，HRC集团的注塑工艺形成了复合注塑，一次成型，UD局部增强等工艺特点，表现出自动化，一致性和高生产率的生产特点

如何降低整车重量，追求性价比HRC集团切入电池壳，板簧轻量化领域。

俗话说簧下1kg，簧上10kg，意思是簧下部分的性价比远高于簧下部分宋东辉说，在HRC集团与重卡厂商联合开发的GFRP热固性成型底盘钢板弹簧轻量化项目中，以GFRP结合环氧树脂为主要材料，与弹簧钢相比，减重效果达到60%左右

减轻底盘重量直接导致车辆超驰性和驾驶舒适性的提高此外，由于复合材料具有分层失效和断裂的特性，冲击能量吸收优异，进一步提高了重型卡车的安全性

此外，伴伴随着汽车电动化的整体趋势，HRC集团更早地切入了轻量化电池壳领域宋东辉说，三电系统是电动车的心脏，物理上给整车带来很大的重量负担目前续航里程在600公里左右的电动车，一个电池组模块+电池组的重量大约在500~600 kg所以追求电池壳轻量化是整车的极致性价比

由于电池安全的特殊性，电池组需要包括电芯，模块，箱体等部件，能够承受机械冲击，满足防火，散热，过流保护，过压保护，气密性等特殊要求与其特殊性和安全性要求相对应，在HRC集团开发的CFRP/GFRP热塑性和热固性模压成型电池组外壳轻量化工艺中，采用了碳纤维片状模塑料，玻璃纤维片状模塑料等不连续纤维增强复合材料，并结合UD增强，进一步增强刚性，嵌入式金属件，采用无粘结结构，减少安全隐患，提高内部连接强度

宋东辉表示，经过多年在汽车结构件，轻量化面板，轻量化电池壳，轻量化座椅等领域的深耕，HRC集团已经度过了前期的技术投入和R&D，即将迎来诸多成果的收获期。