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)氧樹脂等構成不同性能的碳纖維復合材料，通過不同的成型和加工方式，廣泛應用于航空、軌道交通、汽車、體育、醫(yī)療等多個領域。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品案例，對此進行詳細說明。
應用碳纖維是輕量化的重要途徑
從理論上說，實現輕量化的途徑主要有三種：一是結構輕量化，即通過結構優(yōu)化設計來對汽車的拓撲結構、形狀、尺寸進行改進，在滿足結構強度、剛度、穩(wěn)定性要求的前提下降低汽車結構重量;二是特種加工，主要包括應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進行斷面形狀優(yōu)化設計;三是材料輕量化，采用高強度鋼板和輕質材料(有色合金、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維、高強復合材料等)。
根據業(yè)內的實際情況看，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，碳纖維復合材料都受到一致的熱捧，但是，碳纖維復合材料的原材料價值不菲，再加上加工工藝的技術要求高，其應用成本是傳統(tǒng)金屬材料的數倍，這往往使汽車生產商感到心有余而力不足。
但是碳纖維復合材料應用在輕量化方面的效果實在是太具有吸引力了，以國內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，即便碳纖維復合材料的應用成本較為昂貴，汽車生產方對碳纖維復合材料的使用也還是需求強烈。
輕量化設計決定了碳纖維應用的效率
碳纖維復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，這是由輕量化設計所決定的。輕量化設計必須從全面、整體的角度出發(fā)，必須將材料的輕量化和結構的輕量化結合起來，在汽車研發(fā)的設計階段就要將材料的輕量化思想融入到結構設計中，通過運用有限元分析技術得出各設計參數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出碳纖維應用的最高效率，只有綜合考慮多方面因素所產生的共同效應，將車身結構作為一個整體系統(tǒng)，考慮到各零件之間的拓撲關系、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計開發(fā)中強調以碳纖維的優(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。但由于設計及制造理念的不同，吸能盒裝置形式多樣，這也直接導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。正如無錫威盛新材的市場部楊經理所說：“多年來，威盛新材在面向汽車主機廠的服務中，見證了眾多車企對碳纖維復合材料的探索和應用，從最初的覆蓋件到現在的結構件，越來越多的嘗試正縮小國內汽車與國外汽車在碳纖維復合材料應用方面的差距，相信這也將是國產汽車輕量化發(fā)展的良好契機。”
