纖維增強(qiáng)聚合物（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）由塑料聚合樹脂及增強(qiáng)纖維復(fù)合而成，這種復(fù)合材料融合了原有材料的特性，力學(xué)性能較好，具有抗沖擊性好、耐腐蝕性強(qiáng)、密度低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、飛機(jī)制造等領(lǐng)域。近年來則被不斷推廣應(yīng)用至汽車行業(yè)，助推車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及減重，其中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）是車身輕量化應(yīng)用中的兩大主流。

HRC集團(tuán)位于復(fù)合材料研發(fā)領(lǐng)域的行業(yè)前列，擁有世界先進(jìn)的復(fù)合材料加工成型生產(chǎn)技術(shù)，旗下江蘇亨睿碳纖維科技有限公司則致力于汽車碳纖維部件和總成的工程設(shè)計和量產(chǎn)。HRC集團(tuán)技術(shù)研究院常務(wù)副院長、江蘇亨睿碳纖維科技有限公司總工程師宋東輝博士表示，將碳纖維復(fù)合材料與玻璃纖維復(fù)合材料用于汽車覆蓋件、結(jié)構(gòu)零部件、座艙輕量化等領(lǐng)域，可以產(chǎn)生非常明顯的減重效果。

宋東輝博士 HRC集團(tuán)技術(shù)研究院常務(wù)副院長、江蘇亨睿碳纖維科技有限公司總工程師

宋東輝進(jìn)一步說明，目前，HRC集團(tuán)配合主機(jī)廠和Tier1分別完成了半包式座椅靠背輕量化、兒童座椅設(shè)計兩類項目，均已通過臺架測試，實現(xiàn)減重超過30%。

CFRP/GFRP材料上車 帶來的“遠(yuǎn)不止是輕質(zhì)”

由于密度小于鋼、鋁、鎂等金屬，CFRP/GFRP等復(fù)合材料上車，首先達(dá)成的是整車減重的效果，直接影響功耗、加速性、制動等性能，這也是CFRP架構(gòu)多用于賽車的原因。值得注意的是，CFRP/GFRP在碰撞吸能、震動阻尼等其他性能上同樣表現(xiàn)優(yōu)異，能給汽車帶來的遠(yuǎn)不止“輕質(zhì)”一種優(yōu)勢。

圖片來源：HRC集團(tuán) 官網(wǎng)

宋東輝介紹，相比于金屬材料腰鼓型的樣片結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的樣片往往是上下同寬。在靜態(tài)彎曲實驗中，復(fù)合材料在失效時呈現(xiàn)出分層斷裂的樣式。以CFRP為例，雖然是一體成型結(jié)構(gòu)，但材料脆性大，碰撞吸能是鋼的6~7倍、鋁的3~4倍，可以在受到?jīng)_擊時吸收大部分能量，對車內(nèi)乘員起到較好的保護(hù)作用。

圖片來源：HRC集團(tuán) 宋東輝

但是，正由于復(fù)合材料的延展率低，受到?jīng)_擊時材料會被擠壓破碎，同金屬不同，復(fù)合材料的安全性、耐久性同材料厚度和架構(gòu)都有關(guān)系。因此，如何進(jìn)行材料表征，如何對復(fù)合材料進(jìn)行仿真設(shè)計及測試就成為難點。

目前，行業(yè)內(nèi)存在兩種主流方案：第一種是仿照金屬材料的多工況仿真，采用高速拉、高速軋、高速剪切的模式進(jìn)行；第二種是通過擺錘沖擊實驗測試材料的沖擊韌性。宋東輝補(bǔ)充，HRC集團(tuán)進(jìn)行的多工況仿真測試中，相比于同等重量的鋁合金，使用CFRP/GFRP材料可以在彎扭剛度上有所提升。

言歸正傳，目前，CFRP/GFRP在整車上的應(yīng)用主要以結(jié)構(gòu)件、覆蓋件、座艙為主，還可以進(jìn)一步分為座椅靠背、坐盆、底盤板簧、電池包殼體、高壓儲氫罐、引擎蓋等不同領(lǐng)域，這需要熱塑、熱固模壓；濕法纏繞等多種工藝支持。

圖片來源：HRC集團(tuán) 官網(wǎng)

宋東輝介紹，HRC集團(tuán)已經(jīng)具備了從小批量、中等產(chǎn)量到大批量的全規(guī)模生產(chǎn)能力，擁有從車身傳來路徑拓?fù)浞治觥⒉牧媳碚?、全碳纖維車身研發(fā)的完整能力，技術(shù)全覆蓋的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝：涉及領(lǐng)域包含熱固到復(fù)合注塑熱塑工藝；連續(xù)纖維到短切纖維工藝；模壓、拉擠到纏繞工藝。

座艙輕量化的主流方案及工藝詳解

近年來，座椅輕量化逐漸成為整車減重的關(guān)鍵點。以乘員艙輕量化為例，其方案大體可以分為三種：一種是乘員艙局部區(qū)域輕量化，比如奧迪R8車型，在中通道延伸至座椅椅背的部分使用CFRP；第二種方案是半乘員艙輕量化，比如阿爾法·羅密歐（Alfa Romeo），在下車體到風(fēng)擋的整塊區(qū)域采用CFRP結(jié)構(gòu)；第三種是全乘員艙輕量化，邁凱倫跑車就采用的是CFRP與GFRP的混合架構(gòu)。

圖片來源：HRC集團(tuán) 宋東輝

宋東輝介紹，車身乘員艙采用CFRP/GFRP架構(gòu)具備幾點明顯的優(yōu)勢，尤其契合電動化的未來趨勢：

首先，CFRP/GFRP架構(gòu)極大提升了結(jié)構(gòu)的靈活性和適配性，可以直接安裝在滑板底盤上。同時，HRC集團(tuán)提供前、中、后分段式乘員艙設(shè)計方案，支持電池包安裝于底盤、靠背后端、中通道等不同位置；且分段式架構(gòu)適合全正向開發(fā)，也提高了零部件集成的可能性，對于跑車類型的小批量生產(chǎn)非常友好。

此外，CFRP/GFRP等復(fù)合材料擁有更高的震動阻尼，也有助于提高NVH性能，改善乘車和駕駛體驗。

宋東輝表示，HRC集團(tuán)同主機(jī)廠、Tier-1合作進(jìn)行了半包式座椅靠背輕量化、兒童座椅設(shè)計兩類項目。在座椅輕量化制造中主要采用了注塑工藝：結(jié)合熱塑模壓成型和注塑成型工藝，將熱塑片材進(jìn)行預(yù)熱后，放置到模具里，隨后注塑成型。基于豐富的行業(yè)經(jīng)驗，HRC集團(tuán)的注塑工藝已形成復(fù)合注塑、一次成型、UD局部補(bǔ)強(qiáng)等工藝特征，顯現(xiàn)出自動化、一致性、高產(chǎn)能的生產(chǎn)特點。

圖片來源：HRC集團(tuán) 宋東輝

整車減重如何追求性價比 HRC集團(tuán)切入電池殼體、板簧輕量化領(lǐng)域

俗話講“簧下1公斤，簧上10公斤”，意思是簧下部分（板簧懸架及以下的控制臂、卡鉗、輪轂等）減重性價比遠(yuǎn)高于簧上部分。宋東輝表示，在HRC集團(tuán)同重型卡車生產(chǎn)廠的合作研發(fā)的GFRP熱固模壓成型底盤板簧輕量化項目中，以GFRP結(jié)合環(huán)氧樹脂（Epoxy）作為主材料，對比彈簧鋼達(dá)到了60%左右的減重效果。

降低底盤重量直接帶來了整車超控性、駕駛平順性的提升。此外，由于復(fù)合材料具備分層失效、斷裂的特性，且碰撞吸能性優(yōu)異，進(jìn)一步提升了重型卡車的安全性。

此外，伴隨汽車電動化的整體趨勢，HRC集團(tuán)較早切入了電池殼體輕量化領(lǐng)域，宋東輝表示，三電系統(tǒng)是電動車的心臟，物理上也給整車帶來了極大的重量負(fù)擔(dān)。目前，續(xù)航里程在600公里左右的電動汽車，一個電池包模組+電池包的重量大致在500~600公斤左右。因此，追求電池殼輕量化也就是追求整車減重的極致性價比。

圖片來源：HRC集團(tuán) 宋東輝

由于電池在安全上的特殊性，電池包需要包含電芯、模塊、箱體等部分，能夠承受機(jī)械沖擊，滿足防火、散熱、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、氣密性等特殊要求。對應(yīng)其特殊性與安全需求，HRC集團(tuán)研發(fā)的CFRP/GFRP熱塑、熱固模壓成型電池包殼體輕量化工藝中，使用碳纖維片狀模塑料（C-SMC）、玻璃纖維片狀模塑料（G-SMC）等不連續(xù)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，結(jié)合UD補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)一步提升剛性；內(nèi)嵌金屬件，采用無膠結(jié)架構(gòu)以減少安全隱患，提升內(nèi)部連接強(qiáng)度。

宋東輝表示，深耕汽車結(jié)構(gòu)件、覆蓋件輕量化、電池殼體輕量化、座椅輕量化等領(lǐng)域多年，HRC集團(tuán)已經(jīng)度過前期的技術(shù)投入與研發(fā)階段，即將迎來多個成果的收獲期。

（以上內(nèi)容根據(jù)HRC集團(tuán)技術(shù)研究院常務(wù)副院長、江蘇亨睿碳纖維科技有限公司總工程師宋東輝博士于2022年8月23日由蓋世汽車主辦的蓋世汽車2022第二屆中國車身大會發(fā)表的《復(fù)合材料與車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及減重》主題演講進(jìn)行理解和整理。）

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