百事通！CFRP/GFRP助力汽车减重达到极致性价比

纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）由塑料聚合树脂及增强纤维复合而成，这种复合材料融合了原有材料的特性，力学性能较好，具有抗冲击性好、耐腐蚀性强、密度低等优点，已经被广泛应用于航空航天、风力发电、飞机制造等领域。近年来则被不断推广应用至汽车行业，助推车身结构的优化及减重，其中，碳纤维复合材料（CFRP）和玻璃纤维复合材料（GFRP）是车身轻量化应用中的两大主流。

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HRC集团位于复合材料研发领域的行业前列，拥有世界先进的复合材料加工成型生产技术，旗下江苏亨睿碳纤维科技有限公司则致力于汽车碳纤维部件和总成的工程设计和量产。HRC集团技术研究院常务副院长、江苏亨睿碳纤维科技有限公司总工程师宋东辉博士表示，将碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料用于汽车覆盖件、结构零部件、座舱轻量化等领域，可以产生非常明显的减重效果。

宋东辉博士 HRC集团技术研究院常务副院长、江苏亨睿碳纤维科技有限公司总工程师

宋东辉进一步说明，目前，HRC集团配合主机厂和Tier1分别完成了半包式座椅靠背轻量化、儿童座椅设计两类项目，均已通过台架测试，实现减重超过30%。

CFRP/GFRP材料上车 带来的“远不止是轻质”

由于密度小于钢、铝、镁等金属，CFRP/GFRP等复合材料上车，首先达成的是整车减重的效果，直接影响功耗、加速性、制动等性能，这也是CFRP架构多用于赛车的原因。值得注意的是，CFRP/GFRP在碰撞吸能、震动阻尼等其他性能上同样表现优异，能给汽车带来的远不止“轻质”一种优势。

图片来源：HRC集团 官网

宋东辉介绍，相比于金属材料腰鼓型的样片结构，复合材料的样片往往是上下同宽。在静态弯曲实验中，复合材料在失效时呈现出分层断裂的样式。以CFRP为例，虽然是一体成型结构，但材料脆性大，碰撞吸能是钢的6~7倍、铝的3~4倍，可以在受到冲击时吸收大部分能量，对车内乘员起到较好的保护作用。

图片来源：HRC集团 宋东辉

但是，正由于复合材料的延展率低，受到冲击时材料会被挤压破碎，同金属不同，复合材料的安全性、耐久性同材料厚度和架构都有关系。因此，如何进行材料表征，如何对复合材料进行仿真设计及测试就成为难点。

目前，行业内存在两种主流方案：第一种是仿照金属材料的多工况仿真，采用高速拉、高速轧、高速剪切的模式进行；第二种是通过摆锤冲击实验测试材料的冲击韧性。宋东辉补充，HRC集团进行的多工况仿真测试中，相比于同等重量的铝合金，使用CFRP/GFRP材料可以在弯扭刚度上有所提升。

言归正传，目前，CFRP/GFRP在整车上的应用主要以结构件、覆盖件、座舱为主，还可以进一步分为座椅靠背、坐盆、底盘板簧、电池包壳体、高压储氢罐、引擎盖等不同领域，这需要热塑、热固模压；湿法缠绕等多种工艺支持。

图片来源：HRC集团 官网

宋东辉介绍，HRC集团已经具备了从小批量、中等产量到大批量的全规模生产能力，拥有从车身传来路径拓扑分析、材料表征、全碳纤维车身研发的完整能力，技术全覆盖的复合材料生产工艺：涉及领域包含热固到复合注塑热塑工艺；连续纤维到短切纤维工艺；模压、拉挤到缠绕工艺。

座舱轻量化的主流方案及工艺详解

近年来，座椅轻量化逐渐成为整车减重的关键点。以乘员舱轻量化为例，其方案大体可以分为三种：一种是乘员舱局部区域轻量化，比如奥迪R8车型，在中通道延伸至座椅椅背的部分使用CFRP；第二种方案是半乘员舱轻量化，比如阿尔法·罗密欧（Alfa Romeo），在下车体到风挡的整块区域采用CFRP结构；第三种是全乘员舱轻量化，迈凯伦跑车就采用的是CFRP与GFRP的混合架构。

图片来源：HRC集团 宋东辉

宋东辉介绍，车身乘员舱采用CFRP/GFRP架构具备几点明显的优势，尤其契合电动化的未来趋势：

首先，CFRP/GFRP架构极大提升了结构的灵活性和适配性，可以直接安装在滑板底盘上。同时，HRC集团提供前、中、后分段式乘员舱设计方案，支持电池包安装于底盘、靠背后端、中通道等不同位置；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，对于跑车类型的小批量生产非常友好。

此外，CFRP/GFRP等复合材料拥有更高的震动阻尼，也有助于提高NVH性能，改善乘车和驾驶体验。

宋东辉表示，HRC集团同主机厂、Tier-1合作进行了半包式座椅靠背轻量化、儿童座椅设计两类项目。在座椅轻量化制造中主要采用了注塑工艺：结合热塑模压成型和注塑成型工艺，将热塑片材进行预热后，放置到模具里，随后注塑成型。基于丰富的行业经验，HRC集团的注塑工艺已形成复合注塑、一次成型、UD局部补强等工艺特征，显现出自动化、一致性、高产能的生产特点。

图片来源：HRC集团 宋东辉

整车减重如何追求性价比 HRC集团切入电池壳体、板簧轻量化领域

俗话讲“簧下1公斤，簧上10公斤”，意思是簧下部分（板簧悬架及以下的控制臂、卡钳、轮毂等）减重性价比远高于簧上部分。宋东辉表示，在HRC集团同重型卡车生产厂的合作研发的GFRP热固模压成型底盘板簧轻量化项目中，以GFRP结合环氧树脂（Epoxy）作为主材料，对比弹簧钢达到了60%左右的减重效果。

降低底盘重量直接带来了整车超控性、驾驶平顺性的提升。此外，由于复合材料具备分层失效、断裂的特性，且碰撞吸能性优异，进一步提升了重型卡车的安全性。

此外，伴随汽车电动化的整体趋势，HRC集团较早切入了电池壳体轻量化领域，宋东辉表示，三电系统是电动车的心脏，物理上也给整车带来了极大的重量负担。目前，续航里程在600公里左右的电动汽车，一个电池包模组+电池包的重量大致在500~600公斤左右。因此，追求电池壳轻量化也就是追求整车减重的极致性价比。

图片来源：HRC集团 宋东辉

由于电池在安全上的特殊性，电池包需要包含电芯、模块、箱体等部分，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。对应其特殊性与安全需求，HRC集团研发的CFRP/GFRP热塑、热固模压成型电池包壳体轻量化工艺中，使用碳纤维片状模塑料（C-SMC）、玻璃纤维片状模塑料（G-SMC）等不连续的纤维增强复合材料，结合UD补强，进一步提升刚性；内嵌金属件，采用无胶结架构以减少安全隐患，提升内部连接强度。

宋东辉表示，深耕汽车结构件、覆盖件轻量化、电池壳体轻量化、座椅轻量化等领域多年，HRC集团已经度过前期的技术投入与研发阶段，即将迎来多个成果的收获期。

（以上内容根据HRC集团技术研究院常务副院长、江苏亨睿碳纤维科技有限公司总工程师宋东辉博士于2022年8月23日由盖世汽车主办的盖世汽车2022第二届中国车身大会发表的《复合材料与车身结构的优化及减重》主题演讲进行理解和整理。）

关键词： 复合材料