纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）由塑料聚合樹脂及增強纖維復合而成，這種復合材料融合了原有材料的特性，力學性能較好，具有抗沖擊性好、耐腐蝕性強、密度低等優點，已經被廣泛應用于航空航天、風力發電、飛機制造等領域。近年來則被不斷推廣應用至汽車行業，助推車身結構的優化及減重，其中，碳纖維復合材料（CFRP）和玻璃纖維復合材料（GFRP）是車身輕量化應用中的兩大主流。

HRC集團位于復合材料研發領域的行業前列，擁有世界先進的復合材料加工成型生產技術，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計和量產。HRC集團技術研究院常務副院長、江蘇亨睿碳纖維科技有限公司總工程師宋東輝博士表示，將碳纖維復合材料與玻璃纖維復合材料用于汽車覆蓋件、結構零部件、座艙輕量化等領域，可以產生非常明顯的減重效果。

宋東輝博士 HRC集團技術研究院常務副院長、江蘇亨睿碳纖維科技有限公司總工程師

宋東輝進一步說明，目前，HRC集團配合主機廠和Tier1分別完成了半包式座椅靠背輕量化、兒童座椅設計兩類項目，均已通過臺架測試，實現減重超過30%。

CFRP/GFRP材料上車 帶來的“遠不止是輕質”

由于密度小于鋼、鋁、鎂等金屬，CFRP/GFRP等復合材料上車，首先達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優異，能給汽車帶來的遠不止“輕質”一種優勢。

圖片來源：HRC集團 官網

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

圖片來源：HRC集團 宋東輝

但是，正由于復合材料的延展率低，受到沖擊時材料會被擠壓破碎，同金屬不同，復合材料的安全性、耐久性同材料厚度和架構都有關系。因此，如何進行材料表征，如何對復合材料進行仿真設計及測試就成為難點。

目前，行業內存在兩種主流方案：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。宋東輝補充，HRC集團進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在整車上的應用主要以結構件、覆蓋件、座艙為主，還可以進一步分為座椅靠背、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 官網

宋東輝介紹，HRC集團已經具備了從小批量、中等產量到大批量的全規模生產能力，擁有從車身傳來路徑拓撲分析、材料表征、全碳纖維車身研發的完整能力，技術全覆蓋的復合材料生產工藝：涉及領域包含熱固到復合注塑熱塑工藝；連續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），在下車體到風擋的整塊區域采用CFRP結構；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。

圖片來源：HRC集團 宋東輝

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

首先，CFRP/GFRP架構極大提升了結構的靈活性和適配性，可以直接安裝在滑板底盤上。同時，HRC集團提供前、中、后分段式乘員艙設計方案，支持電池包安裝于底盤、靠背后端、中通道等不同位置；且分段式架構適合全正向開發，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非常友好。

此外，CFRP/GFRP等復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集團同主機廠、Tier-1合作進行了半包式座椅靠背輕量化、兒童座椅設計兩類項目。在座椅輕量化制造中主要采用了注塑工藝：結合熱塑模壓成型和注塑成型工藝，將熱塑片材進行預熱后，放置到模具里，隨后注塑成型。基于豐富的行業經驗，HRC集團的注塑工藝已形成復合注塑、一次成型、UD局部補強等工藝特征，顯現出自動化、一致性、高產能的生產特點。

圖片來源：HRC集團 宋東輝

整車減重如何追求性價比 HRC集團切入電池殼體、板簧輕量化領域

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）減重性價比遠高于簧上部分。宋東輝表示，在HRC集團同重型卡車生產廠的合作研發的GFRP熱固模壓成型底盤板簧輕量化項目中，以GFRP結合環氧樹脂（Epoxy）作為主材料，對比彈簧鋼達到了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，由于復合材料具備分層失效、斷裂的特性，且碰撞吸能性優異，進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集團較早切入了電池殼體輕量化領域，宋東輝表示，三電系統是電動車的心臟，物理上也給整車帶來了極大的重量負擔。目前，續航里程在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 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，能夠承受機械沖擊，滿足防火、散熱、過流保護、過壓保護、氣密性等特殊要求。對應其特殊性與安全需求，HRC集團研發的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）等不連續的纖維增強復合材料，結合UD補強，進一步提升剛性；內嵌金屬件，采用無膠結架構以減少安全隱患，提升內部連接強度。

宋東輝表示，深耕汽車結構件、覆蓋件輕量化、電池殼體輕量化、座椅輕量化等領域多年，HRC集團已經度過前期的技術投入與研發階段，即將迎來多個成果的收獲期。

（以上內容根據HRC集團技術研究院常務副院長、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表的《復合材料與車身結構的優化及減重》主題演講進行理解和整理。）

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