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綠色化性能
碳纖維是一種與人造絲、合成纖維絲一樣的纖維狀碳材料，是目前高科技領域中十分重要的新型工業材料，大幅提高汽車的綠色化性能。節約不可再生能源和提高燃料效率的汽車輕量化解決方案正推動碳纖維應用快速增長。輕量化是未來汽車構件的主要發展方向。國際上越來越重視新型車用工程塑料與構件的開發，塑料零件在汽車中的用量迅速上升，發達已將汽車用碳纖維復合材料作為衡量汽車設計和制造水平高低的重要標志，“以塑代鋼”包含新的內涵，“塑”指碳纖維復合的工程塑料。
節能資源化。碳纖維復合材料構件同比純塑料構件輕30~40%，實現汽車減重化的革命，進一步達到節油、節電，降低對不可再生的石油資源的利用。巴西研發出利用甘蔗生產出生物碳纖維，更體現出碳纖維節約不可再生資源的綠色化特性。
安全輕量化。碳纖維復合材料構件同比純塑料構件強度同比鋼件高4~5 倍。常規的純塑料成型加工的汽車保險杠，碰撞性能較弱，實際僅起到包裝裝飾的功能，沒有達到保險的功能，日本車進不了美國市場，主要是安全性能達不到美國標準，而保險杠的強度也是其中主要的原因，據機構檢測，日產車的保險杠的鋼板厚度為1mm，美產車為3mm。碳纖維復合材料成型的保險杠的厚度如為2mm， 強度不低于8mm 后的鋼板，大幅提高了保險杠的安全系數，在高速撞擊下保護乘員安全等眾多方面有著與普通工程塑料、鋼板件無與倫比的優勢。
環保人性化。碳纖維復合材料構件質輕、轉動慣量小，有效降低噪聲級減少震動阻尼，提高乘員的舒適度。
車型個性化。碳纖維復合材料實現汽車外罩的個性化設計，進一步迎合市場的個性化需求。
清潔壽命化。碳纖維復合材料具有強度高、模量高、耐高溫、抗蠕變、耐疲勞性好等優點，易實現自潤滑的性能，在某些運動構件中，可少用或不用潤滑油，有效降低環境污染、實現清潔運行。自潤滑意味著提高汽車的使用壽命，減少對資源的利用。
高分子材料高性能化及應用領域拓展化。工程塑料填充碳纖維后，復合材料除持有原工程塑料性能外，提高了強度和剛度，更有利于以輕量化的特性取代汽車金屬合金結構件，拓展“以塑代鋼” 的應用領域。
汽車領域的發展
碳纖維復合材料在汽車上主要可應用于發動機罩、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤等零部件中。為了確保足夠的安全性能，在主承載車身結構件上汽車廠商通常要選擇強度，剛性及耐沖擊性能均很高的材料用于制造主承力結構件，這時環氧樹脂碳纖維增強復合材料就成為理想的材料選擇。車門、發動機罩、行李艙門、前后保險杠、翼子板、擾流板等次承力結構件，其結構大都為層合實體結構和復合材料三明治夾心結構，面板選用高強度高模量碳纖維復合材料制作， 芯材選用一定剛度和強度的低密度材料如泡沫、蜂窩等，膠結層將面板和芯材連接在一起。
1，由高端汽車向普及型汽車的應用領域發展
碳纖維發展之初由于原料制造成本過高、成型加工技術單一等因素，制約了碳纖維復合材料的應用領域，初僅在一些對性能有極高要求的高端的F1 賽車、超級跑車上小批量車應用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、 GT-R、保時捷911 GT3 承載式車身等。隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟、綠色化環保標準的日趨嚴格，各大主機廠紛紛進行碳纖維復合材料的汽車零部件的開發，如今被廣泛地應用于高價值的普及型民用轎車上，如寶馬、德國SGL 等。
寶馬公司的BMW i3 電動汽車，次在國際上實現碳纖維復合材料車型的量產化，成為了汽車用碳纖維復合材料領域的標桿。LifeDrive 架構的乘員模塊是鋁質車架上安裝碳纖維復合材料乘用艙，諸多套件、車身覆蓋件也是全部采用了碳纖維復合材料制造，整車重量僅為1.25 噸。BMW i3 選擇在公司內生產碳纖維復合材料構件，以降低制造成本，并大力投資于專用技術的開發，在未來10 年里，碳纖維復合材料構件的成本有望下降50%。
沃爾瑪公司新大型18 輪的運輸卡車，采用碳纖維復合材料，燃油效率提高了1 倍，降低了碳排放。主體由一塊長53 英尺的碳纖維面板代替傳統的鋼板件，是汽車重量減少了1814kg，降低了鋼材資源的消耗；碳纖維結構件增加了設計和加工的靈活性，采用凸面結構的碳纖維車頭更符合空氣動力學的原理，并且可增加車載空間。
2，由裝飾件向結構件的應用領域發展
碳纖維復合材料起初僅應用汽車頂蓬和車身的裝飾部件，提高賽車、超級跑車的安全型。碳纖維原材料制造、成型加工技術的科技進步，碳纖維復合材料由貴族化走向大眾化。
2003 款戴姆勒克萊斯勒Dodge Viper 運動車次應用碳纖維復合材料會取代金屬用來制造汽車底盤結構件。德國的知名輪轂制造專家WWHEELSANDWORE 研發的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列，采取兩片式設計，外環為碳纖維材質打造，內轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼的輪轂可減重40% 左右。奔馳、寶馬、奧迪、大眾、本田、日產等公司碳纖維制造汽車座椅加熱墊，熱效率高達96％,并在加熱墊中均勻密布, 保證熱量在座椅加熱區域均勻釋放；碳纖維適宜人體吸收人體的紅外線波長，充分減少駕乘疲勞，增加舒適度。
英國Kahm 公司使用碳纖維復合材料制得的RX-XR 型高級轎車專用車輪，重量僅為6kg，可高速行駛，并可大限度地降低車輪的徑向慣性力。英國DYMAC 公司開發的輕碳纖維/ 鎂車輪由碳纖維輪網和鎂剎車盤兩部分組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。碳纖維制動盤能夠承受2500 ℃的高溫， 而且具有非常優秀的制動穩定性，廣泛用于競賽用汽車上。
插電式大眾XL1 的防滾架采用碳纖維增強復合材料制造。全新福特方程式賽車將采用新型的碳纖維材料單體底盤，從而達到其所制定的F3 安全標準。碳纖維復合材料的低密度和高比模量綜合效應，發動機轉速可達到10000r/min。碳纖維復合材料制造的發動機部件和傳動系統部件具有減震吸能和降低噪聲的功能，用其制成的保險杠等防撞系統則具有吸收沖擊能的功能。美國Morison 公司為Dcna 公司生產碳纖維復合材料的汽車傳動軸，把兩件合并成一個傳動軸簡化成單件，與鋼材料相比，可減重60％，供通用汽車公司用。
3，實現汽車由燃油化向清潔能源化領域發展
應用高強度輕量化材料以及先進成型技術，大幅度降低汽車重量，實現汽車電動化、太陽能化、燃氣化。碳纖維復合材料是汽車理想的輕量化的材料。
碳纖維復合材料是太陽能汽車的佳輕量化的制造材料。日本帝人集團的Toho Tena 公司在2010 年聯手Sakai Ovex 公司成功研制出剛性極強的超輕量化的太陽能汽車車用碳纖維材料， 聯合在輕量化汽車設計、復合材料選擇、結構評估等方面優勢顯著的日本帝人集團的GHCraft 公司，聯合打造全新太陽能汽車。國內在研發太陽能汽車領域，未能實現理想的輕量化，進展緩慢， 日本的研發理念值得借鑒。
采用碳纖維復合材料可以在滿足該要求的條件下實現壓力儲罐的輕量化。越來越多的大型公交車和卡車也趨向于采用壓縮天然氣燃料。隨著環保汽車的開發，以氫為燃料的燃料電池汽車已為市場所接受，氫氣儲罐使用碳纖維復合材料材料制作。
美國福特汽車Hummer H2H 越野車也開始使用氫燃料電池，預計2015 年氫燃料電池汽車將會達到一定的市場規模。2020 年日本將有500 萬臺汽車使用燃料電池。
汽車電動化必需實現電池輕量化，輕量化的碳纖維復合材料材料制造的鋰離子電池組的外殼，實現插電式的未來應用的發展趨勢，同時更能提高其鋰離子電池組的壽命周期。
成型加工技術
成型加工技術是將原材料轉化為結構件，碳纖維復合材料在汽車上的應用離不開成型加工技術的發展。不同的成型加工技術對構件的性能會帶來較大的影響。彈性復合材料成型技術發展方向：進一步實現整體成型技術、固化監控、自動化技術及三維復合材料技術，從而同時提高復合材料性能降低制造成本。
◆樹脂傳遞模塑(RTM) 成型加工
早期車用部件的生產采用手糊成型和噴射成型，但手糊和噴射工藝（開模模塑）嚴重污染環境，勞動強度大，制品的質量難以控制，主要用于生產汽車零件中形狀簡單的部件，難以滿足汽車工業化生產和環保的要求。手糊成型是手工把纖維織物和樹脂交替地鋪層在已被覆好脫模劑和膠衣的模具上，然后用壓輥滾壓壓實脫泡，后在常溫下固化成型。生產周期長， 工作環境差，要求手藝嫻熟，適合制作汽車樣件或小批量構件生產。隨著碳纖維復合材料件應用于汽車領域的拓展，手糊成型已不能適應大批量汽車生產及綠色化生產環境的要求。
樹脂傳遞模塑(RTM) 是取代手糊成型的綠色化加工技術， 是上公認的低成本復合材料成型技術，已逐漸取代手糊工藝成為汽車零部件的重要成型方法。該工藝是將纖維經預成型及預編織處理，碳纖維鋪放可按構件的力學要求采取不同的排放型式，鋪放在模具型腔內；合模后，設備用壓力將樹脂注入模腔，浸潤預編織的碳纖維，固化成型。一般采用多模、多工位機械注射模式，生產效率較高，適于批量生產方式。構件表面粗糙度接近于模具型腔粗糙度，尺寸精度高，內應力低，可做結構復雜零件及鑲件，如汽車地板、車頂、發動機罩等。需要樹脂灌注設備及多套模具。
為適于高質量鋪放，一般采用立式合模機構，上模為單模注射，下模為多個移動模。以雙模二工位為例，注射結束，移出放有構件的下模，實現制品冷卻；同時移入另一放有碳纖維預編織件的下模至注射工位，實現注塑。適用于小批量、多品種的汽車結構件，如發動機水箱、隔熱罩、發動機罩等。Schuler 公司36000kN 壓力的RTM 成型設備，1 個上模、2 個下模的雙工位， 合模面3.6×2.4m，1mm/s 的定位速度，4m 對角線合模面上0.05mm 的平行度，上模的閉合的高速度1000mm/s，氣缸驅動下模雙工位滑座的移動，位于四個臺角的伺服氣缸調整滑座的與上模的平行度，以達到可靠的抽真空的實現。
樹脂傳遞模塑(RTM) 在成型過程中，按設計要求可用模具先形成所需形狀，再固化成型，所制結構件不但整體性好，而且減少了零部件的數量及接頭等緊固件，節省了原材料、工時和模具費用，降低了制造成本，縮短了生產周期。
◆ SMC 成型加工技術
SMC 經常被用作模壓復合材料制品的半成品。SMC 成型工藝是將碳纖維片材按制品尺寸、形狀及厚度等要求裁剪，然后將多層片材疊合后放入金屬模具中進行加熱、加壓成型的方法。該工藝成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩定性好，適于大批量生產，性價比較高。SMC 工藝的成功開發和機械化模壓技術的應用使復合材料在汽車工業上的用量年增長率達到25%。SMC 已被廣泛應用于發動機罩、導風罩、氣門罩殼、水箱部件、發動機隔音板、加熱蓋板、氣缸蓋、進氣支管、出水口外殼、水泵和燃料泵等汽車制件。
戴姆勒克萊斯勒公司開發的采用重疊加料來“混合”碳纖維和玻纖SMC 材料的技術。在對各種重疊加料安排進行試驗后， 戴姆勒克萊斯勒公司設計了一種結構完善的連接界面，即使一次CF-SMC 加料的末端夾心在兩次CF-SMC 加料的末端之間， 這很像一個舌榫接頭。搭接的長度為4in，尺寸更小，重量減輕6.5lb，同時又使門的凹處的剛度提高了2 倍。采用含有55% 無規則短切碳纖維的乙烯基酯SMC 的2mm 厚度的左右防護板支架，取代了15 ～ 20 個金屬零件，使重量減輕了40 磅，前端的剛度提高了22%。
◆熱壓成型
中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位研制出具有完全自主知識產權的連續碳纖維復合材料快速熱壓成型成套裝備，能夠實現連續碳纖維復合材料汽車部件的自動化制備，效率達到56 件/ 天，并分別采用APA6 及PCBT 熱塑性單體經原位聚合成型制備出大尺寸復合材料汽車底板。該項目突破了碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型關鍵技術，在復合材料體系、熱壓成型工藝、液態成型工藝、設計技術、連接技術以及關鍵裝備等方面取得重要進展。2014 年4 月26 日，通過了由科學院科技發展促進局組織專家對中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位聯合承擔的科學院知識創新工程重要方向項目“碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型技術研究”的現場技術驗收。
◆注塑成型技術
碳纖維復合材料實現注塑成型時碳纖維復合材料的重大科技進步，也是實現某些碳纖維復合材料件低成本批量化、擴大應用范圍的科學發展。
碳纖維復合材料的注塑成型取決于碳纖維復合材料注塑原料的開發。 碳纖維熔點在3000℃左右，本身不可注塑加工， 只有碳纖維填充的塑料才可以注塑加工。碳纖維復合材料中碳纖維作為增強填充物，碳纖維的長度不超過2mm，可用成本較低的大絲束碳纖維，以降低原料成本。注塑碳纖維復合材料的構件，同比玻璃纖維復合材料的重量可降低25%，而強度可提高約2 倍。
注塑碳纖維復合材料按基體塑料的類型分為兩類：
a, 碳纖維增強熱塑性碳纖維復合塑料。以熱塑性塑料為基體、短碳纖維為增強分散質。用碳纖維增強熱塑性塑料近年來發展較快，其特點是：強度與剛性高， 蠕變小，熱穩定性高，線膨脹系數小：減摩耐磨，不損傷磨件，阻尼特性優良。
b, 熱固性碳纖維復合塑料。以熱固性塑料為基體，短碳纖維為增強分散質以碳纖維及其織物為分散質的纖維增強塑料。碳纖維及其織物與環氧、酚醛等樹脂制成的復合材料具有強度高、模量高、密度小、減摩耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、熱膨脹系數小、導熱率大，耐水性好等特點。
美國復合材料生產商RTP 公司成功推出一款新型碳纖維復合熱塑性工程塑料，該復合工程塑料基體由PEEK（聚醚醚銅）、高性能PPA、PPS（聚苯硫醚） 以及PEI（聚醚酰亞胺）多種工程塑料樹脂復合而成，碳纖維的含量為20-40%， 將耐高溫聚合物與纖維增強型材料有機結合，使新一代工程塑料的性能不但具備工程塑料所需的高抗沖擊性的機械性能，還繼承了碳纖維低密度、耐腐蝕、易成型的優良性能。2013 年10 月，帝人公司宣布推出P 系列熱塑性顆粒材料適用于復雜部件的注塑成型。2013 年10 月， 東麗公司宣布推出新的碳纖維增強的聚苯硫醚（PPS）熱塑性注塑顆粒材料，該材料改進了碳纖維和PPS 塑料接觸面的粘結性，提高了抗拉強度，使用該材料制備CFRTP 部件，其抗拉強度與鋁鑄件相當， 質量卻輕了近45%。
1, 高光無痕注塑成型技術在碳纖維成型上的應用
提高碳纖維復合材料注塑構件的表面質量是注塑構件的技術重點。高光無痕模具是一種以高溫蒸汽作為加熱介質， 通過急冷急熱控制系統控制模具溫度。普通的注塑成型技術，成型的碳纖維復合塑料構件的外觀不是很好，而采用高光無痕注塑成型技術，由于模具表面高溫，使成型材料表面結晶比率增加，提高表面效果非常好。
2, 注塑技術的要點
碳纖維可以用于注塑，典型產品是 碳纖維+PPS。碳纖維二次加工比較困難， 比如在成型產品上鉆孔，普通的鉆頭， 鉆幾個孔，鉆頭就磨損了。所以在注塑件設計時要避免二次機加工。此外，與塑料中加玻纖一樣，加碳纖維后注塑機螺桿磨損增大，螺桿壽命有所減短。剪切不要太強，防止破壞碳纖維的長度影響材料性能。碳纖維成型時模具中使用的脫模劑，會使注塑時碳纖與塑料不能粘接，改良碳纖維成型的工藝，在碳纖維成型過程中，不使用脫模劑，使碳纖維復合塑料構件表面成型后無脫模劑殘留。碳纖維復合塑料的流動性下降，在注塑時須相應提高注射溫度。
◆連接技術
碳纖維復合材料屬于脆性材料，機械連接會產生應力集中，造成多種形式的失效，需要充分考慮復合材料連接部位的力學分布情況，設計連接位置及強度。碳纖維具有導電性能，與金屬部件連接會產生電化學腐蝕，造成結構失效， 需要研究合適的膠接或機械連接材料， 達到好的裝配性。研發集熱板熔融、震動熔融、超音波熔融等為一體的加熱和加壓連接法，實現連接部位一體化的同時增加接合部的纖維體積分數，提高強度，避免容易對CFRTP 材料產生結構損傷的鋼焊接技術。
◆新設備及新技術
碳纖維復合材料構件的成型加工新技術新設備新工藝發展發展的主要方向是高速高效化、節材批量化、清潔環保化。開發出碳纖維復合材料構件的批量生產工藝對實現這一目標至關重要。
日本帝人公司正和通用汽車以及其他汽車生產商合作，開發快速批量化生產的碳纖維復合材料部件，且生產周期不到1 分鐘。日本三菱麗陽成立合資公司，采用碳纖維車量產i3 身；通用公司與日本帝人合作開發熱塑性碳纖維復合材料零部件60s 內熱沖壓成型技術，計劃用于2015 年以后上市的面向普通客戶的主力車型； 奔馳與日本東麗成立合資公司，開發短循環樹脂遷移模塑(RTM) 技術，為戴姆勒公司轎車提供大批量生產的CFRP 部件； 福特與陶氏化學合作，計劃2015 年開始在福特斯新車上采用碳纖維零部件，2020 年起大面積使用，福特表示碳纖大將能夠減輕340kg 車重。
澳大利亞公司Quickstep 正在快速跟蹤其一項的噴射樹脂技術的商業化， 該技術可以讓碳纖維復合材料汽車面板在幾分鐘內就快速生產出來，并且成本低， 從模具出來就具有較高的表面質量。德國公司BREYER 發布了一種帶有新的模具技術的間隙浸漬機，這種新技術可以在15 分鐘內生產出CFRP 汽車前箱蓋板。Plasan Carbon Composites 公司是美國唯一的豪華轎車CFRP 車體面板一級供應商， 同時自身擁有可將CFRP 部件的生產成型時間縮短至17 min 的技術。
1，材料的回收利用技術
碳纖維復合材料的回收利用是制約碳纖維復合材料在汽車上大規模應用的一個很大瓶頸。碳纖維復合材料實現回收利用才能在汽車領域的大規模應用。
碳纖維復合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎進行回收，損害環境， 資源浪費。碳纖維復合材料在回收過程中，大限度的保持纖維強度，以提高利用價值。日本NEDO 從2006 年起在日本經濟產業省的資助下進行的題為“碳纖維回收技術的研發示范”項目，利用熱分解法，在高溫常壓下回收復合材料中的碳纖維，使得日本生產商加速了對碳纖維復合材料在汽車領域應用的市場布局，包括碳纖維絲束原材料、復合材料預浸料和注塑顆粒材料在內的產能投入。英國的先進復合材料公司（Umeco 復合材料結構材料公司的一部分）、英國Exel 復合材料公司、NetComposites、Sigmatex、Tilsatec 和利茲大學組成碳纖維復合材料的回收利用的聯合體， 開發回收廢棄碳纖維的技術，將其與聚對苯二甲酸乙二醇酯等樹脂混合， 使碳纖維從制造的全部階段復原，且其開發再生技術處于有代表性的供應鏈中，制備成不同形式的材料，生產的復合材料層合板由重量百分比50% 回收碳纖維及50% 的回收聚對苯二甲酸乙二醇酯制成，與由原始纖維制備的復合材料相比，保持至少90% 拉伸模量，50% 拉伸強度。
2，碳纖維復合材料應用的全套解決方案
碳纖維的類型較多，性能也不一樣，價格相差懸殊；樹脂及塑料的類型更多，性能各有特點。汽車構件的功能、性能也各有特征。為達到經濟地實現碳纖維復合材料構件的大價值，全套解決方案才能實現。全套方案包括：構件設計、碳纖維及其復合材料的開發、成型加工設備及工藝技術、成型構件性能的測試及試驗、構件的后處理及其物流、構件試用及應用的信息收集和分析、制品的回收利用，等等。
日本是上碳纖維開發早、應用成功、應用面廣的，其中主要的經驗是，碳纖維生產企業以自己為價值鏈的聯系紐帶，實現從原絲到下游復合材料一體化的配套生產體制， 組合碳纖維復合材料應用的企業、行業，注重與下游企業合作，共同對碳纖維復合材料“潛在需求”的構件，制定和實施全套解決方案， 推動碳纖維復合材料在汽車領域的應用，不斷開發新的市場，以下游應用帶動上游的發展，是日本碳纖維企業選擇的發展之道。日本碳纖維生產商和歐美的主要汽車生產商紛紛結成聯盟，謀求共同發展。
在參股Plasan Carbon Composites 公司之前，東麗的主要汽車制造商合作對象是日本和歐洲公司，包括豐田、富士重工和德國戴姆勒公司。Plasan Carbon Composites 公司是美國唯一的豪華轎車CFRP 車體面板一級供應商， 同時自身擁有可將CFRP 部件的生產成型時間縮短至17 min 的技術。買入Plasan Carbon Composites 公司股份， 確保了東麗通往美國汽車制造商的分銷渠道，進一步提高其在美國汽車市場的參與度。東邦與美國通用自2011 年起就展開了穩定的合作關系，與東麗一樣，東邦也在歐洲和美國建立了公司和銷售中心，瞄準汽車市場投入大量資金，并出資建立了復合材料應用中心，對未來碳纖維及其CFRP 在汽車上的應用充滿信心。三菱麗陽則與寶馬和西格里集團3 方合作，宣布2014 年寶馬i3 系列純電動車BMW MegacityVehicle 在正式上市，為碳纖維產品在通用汽車領域的商業化普及應用邁出了重要的一步。這款車的市場表現，將在很大程度上決定未來10 年碳纖維復合材料在通用汽車領域的發展方向。
國內碳纖維生產有了很大發展， 缺乏碳纖維復合材料的應用研究，特別是沒有形成碳纖維復合材料的全套解決方案的產業聯盟，影響了產業的發展。
結語
汽車制造業發展很快，但在應用碳纖維復合材料于汽車工業，遠遠落后于日本、歐美等工業發達，形成汽車“大國”，而非“強國”。汽車新一輪的革命， 其中突出的標志是碳纖維復合材料的應用。可以預測，誰引領碳纖維復合材料應用技術，誰就引領汽車的發展方向，誰就有汽車發展的話語權。
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