碳纤维复材在电池包壳体的应用现状

使用轻质材料来降低汽车质量已成为实现新能源汽车轻量化的重要途径之一。

随着材料领域的不断发展，玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等多种轻量化的纤维复合材料开始应用在新能源汽车领域。

低密度、高强度、耐腐蚀、耐疲劳的碳纤维复合材料是汽车领域应用最为广泛的高性能纤维复合材料，在汽车众多系统部位都有着大量应用，比如：车体的车门、车顶等；发动机系统中的推杆、摇杆、水泵叶轮；传动系统中的传动轴、离合器叶片；底盘系统中的车底框架、悬置件、弹簧片等。

随着新能源汽车的快速发展，其电池的安全储存问题一直是研究关注的热点，电动汽车电池包壳体是目前新能源汽车能量储存的主流方式，优点众多的碳纤维复合材料在此领域也开始崭露头角。

一、碳纤维简介

碳纤维一般不会直接使用，通常作为增强体，与树脂基体、金属基体、陶瓷基体等结合形成碳纤维复合材料。图1为碳纤维布及碳纤维复合材料型材实物图。

碳纤维复材在电池包壳体的应用现状

碳纤维具备以下优点：

①低密度、高强度，密度仅为1.5~2.0g/cm3，相当于轻质铝合金密度的1/2，强度是钢的4~5倍、铝的6~7倍；

②耐高温、耐低温，碳纤维的热弹性系数小，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化，在液氨温度下依然不脆化；

③良好的导电性，25℃时，高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm，高强度碳纤维的比电阻为1500Ω·cm；

④耐酸腐蚀，碳纤维耐浓盐酸、磷酸、硫酸等腐蚀。

按照原丝种类、力学性能、丝束大小可以将碳纤维分成以下几类，具体见表1。

表1 碳纤维的分类

分类方式	种类名称	简介
原丝种类	聚丙烯腈基	成品品质优异，工艺较简单，产品力学性能优良，已成为碳纤维主流
	沥青基	原料来源丰富，碳化收率高；原料调制复杂，产品性能较差；目前规模小
	黏胶基	高耐温性；碳化收率低，技术难度大，设备复杂，成本高；主要用于耐烧蚀材料及隔热材料
丝束大小	小丝束	以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，是宇航级碳纤维
丝束大小	大丝束	48K及以上碳纤维，包括60K、120K、360K和480K等，是工业级碳纤维
力学性能	通用性	拉伸强度为1000MPa、模量为100GPa左右
力学性能	高性能型	分为高强型和高模型、超高强型和超高模型

碳纤维通常作为增强材料使用，因此实际使用中通常按照力学性能进行分类，主要依照拉伸强度和模量进行分类，高强型的强度为2000MPa、模量为250GPa，高模型的模量在300GPa以上，超高强型的强度大于4000MPa，超高模型的模量大于450GPa。

二、碳纤维复合材料在汽车领域应用现状

根据欧洲铝协数据，当汽车质量降低10%时，能源使用效率将提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。而对于新能源汽车，100kg的质量减小相应可以增加其续航能力约6%~11%。

轻质高强的碳纤维复合材料在汽车上有着丰富的应用，表2为部分车型应用碳纤维复合材料的情况。

表2 部分车型应用碳纤维复合材料的情况