碳纖維增強熱塑性復合材料在汽車上的應用

專利不僅是對創新知識產權的保護，同時也為行業發展提供客觀的大數據。筆者通過分析比較國內外專利大數據，對當前火熱的碳纖維增強熱塑性復合材料進行分析，梳理總結了碳纖維增強熱塑性復合材料在汽車上的應用。

碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)

先進的碳纖維增強塑料及熱塑性復合材料是近年來國際復合材料領域發展速度最快的高新科技前沿技術之一，是國內外科研部門和材料企業都投入巨資和人力競相開展研究、開發與應用的一種高性能化、綠色環保化的新材料。

通過選擇原材料如碳纖維(CF)、熱塑性樹脂基體(plastics)和添加劑的種類、配比、加工成型方法、含量和碳纖維(單絲和編織物)鋪層數量與方式進行多組份、多相態、多尺度的宏觀與(亞)微觀的復合成形過程(物理過程和化學過程)制備復雜結構與性能的CFRTP新材料，并且可以根據產品要求進行復合材料精細化結構與預定化性能的智能化、自動化、高效化的設計與精密生產制造，從而可使碳纖維復合材料達到不同物理、化學、機械力學和特殊功能，從而使各種CFRTP復合材料制品具有設計自由度大、尺寸穩定、翹曲度低、抗疲勞、抗老化、耐蠕變等顯著優點。CFRTP既可以部分替代價格昂貴的工程塑料和CFRP材料制品，也可以部分替代輕質金屬材料(如鋁鎂合金)。

CFRTP具有：密度低(1.10-1.60g/cm3)、強度高、抗沖擊韌性好、抗疲勞性好，同時又具有可回收再循環使用、加工成型快、制造成本低的突出優異特點。

主要分為三種類型：(1)短切碳纖維(SCF)增強型CFRTP;(2)長碳纖維(LCF)增強型CFRTP;(3)連續碳纖維(CCF)增強型CFRTP，包括單向碳纖維增強熱塑性預浸帶CFRTP、碳纖維多相、多角度的編織物(布)增強型CFRTP。各種類型CFRTP具有不同的機械力學性能和功能特征，并且己經開發與應用于不同領域和行業的各種形式產品或制品。

先進的碳纖維復合材料(包括CFRP和CFRTP)給汽車和零部件制造業帶來突出優勢，可以表現在：

(1)輕量化：汽車輕量化最直接影響的就是節能、加速、制動性能的提升。車重減小10%，油耗降低6~8%，排放降低5~6%，0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短2~7m。

(2)安全性：車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩定性，車輛的運行將更加安全、穩定，具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車行駛的安全性。

(3)舒適度：具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，2秒就能停止，對于整車NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。

(4)可靠性：具有更高的疲勞強度，鋼和鋁疲勞強度是抗拉強度的30-50%，可達70-80%，材料疲勞可靠性有較大提升。

(5)提升車身開發水平：可設計性比金屬強，因此更易于車身開發的“平臺化、模塊化、集成化”。車身及金屬平臺的混合車身結構對于傳統汽車車身結構而言，可以做到大大減少零件種類，減少工裝投入，縮短開發周期。尤其對于新能源汽車企業，車身不僅可以節約沖壓、焊裝生產線及模、夾具的投入，減輕固定資產占資配比，優化企業資產配置結構，而且在市場宣傳上更具影響力。

縱觀奔馳、寶馬、奧迪等高端品牌汽車企業在產品線中的應用布局，可以預見CFRTP新材料在汽車上的應用必然成為未來發展方向。

國內外專利大數據

碳纖維及復合材料產業是戰略性、基礎性的新材料產業，也是國際上高技術競爭的關鍵領域。相對國外發達國家而言，該行業國內的技術落后較大，產業發展整體水平低。

利用合享匯智信息科技incoPat大數據庫平臺(收錄了全球105個國家和地區及組織的1.2億件專利)，檢索出近三十多年來關于碳纖維(CF)增強塑料和熱塑性復合材料(CFRTP)開發及應用的專利成果及原創核心專利影響因素排名發現，世界各國越來越重視CFRTP新材料及產品的研究、開發與應用。

具體表現在：

(1)近年來，申報的CFRTP新材料品種明顯增多，但原創核心專利基本都來自國外，特別是國外企業申請的專利都是最新、最核心、最原創的高技術專利，保護范圍廣泛且全面。

(2)具有“更輕、更強、更環保”的CFRTP輕量化應用的零部件設計、制造技術己經成為國際新材料工業未來發展的一個大趨勢。

國外申報的CFRTP新材料和應用專利更趨向于民用產品，且越來越多，行業應用廣泛。而國內申報的CFRTP新材料專利中，原創核心專利基本沒有，產品應用專利則明顯更少。

從專利大數據的分析和考察中，可以明顯發現，CFRTP和應用核心專利數量最多的是日本東麗株式會社(公司)，約占51-54%;其次是日本三菱麗陽、東邦、帝人公司，約占17-22%;德國的SGL公司、巴斯夫公司等約占12-16%;美國的赫氏公司、氰特公司等約占8-9%;英國和法國公司等約占有4-6%;而中國的大學、中科院所、科技新材料以及企業所占有核心專利數量約占1-3%，應用核心專利更是基本沒有。

總的來看，在CFRTP新材料和應用領域，目前中國產業化仍然屬于落后狀況，必須加大人、財、物的投入，盡快趕上國外發展水平。