碳纤维复合材料在宝马汽车结构中应用：产业链条&宝马i3
具有轻质、高强、耐疲劳等特性的碳纤维复合材料（CFRP）广泛用于汽车工业，可以实现汽车轻量化，而车身的轻量化也可使整车重心下移，提升了汽车操纵稳定性和安全性。
目前在国内虽然已有部分展车实现CFRP在汽车车身局部及一些零部件上的应用，但总体而言尚处于研制阶段。与之相比，国外大型车企如奥迪、宝马在CFRP车身应用已经开展大量验证并实现了应用。
为此，本公众号将针对德国宝马公司在宝马i3、宝马新7系等车型中CFRP应用进行系列化专题论述，而本文首先简要介绍宝马公司CFRP产业链条以及CFRP在宝马i3中的应用。
附：本公众号碳纤维汽车应用原创文章
《碳纤维与汽车轻量化》
《碳纤维在轻量化汽车领域的应用》
《德国SGL汽车领域用碳纤维产业现状》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：关键技术》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：成型加工》
《用于汽车轻量化的碳纤维结构件成型》
《碳纤维助力全球首款远程太阳能汽车》
宝马公司汽车用CFRP生产链条
宝马汽车采用PAN基碳纤维来源于德国SGL公司，宝马公司与SGL合资公司SGL Automotive Carbon Fibres GmbH & Co. KG （德国）和SGL Automotive Carbon Fibers LLC （美国）（两公司合称为SGL ACF）中占股49%，2017年11月宝马公司股份被SGL收购，因此SGL ACF成为SGL的全资子公司；采用的原丝则是由三菱丽阳人造丝和SGL联合公司提供。
从PAN原丝到碳纤维及其织物再到最后车身用复合材料结构件，宝马公司完整生产链条如图1所示。
图1 宝马汽车用CFRP完整链条
在汽车用CFRP领域，国外已经形成稳定协同创新的上下游产业链，车企与碳纤维生产企业的结合对实现碳纤维产业低成本和高质量大有裨益，如本文中宝马公司与德国SGL公司合作。
而其他大型车企与碳纤维生产商合作包括：戴姆勒公司（Daimler）、丰田公司（Toyota）、斯巴鲁（Subaru）公司 与日本东丽（Toray）合作；通用（GM）公司与日本帝人株式会社（Teijin）合作；福特（Ford）公司与陶氏化学（Dow）公司合作等等。
CFRP在宝马i3汽车中的应用
在宝马i3汽车车身总重140kg，其中碳纤维复合材料用量68.5kg，占比接近50%（图2）。
图2 宝马i3汽车车身中材料用量及占比
进一步把4个主要的CFRP零部件进行拆解（图3），包括：
※ 13个RTM一体式零件；
※ 2个带有支撑泡沫芯的RTM编织型材（Flechtprofile）；
※ 19个整体式织物压缩成型零件（Nasspress-Teile）。
图3 宝马i3汽车车身中CFRP零部件组成
CFRP白车身主要通过胶粘方式进行连接，总计约130个结构件。而CFRP零件制造技术和铺层设计要求：
※ 几何形状复杂的组件需要采用RTM技术；
※ 一个RTM零件可满足多预制件零件变化的要求；
※ 大批量生产需要进行外壳设计。
相比较于传统的BMW汽车，宝马i3汽车CO2排放量仅为传统车型30-50%。
图4 宝马i3汽车与传统汽车CO2排放对比
汽车车身中大量采用CFRP不但可以减轻车身重量，增加车体的性能，而且由于更高的强度，可使车体更加结实、坚固，提升汽车安全性。据悉在宝马新一代i3公司却有意向将CFRP车架改回铝合金材质，究其原因是其相对高昂的成本。
与其说是高昂成本，不少专家则归咎于技术问题。图3中经过拆解后汽车CFRP零部件很多，发展一体化零部件并且规模化生产是有效降低生产成本的关键，比如在奥迪公司轻量化发展中，通过一体化成型设计有效降低了零部件数量，并实现了功能集成，有力降低了成本。
碳纤维复合材料在航空领域应用经历了漫长的认证和评定过程。按照美国Boeing公司统计，航空飞机发展周期5-7年，而航空用材料若要获得认证则至少需要8-10年。
航空用材料如此长周期的验证主要有哪些环节？航空用材料认定和性能评定主要包括哪些内容？飞机设计时关注材料的哪些性能？下期文章将结合美国Boeing公司碳纤维复合材料在航空领域验证情况进行解析。