摘 要

汽车轻量化作为解决世界环境问题最有效的途径之一，被各国汽车企业所认可。随着碳纤维技术的不断发展，碳纤维材料在汽车上发挥着越来越重要的作用。根据国内汽车领域的发展现状，分析国内外碳纤维在汽车上的发展趋势，对国内汽车领域碳纤维技术的发展具有重要的理论意义。

本文主要研究了国内外碳纤维材料在汽车领域的发展趋势。首先，结合碳纤维材料的相关概念、发展历程，对碳纤维材料本身进行了系统的介绍，并给出了碳纤维在工业领域的应用和各国碳纤维材料的发展战略。其次，通过欧洲专利局和佰腾网等搜索引擎，搜集国内外碳纤维和汽车领域碳纤维的专利数，在此基础上对国内外碳纤维以及车用碳纤维的研发现状进行对比分析。接着，根据相关应用对车用碳纤维专利进行分类和整理，并结合相关文献和碳纤维材料在汽车上的代表性应用来分析应用现状。最后，根据分析结果总结车用碳纤维材料的发展趋势，并对我国碳纤维材料的发展提出相关建议。

本文的特色在于使用了专利搜索引擎来对碳纤维相关专利进行检索以此来分析碳纤维在汽车领域的发展趋势。

关键词：碳纤维材料；汽车产业；研发现状；应用现状；发展趋势

Abstract

One of the most effective ways to solve the world's environmental problems is the light-weighting of automobiles, which has been recognized by auto companies of various countries. With the continuous development of carbon fiber technology, carbon fiber materials are playing an increasingly important role in automobiles. According to the development status of the domestic automotive industry, the analysis of the development trend of carbon fiber in the automotive industry at home and abroad has important theoretical significance for the development of carbon fiber technology in the domestic automotive industry.

This article mainly studies the development trend of carbon fiber materials in the automotive field at home and abroad. First, combined with the related concepts and development history of carbon fiber materials, the carbon fiber material is systematically introduced, and the application of carbon fiber in the industrial field and the development strategy of carbon fiber materials in various countries are given. Secondly, the number of patents in the carbon fiber and automotive fields at home and abroad were collected through search engines such as the European Patent Office and Pat explorer. Based on this, the current research and development status of carbon fiber and automotive carbon fiber were compared and analyzed. Then, according to the relevant applications, the patents for automotive carbon fibers are classified, and the relevant applications or the representative applications of carbon fiber materials in automobiles were analyzed to study the application status. Finally, according to the analysis results, the development trend of carbon fiber materials for vehicles was summarized, and related suggestions were put forward for the development of carbon fiber materials in China.

This article features the use of a patent search engine to retrieve carbon fiber related patents in order to analyze the development trend of carbon fiber in the automotive field.

Key words: carbon fiber; automobile industry; research status; application statues; development tendency

目 录

摘 要 I

Abstract Ⅱ

第1章 绪 论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究的意义 1

1.3研究的主要内容 2

第2章 碳纤维材料 3

2.1碳纤维材料的概念 3

2.2碳纤维材料的发展 3

2.2.1世界碳纤维材料的发展 3

2.2.2中国碳纤维材料的发展 4

2.3碳纤维材料的应用 5

2.4全球碳纤维发展战略 5

第3章 汽车领域碳纤维研发现状 8

3.1国外汽车领域碳纤维研发现状 8

3.1.1日本 9

3.1.2德国 10

3.1.3美国 11

3.1.4韩国 12

3.1.5英国 13

3.2国内汽车领域碳纤维研发现状 14

3.3国内外车用碳纤维材料研发现状对比分析 15

第4章 汽车领域碳纤维材料的应用现状 18

4.1国外汽车领域碳纤维材料的应用现状 18

4.1.1日本 18

4.1.2德国 19

4.1.3美国 20

4.1.4其他国家 21

4.2国内汽车领域碳纤维材料的应用现状 22

4.3国内外车用碳纤维材料应用现状对比分析 23

第5章 总结与展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景

现代汽车设计有许多要求，例如安全、节能、环保和舒适等。根据初步统计，全球生产的石油中有65%被应用于汽车燃油，对环境产生了巨大的影响，利用先进的科学技术来提升燃油经济性是提升汽车行驶性能和改善全球气候问题的重要解决方式。

（1）轻量化技术是减少污染气体和温室气体排放的最有效工程途径之一

随着尾气排放标准越来越严格，低碳生活渐渐被人民群众所接受，节能减排对于整个汽车行业产生了深远的影响，进而促进了碳纤维材料的研究与相关应用。在汽车轻量化领域，碳纤维材料可以凭借其低密度和高模量等特点成为了汽车轻量化领域最佳的材料选择。近几年的迅猛发展，碳纤维逐渐在车身、高性能刹车片和轮毂、节能轻便的发动机上发挥着越来越大的作用。各国车企也在不断尝试将碳纤维材料引入其新型汽车中，使其成为吸引顾客的闪光点。此外，伴随着新能源汽车的快速发展，将碳纤维材料和新能源汽车进行相关的融合，将进一步带动新能源汽车的发展。因此，在汽车领域，碳纤维对于节省燃油消耗、减少尾气排放和保护环境方面具有巨大的吸引力。

（2）发展车用碳纤维技术是促进国家可持续发展的战略措施

能源问题关系到国家发展，具有重要的意义。目前，我国的能源需求和安全形势十分严峻，我国石油的需求量以2.4%的年平均增长率不断提升，并估计在2030年达到峰值6.9亿吨，已经超过日本并逐渐追赶美国成为世界最大的石油进口国。然而中东部分国家和西方国家对我国的能源供应采取了相关措施来制约国内工业的发展。因此，利用碳纤维的轻量化特点减少汽车的燃油消耗量，进而减少在汽车领域的石油需求量，对我国的工业发展起到了推波助澜的作用。从这个方面来讲，将碳纤维技术引入到汽车中成为国家发展的必由之路。

1.2课题研究的意义

（1）从理论的角度看，虽然国内碳纤维技术的研究与应用起步较晚，但经过政府的要求和各碳纤维生产企业的不懈努力下，已经取得了相关技术的突破，并逐渐发展到各个领域。从早期主要应用于军事、航空航天领域到现在应用于船舶设计、压力容器、公共基础设施、医疗、体育用品和时尚生活用品等十多个主要领域，碳纤维在不断改变着国家工业发展和人们生活的水平。特别在汽车领域，碳纤维与传统的金属材料相比，拥有更好的机械性能和可塑性，具有与汽车零部件需求基本契合的各项物理性质，使之成为新型汽车生产中最理想的材料，能为国产汽车的发展提供推波助澜的作用。因此，通过对各国碳纤维以及汽车领域碳纤维专利进行搜集和整理，研究碳纤维市场，分析各国碳纤维材料的发展情况具有一定的理论及学术价值。

（2）从战略的角度看，碳纤维作为新时代的新型工业材料，将成为未来许多领域发展的主要材料。随着碳纤维相关技术的不断发展，碳纤维在各国工业领域和航空航天领域的应用将会继续增大，碳纤维材料的占比也将不断提升，经过相关统计，预计到2020年碳纤维的需求量将达到15.7万吨，其中在工业领域，年平均增长率将达到14.5%。随着汽车工业的不断发展和轻量化需求下，碳纤维材料变得供不应求，未来汽车工业领域的碳纤维市场估值将继续提升，预计到2020年市场估值达到60亿美元，并有希望在2025年成为全球汽车市场的主流材料^[1]。在这样的背景下，分析国内外汽车领域碳纤维的研究现状和发展应用情况，对国内碳纤维材料和汽车行业的发展具有重要的指导意义。

1.3研究的主要内容

首先，对碳纤维材料进行相关的介绍，主要阐述了碳纤维及其复合材料的概念、种类和相关物理性质。阐述了国内外碳纤维的发展步伐，引出了碳纤维材料在各个领域的应用情况，讨论各国近几年碳纤维材料的发展战略和目标，从而对碳纤维及其发展有更清晰的认识。

其次，通过专利搜索引擎对近八年各国碳纤维专利和汽车领域碳纤维专利数量进行统计，利用所获得的相关专利数绘制图表，分析国内外碳纤维，特别是汽车领域碳纤维的发展现状和趋势，并通过对比得出国内外在碳纤维领域发展的差异性，并根据各国出台的相关政策对碳纤维专利数的变化趋势进行分析，总结各国在碳纤维领域的研究现状，

接着，分别对汽车的零部件进行分类检索，特别在汽车的发动机、车身、底盘和传动机构方面进行检索。由于国外专利检索关键词众多，所以专利查询的数据有一定的偏差，依靠着多个检索引擎不断对数据进行校正，最终得到了在汽车领域具有代表性的零部件专利数据，通过绘制各国碳纤维应用逐年变化图，了解各国汽车领域碳纤维材料的应用趋势，分析各国车用碳纤维应用现状。分别从不同方面对比分析国内外车用碳纤维应用的差异性，总结碳纤维材料在汽车领域的发展趋势。

最后，通过对国内外汽车领域研发现状的对比和碳纤维材料在汽车领域的应用现状分析，总结得出碳纤维在汽车领域的发展方向，为我国汽车领域碳纤维材料的发展提出相关理解，并尝试为研究人员提供新的研究思路，以促进国内汽车领域碳纤维产业的创新与发展。

第2章 碳纤维材料

2.1碳纤维材料的概念

碳纤维CF（Carbon Fiber）是一种新型的含碳量在95%以上的纤维材料，与其他纤维材料相比，碳纤维具有耐腐蚀和抗蠕变振动的特点。这种特殊的材料还具有许多其他优良的性能，如轴向强度和比模量高、传热、导电和热膨胀系数小等特点。碳纤维在其弹性限度内，其抗拉或抗压能力是玻璃纤维的三倍以上^[1]。与传统的钛、钢、铝等传统金属材料相比，碳纤维除具有一般碳素材料优良性能外，还具有显著的各向异性，这使得碳纤维可以被工程师加工成各种形状的纺织物，使得这种新型材料在科学领域得到极大的发展。

由于碳纤维材料的特殊结构，使得这种材料几乎不能直接在各个领域得到直接应用，而是需要经过许多中间步骤与其他材料结合成复合材料才能被使用于工业中。复合材料是指通过将许多不同的材料均匀的混合在一起或是将其中一种材料分散在另一种材料中，从而克服某些材料所具有的缺陷，改善材料的综合性能或是产生具有更加优良性能的新材料。

碳纤维复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维等，但目前世界各国使用最多的为PAN基碳纤维，它可以被分为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维^[2]。碳纤维复合材料是利用碳纤维与树脂、金属等其他作为基体的材料复合而成的新型材料，被广泛的应用于航空航天、国防、汽车及体育用品等诸多领域。在汽车领域，碳纤维复合材料不仅可以利用碳纤维本身优良的特性来提升汽车的性能，除此之外，人们还可以根据汽车发展趋势的需要和要求，改进碳纤维复合材料的密度、强度等特性，并产生出比原材料更加优良的金属或非金属材料^[3]。

2.2碳纤维材料的发展

2.2.1世界碳纤维材料的发展

19世纪80年代，爱迪生和斯旺首次将碳纤维发明问世并成功应用于灯泡的灯丝中，但由于利用钨来制作的灯丝具有成本更加低廉的特点，发光能力与碳纤维相比不分伯仲，也因此没有得到进一步的发展。

在20世纪50年代，美国和苏联进行了剧烈的军备竞赛和太空角逐，为了能战胜苏联获得更强大的军事实力，美国需要在航空航天领域寻求突破。美国空军迫切地需求要一种更加耐热和耐腐蚀的新型材料来制造火箭和航天飞机，在不断的尝试和研究中，发现利用碳元素的特殊结构和碳的3000°C高熔点等特性可以制成性能优良的材料，并着手将该材料应用于航天领域，美国首次将该材料命名为碳纤维^[4]。

日本由于受到二战的影响，正在缓慢地从工业大萧条中走出，并逐渐开始恢复经济秩序。在看到美国在碳纤维领域获得巨大成功后，不甘于落后，开始着手碳纤维的相关研发工作。1961年，日本碳纤维之父近藤昭男首次发表了关于碳纤维的论文，确定了高性能碳纤维材料发展的可能性^[5]。由于当时日本工业正在逐渐恢复中，而且碳纤维技术和工厂设备不够完善，高性能碳纤维并没有获得研究成果。

1963年，英国为了能在航天器的研究上寻求突破，急切的寻找具有高强度的材料。英国皇家航空研究院瓦特对近藤昭男的高性能碳纤维理论产生了浓厚的兴趣，他的研究团队在近藤昭男利用聚丙烯腈来制备碳纤维的试验的基础上，在制备工艺上进行了相关的改进和创新，获得了比近藤昭男性能更加优异的碳纤维材料，并申请了相关技术专利，开启了聚丙烯腈基碳纤维发展的帷幕^[6]。

从70年代开始，碳纤维开始进入人们的生活中，碳纤维的相关产品层出不穷。1972年，奥林匹克钓具公司利用碳纤维制成了比传统钓具减轻一半的碳纤维钓竿；同年，美国Shakespeare公司利用碳纤维制造的轻量化球杆让职业选手G.Brewer获得职业赛的冠军；1975年，日本山崎球拍公司首次实现了网球拍全碳化，使球拍更加轻便和灵活，并提高了击球的容易程度；1976年，美国为了抵抗原油不断上涨的经济战，开始实行飞机轻量化开发计划，T300碳纤维被成功应用于飞机的生产中；1982年，利用碳纤维材料制成的零部件被应用于波音767和空客A310中，并成功实现了首飞，进一步让飞机的重量下降。

2.2.2中国碳纤维材料的发展

从1959年日本发明聚丙烯腈基碳纤维开始，到上世纪70年代西方国家开始实行碳纤维商业化，世界各国都在加紧对碳纤维的研究和应用。

在当时恶劣的国际形势和环境下，中国开始艰难的进行碳纤维的研究。在西方碳纤维技术对中国的高度封锁和国内资源紧张的条件下，碳纤维的发展相当有限。到1975年，张爱萍将军通过联合20多家企业、研究所和高校对碳纤维进行相关技术攻关，成功实现了从无到有的技术突破。尽管初次生产的碳纤维存在许多的缺陷，与西方国家存在巨大的技术差距，但极大地推进了我国碳纤维技术的发展。由于发展缓慢，国内很多碳纤维生产企业开始将目光转向国外的先进生产技术，并希望以此来改变技术落后的局面。

1996年，以西方为代表的33个国家签署了瓦森纳协定，对社会主义国家实行禁运和技术封锁，使得国际上许多先进技术的企业不愿意向中国引进碳纤维技术。上海碳素厂试图从美国引进相关生产设备，但也无情地被美国国防部干涉而无疾而终。技术引进的失败和设备采购的政治壁垒，不仅耗费了大量的资金，而且损失了发展最重要的时间，导致和日本等发达国家的技术差距越来越大。

为了能改变不前进只有落后挨打的困境，以师昌绪为代表的研究学者组成了以聚丙烯腈积碳纤维的发展为目标的课题组，并争取到了宝贵的“十五”计划中的研究经费。随后，碳纤维的项目获得了国家自然科学基金委员会的相关资助，中国碳纤维事业也开始进入了发展时期^[7]。

虽然整整落后了30年才成功地研制出相当于东丽公司的T300碳纤维生产线，但依然对国内碳纤维产业的发展起到了一定的作用，帮助中国度过了碳纤维产业最艰难的时期。近几年来，中国碳纤维产业得到了空前发展，碳纤维产量开始逐年增长并在技术上不断获得突破，T700生产线、T800生产线甚至T1000生产线开始在国内各个企业上实装。不仅打破了国外企业对国内碳纤维的技术封锁，还在不断的努力下追赶上了发达国家的脚步。

2.3碳纤维材料的应用

由于碳纤维具有许多其他材料所无法达到的比强度和比刚度等性能，被广泛的应用于国家发展的方方面面，如航空航天、汽车领域、轨道交通、海洋工程、风力发电和工程机械等领域^[8]。

特别在汽车领域，由于碳纤维所具有的许多优良特性能解决当今汽车发展所面临的许多困难，让碳纤维成为汽车领域发展的中坚力量。例如加入碳纤维材料所制造的车身和底盘可减轻汽车质量40%~60%，仅仅只相当于普通金属材料或合金钢结构质量的1/3~1/6，让汽车重心下移，使汽车获得更好的附着率^[8]；利用碳纤维的耐热性和更高的震动阻尼制成的刹车片能承受2500°C的高温并且不会损坏，拥有优秀的制动稳定性和整车疲劳强度；汽车传动轴需要承受比较大的扭矩，而碳纤维所具有的各向异性、低比模量等特点能解决设计传动轴所遇到的许多障碍，使其拥有更好的耐疲劳能力和耐久性^[9]。

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