這種材料被稱爲“黑色黃金”，它正在改變新能源汽車行業！
2025 年 7 月 22 日，河南工業大學教授、河南省國際合作實驗室主任吳海宏在 2025 科普中國說·河南場帶來演講《讓汽車“輕裝上陣”——碳纖維複合材料的魅力》。
以下是吳海宏的演講節選：
你有沒有見過碳纖維自行車？騎自行車爬坡時，如果是普通自行車，往往會氣喘吁吁，但如果是碳纖維自行車，騎起來就會非常輕鬆，輕盈如風。爲什麼會有這樣的區別？這種差異的奧祕，就藏在一種被稱爲“黑色黃金”的材料裏——碳纖維複合材料。
碳纖維複合材料不僅是高端自行車的“骨骼”，更是新能源汽車“瘦身”的關鍵，能讓新能源汽車“減重不減質”。這是怎麼做到的？它又是怎麼推動了一場關乎環保與效率的科技革命？接下來讓我們一探究竟！
“黑色黃金”——碳纖維複合材料
碳纖維，是由 90%以上純碳構成的纖維狀材料，碳纖維的直徑在 5μm ~10μm 左右，差不多是一根頭髮絲切成十分之一那麼細。這些比頭髮絲還纖細的“黑線”，是現代工業的“黑色黃金”，蘊含着驚人的力量。當它們與樹脂、金屬或陶瓷等材料結合時，就誕生了性能更強大的碳纖維複合材料——既能減重，又能增強，是航空航天、新能源汽車、體育器材甚至醫療設備的“夢幻材料”。
爲什麼這樣說？一小塊碳纖維複合材料，重量僅相當於同體積鋼鐵的五分之一，卻能承受五倍於普通鋼材的拉力。這意味着，如果用它建造一座跨江大橋，不僅能承載更重的車流，橋樑自身的重量卻只有傳統鋼橋的一個零頭。在新能源汽車領域，碳纖維複合材料的輕量化優勢尤爲突出——新能源汽車車身減重 10%，續航里程可提升 6%~8%。
碳纖維複合材料發展過程。圖片來源於吳海宏PPT
碳纖維的“超能力”
怎麼實現的？
碳纖維複合材料的核心祕密在於其結構。碳原子通過高溫碳化形成石墨晶體，排列成六邊形網狀結構，如同“微觀蜘蛛網”。這種結構賦予材料極高的強度和輕量化特性。例如，一根直徑 5mm 的碳纖維繩可吊起兩輛 SUV，而重量僅相當於一瓶礦泉水。
碳纖維主要由碳元素組成，碳-碳鍵具有很高的鍵能，使得碳纖維具有較高的強度和穩定性。同時，碳原子之間的共價鍵結合緊密，賦予了碳纖維良好的耐高溫、耐腐蝕性能。在微觀層面，碳纖維具有高度取向的微晶結構。這些微晶沿着纖維軸向排列，使得碳纖維在軸向方向上具有很高的強度和模量。就像很多根非常結實的“細絲”整齊地排列在一起，共同承受外力，從而使碳纖維能夠承受較大的拉力而不斷裂。
圖片來源於吳海宏PPT
河南工業大學碳纖維複合材料國際合作實驗室科研團隊利用高精度智能控制技術，將傳統碳纖維進一步深加工成薄如蟬翼的的超薄碳纖維，使碳纖維在樹脂中的分佈更加均勻，與樹脂等基體材料的結合更加緊密，纖維能夠更好地承載載荷，從而顯著提高複合材料的強度、剛度等力學性能。
同時，碳纖維薄紗具有更好的柔韌性和鋪覆性，能夠更容易地適應複雜的模具形狀和成型工藝要求，無論是用於製造曲面結構還是具有特殊形狀的零部件，都能夠更好地貼合模具，減少成型缺陷，提高製品的質量和精度。
碳纖維薄紗在電磁性能方面也有一定優勢。由於纖維分佈均勻，在電磁波傳播過程中，能夠形成較爲均勻的電磁散射結構，對電磁波具有較好的吸收和屏蔽作用。因此，在電子設備、電磁屏蔽等領域有廣泛的應用前景。
碳纖維複合材料
如何改變新能源汽車行業？
碳纖維複合材料正在引領汽車工業的輕量化革命。這種材料的突破性應用體現在三大維度：
首先是車身結構革新，碳纖維的可設計性讓整體式結構取代傳統拼接方式，如寶馬 i3 的 Life-Drive 模塊採用 49.4%碳纖維複合材料，白車身僅重 223kg，實現 50%的減重效果；
其次是製造工藝突破，新型固化技術將生產週期縮短至 2min，支持年產 10 萬件級的大規模量產；
最後是集成化設計創新，通過將多個功能部件整合爲單一碳纖維模塊，既減輕重量又簡化裝配流程。這些技術進步共同推動碳纖維從高端應用走向主流市場，正在重塑汽車製造的底層邏輯。
未來，碳纖維複合材料還將在成本、應用、設計製造、回收利用以及與智能技術融合等方面不斷髮展，推動汽車行業向更輕、更強、更智能、更環保的方向變革。
隨着技術進步，碳纖維的生產成本將逐漸降低，使其價格更具競爭力，從而從高端汽車領域走向更廣泛的市場，讓普通消費者也能享受到其帶來的優勢。目前，碳纖維在汽車上主要應用於關鍵零部件和高端車型的部分結構件，但未來，隨着成本降低和技術成熟，其應用範圍將大幅擴大，不僅會拓展到車身更多部位，實現整體車身結構的碳纖維化，還可能在汽車動力系統、傳動系統等關鍵部件中發揮更大作用，例如碳纖維傳動軸，進一步提升汽車性能和輕量化程度。
在設計與製造方面，未來碳纖維的應用將更加註重一體化創新。一方面，通過材料-結構-性能一體化設計，充分發揮碳纖維可設計性強的特點，實現汽車結構優化和性能最大化。例如，採用混雜纖維結構，將碳纖維與其他纖維混合使用，在保證性能的同時降低成本，並創造獨特的材料性能組合。另一方面，先進的成型技術如高效的液體模塑成型、熱壓成型以及連續纖維 3D 打印技術將不斷髮展，使碳纖維部件的製造更加高效、精確，能夠實現更復雜的結構設計，爲汽車的外觀和功能創新提供更多可能。
圖片來源於吳海宏PPT
同時，隨着環保意識增強和相關政策推動，碳纖維的回收利用將成爲未來汽車行業關注的重點。高效、經濟且環保的回收技術，如化學解聚等新技術將不斷湧現，建立起完善的回收體系，實現碳纖維的循環利用。這不僅可以解決廢舊碳纖維複合材料帶來的環境問題，還能將回收的碳纖維重新應用於汽車製造或其他領域，降低對原始材料的依賴，實現資源的可持續利用。
此外，碳纖維還將與智能技術深度融合，賦予汽車更多功能。例如，開發具有智能感知功能的碳纖維材料，能夠實時監測汽車結構的健康狀況，通過內置傳感器感知應力、溫度等信息，提前發現潛在安全隱患並預警。碳纖維還可能與新能源技術結合，開發具有良好導電性和導熱性的複合材料，用於電動汽車的電池包結構，提高電池安全性和散熱性能，同時減輕車身重量，提升續航里程。
策劃製作
演講人丨吳海宏 河南工業大學教授、河南省國際合作實驗室主任
責編丨楊雅萍、金禹奮
審校丨徐來、張林林
