碳纖維復合材料——未來汽車輕量化的主力軍

現(xiàn)在汽車輕量化更多的靠塑料的應(yīng)用而實現(xiàn)，伴隨著塑料復合材料技術(shù)的革新，使得汽車上的部件更輕，同時承壓力更好，非常符合未來汽車的發(fā)展趨勢，而在這其中碳纖維就是未來實現(xiàn)這一目標的重要材料。碳纖維復合材料因其輕質(zhì)、高強等優(yōu)異的綜合性能，在汽車領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文重點從碳纖維及其復合材料的應(yīng)用背景、性能、在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用工藝及關(guān)鍵技術(shù)等方面進行介紹，分析碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢。


三明治夾心結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代的汽車設(shè)計有安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保等4項明確要求。減輕結(jié)構(gòu)重量，從而節(jié)省燃油、減少尾氣排放和環(huán)境污染是汽車設(shè)計的重要發(fā)展方向。汽車結(jié)構(gòu)每減重10%，燃油消耗可節(jié)省7%，大大減少了壽命期內(nèi)的使用成本。若車體減重20%-30%，每車每年CO2排放可減少0.5 T。世界上的各大汽車公司均在制定和執(zhí)行汽車的輕結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略計劃。如BMW（寶馬）等公司明確提出每車要減重100 kg 以上的目標，提高燃油效率，CO2 排放減到7.5 ～ 12g/km 以下，美國進一步提出30 km/L 汽油的里程目標?，F(xiàn)在實現(xiàn)汽車的輕量化更多的靠運用塑料復合材料實現(xiàn)，塑料復合材料價格既便宜，承重力抗壓力又強，還可實現(xiàn)輕量化目標，在這其中，近些年比較新潮的當屬碳纖維，盡管碳纖維的價格比較高，運用還未實現(xiàn)廣泛化，但其在汽車輕量化的道路上無疑已經(jīng)代表了一種趨勢，在很多高檔車如寶馬，等都被成功運用。

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碳纖維制造過程

碳纖維

碳纖維（carbon fiber）是纖維狀的碳素材料，含碳量在90% 以上，它是利用各種有機纖維在惰性氣體中、高溫狀態(tài)下碳化而制得。每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5 至8 微米，24K 以下為小絲束。它比重不到鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7—9倍，在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，是唯一強度不下降的物質(zhì)。碳纖維不僅具有材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。輕質(zhì)、高強、可設(shè)計讓碳纖維成為未來汽車輕量化的重要途徑。

碳纖維復合材料

碳纖維增強樹脂復合材料（CFRP），抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9 倍，抗拉彈性模量為230-430Gpa 亦高于鋼。因此CFRP 的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3) 以上， 而A3 鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3) 左右，其比模量也比鋼高。不僅如此，碳纖維增強復合材料還具有復雜部件的可設(shè)計性、優(yōu)異的減震性能、抗疲勞性能、耐腐蝕性能等，在汽車上將迅速得到廣泛的應(yīng)用。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復合材料減重效果進行研究，結(jié)果表明碳纖維增強聚合物材料車身重172kg，而鋼制車身重量為368kg，減重約50%。

基于量產(chǎn)的碳纖維復合材料零部件制造工藝

1、預浸料袋壓/ 熱壓罐

該工藝是將碳纖維預先被樹脂浸潤，制成半固化態(tài)材料，過程中纖維和樹脂含量是可控的，根據(jù)鋪層設(shè)計和工藝規(guī)范在模具上手工逐層干法鋪貼；制袋密封，使其內(nèi)部處于真空并產(chǎn)生負壓，消除氣泡；送入熱壓罐，在一定的溫度、壓力、時間下固化成型。干法操作，易于施工，環(huán)境友好。成型制品表面精度高，孔隙率低，品質(zhì)高，由于采用熱壓罐加壓固化，層間結(jié)合緊密，機械強度優(yōu)。是航空航天應(yīng)用最廣泛的工藝，適合制造汽車承力結(jié)構(gòu)件如B 柱、縱梁等，其材料需要低溫運輸和儲存。


RTM 工藝流程

2、樹脂傳遞模塑(RTM)

該工藝是將纖維經(jīng)預成型，預編織處理，纖維鋪放可設(shè)計，制品受力合理。預成型纖維體預先鋪放在模具型腔內(nèi)，合模后通過設(shè)備用壓力將樹脂注入模腔，浸潤纖維，固化成型，閉模操作，不污染環(huán)境，采用多模，多工位機械注射模式，生產(chǎn)效率較高。需要樹脂灌注設(shè)備及多套模具，適于中等至大批量生產(chǎn)方式，制品雙面光，尺寸精度高，可做結(jié)構(gòu)復雜零件及鑲件，如汽車地板、車頂、發(fā)動機罩等，是汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛的工藝。

3、手糊成型

該工藝是手工把纖維織物和樹脂交替地鋪層在已被覆好脫模劑和膠衣的模具上，然后用壓輥滾壓壓實脫泡，最后在常溫下固化成型。不需要復雜設(shè)備和模具，投資低；生產(chǎn)技術(shù)容易掌握，產(chǎn)品不受尺寸形狀的限制，適合小批量和大型制件的生產(chǎn)；可與其他材料如金屬、木材及塑料泡沫等同時復合制成一體。生產(chǎn)周期長，工作環(huán)境差，要求手藝嫻熟，適合制作汽車樣件或小批量復雜零部件。



碳纖維復合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用

復合材料在汽車上主要可應(yīng)用于發(fā)動機罩、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤等零部件中。

1、主承載車身結(jié)構(gòu)件

為了確保足夠的安全性能，在主承載車身結(jié)構(gòu)件上汽車廠商通常要選擇強度，剛性及耐沖擊性能均很高的材料用于制作主承力結(jié)構(gòu)件，這時環(huán)氧樹脂碳纖維增強復合材料就成為理想的材料選擇。

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環(huán)氧樹脂碳纖維增強復合材料具有可設(shè)計性，質(zhì)輕高強，耐沖擊，耐腐蝕，抗疲勞, 材料壽命長，此類材料制作的主承載車身結(jié)構(gòu)件，不僅大大提高了汽車的安全性，而且降低了車重，減少了燃油消耗，提高了經(jīng)濟性，另外還改善了美觀性。



2、次承力結(jié)構(gòu)件

次承力結(jié)構(gòu)件主要包括：車門，發(fā)罩，行李艙門，前后杠，翼子板，擾流板等部件，其結(jié)構(gòu)大都為層合實體結(jié)構(gòu)和復合材料三明治夾心結(jié)構(gòu)。



三明治結(jié)構(gòu)特點是面板選用高強度高模量碳纖維復合材料制作，承受較大的彎曲負荷；芯材選用一定剛度和強度的低密度材料如泡沫、蜂窩等，其抗剪切性能突出，可承受較大的沖擊載荷；膠結(jié)層將面板和芯材連接在一起，承受剪切應(yīng)力；由于選用低密度芯材，重量會進一步降低。 123456

應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

碳纖維復合材料想在汽車上推廣，需解決的問題主要有：

設(shè)計能力：
碳纖維復合材料可設(shè)計性強，零部件集成設(shè)計能力、碳纖維復合材料鋪層設(shè)計能力（包括鋪層數(shù)量、角度、層間結(jié)合方式）等都需要大量的經(jīng)驗積累，才能最大限度的發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)勢；

價格降低：
可通過低價位大絲束碳纖維的應(yīng)用及規(guī)?；a(chǎn)，來降低碳纖維價格。隨著各碳纖維廠家紛紛擴產(chǎn)，相信碳纖維價格降低指日可待；

零件加工工序減少：碳纖維通常經(jīng)過編織- 鋪貼- 與樹脂浸潤- 高溫成型，耗費大量勞力且生產(chǎn)效率較低，還需進一步優(yōu)化工藝或研究新的工藝，縮短加工周期；

材料連接：
碳纖維復合材料屬于脆性材料，機械連接會產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成多種形式的失效，需要充分考慮復合材料連接部位的力學分布情況，設(shè)計連接位置及強度，另外碳纖維具有導電性能，與金屬部件連接會產(chǎn)生電化學腐蝕，造成結(jié)構(gòu)失效，需要研究合適的膠接或機械連接材料，達到最好的裝配性能； 本文來自123

材料回收：
碳纖維復合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎進行回收，不環(huán)保而且資源浪費，需要在回收熱固性樹脂的同時，最大限度的保持纖維強度，將碳纖維進行回收利用。

汽車行業(yè)應(yīng)用進展

由于碳纖維制造成本過高，碳纖維增強復合材料在汽車中的應(yīng)用有限，最初僅在一些F1 賽車、超級跑車、小批量車型上有所應(yīng)用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、 GT-R、保時捷911 GT3 承載式車身等。

隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應(yīng)用于高價值民用轎車上。寶馬與德國SGL、日本三菱麗陽成立合資公司，計劃13 年量產(chǎn)i3 采用碳纖維車身，并與波音公司聯(lián)合研究碳纖維循環(huán)利用技術(shù)；通用公司與日本帝人合作開發(fā)熱塑性碳纖維復合材料零部件60s 內(nèi)熱沖壓成型技術(shù)，計劃用于2015 年以后上市的面向普通客戶的主力車型；奔馳與日本東麗成立合資公司，開發(fā)短循環(huán)樹脂遷移模塑(RTM) 技術(shù)，于2012年起為戴姆勒公司轎車提供大批量生產(chǎn)的CFRP 部件；福特與陶氏化學合作，計劃2015 年開始在福特斯新車上采用碳纖維零部件，2020 年起大面積使用，福特表示碳纖最大將能夠減輕340kg 車重。此外，大眾、豐田、日產(chǎn)等也在進行碳纖維零部件的開發(fā)。

總結(jié)

隨著汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復合材料的不斷研究和應(yīng)用，輕質(zhì)、高強的碳纖維復合材料應(yīng)用成本下降，碳纖維復合材料零部件的應(yīng)用會越來越廣泛。預計，到2020 年，碳纖維復合材料將成為汽車零部件輕量化的主流材料。