碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用和發(fā)展

王帥，王隆宇，李多，門立忠

（華晨汽車工程研究能量管理室，遼寧 沈陽 110141）

碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用和發(fā)展

王帥，王隆宇，李多，門立忠

（華晨汽車工程研究能量管理室，遼寧 沈陽 110141）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料CFRP與傳統(tǒng)鋼材鋁合金材相比，具有高強度、高模量，從純材料密度角度，可減重30%-50%左右，同時具有相同的承力能力。這一材料體系在汽車上的應(yīng)用發(fā)展源自這一材料體系在民用航空領(lǐng)域的巨大成功。碳纖維復(fù)材本身輕，耐腐蝕，疲勞壽命長，全周期維修成本低，一旦全體系供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈成熟，在輕量化領(lǐng)域，骨架結(jié)構(gòu)承力結(jié)構(gòu)上基本可以替代鋼材和鋁合金。

碳纖維復(fù)合材料；發(fā)動機艙蓋；以塑代鋼

CLC NO.:U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-170-03

前言

碳纖維增強基復(fù)合材料是由碳纖維織物增強碳所形成的復(fù)合材料，是目前最先進的復(fù)合材料之一。它以其質(zhì)量輕強度高 、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗腐蝕材料，是其它纖維增強復(fù)合材料所無法比擬的。纖維增強復(fù)合材料具有高強度、高模量，已在航天航空等領(lǐng)域廣泛使用，同時也受到汽車工業(yè)廣泛重視，碳纖維增強復(fù)合材料在汽車方面主要應(yīng)用在車身A柱、B柱、頂蓋橫梁等承重結(jié)構(gòu)，外覆蓋件如發(fā)動機艙蓋、頂蓋和翼子板等部位。

圖1 碳纖維復(fù)合材料在整車上的應(yīng)用

本文針對國內(nèi)汽車企業(yè)的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用，重點分析碳纖維在整車上的應(yīng)用。

1 碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢

碳纖維增強復(fù)合材料的特性主要表現(xiàn)在力學(xué)性能、熱物理性能、熱燒蝕性能、可設(shè)計性和耐沖擊性等幾個方面。

1）具有很高的強度和彈性模量（剛性）。它的比重一般為1.70-1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高溫的結(jié)構(gòu)中，它是最輕的材料；高溫的強度好，在2200oC時可保留室溫強度，強度為1200～7000MPa；有較高的斷裂韌性，抗疲勞性和抗蠕變性；而且拉伸強度和彈性模量高于一般的碳素材料，彈性模量為200～400GPa。纖維取向明顯影響材料的強度，在受力時其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“假塑性效應(yīng)”即在施加載荷初期呈線性關(guān)系，后來變成雙線性關(guān)系，卸載后再加載，曲線仍為線性并可達到原來的載荷水平。

2）熱膨脹系數(shù)小，比熱容高，能儲存大量的熱能，導(dǎo)熱率低，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。

3）耐熱燒蝕的性能好，熱燒蝕性能是在熱流作用下，由于熱化學(xué)和機械過程中引起的固體材料表面損失的現(xiàn)象，通過表層材料的燒蝕帶走大量的熱量,可阻止熱流入材料內(nèi)部。

4）碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計性非常強，可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況，通過調(diào)整纖維的結(jié)構(gòu)及排列制成各向異性和不同厚度的制品，并且可以應(yīng)用夾層結(jié)構(gòu)，提高部件整體剛性，以達到最佳輕量化設(shè)計方案。將碳纖維按照受力方向進行排布，可充分發(fā)揮復(fù)合材料強度的各項異性從而達到節(jié)約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于其各向同性，會出現(xiàn)在滿足最大受力方向的技術(shù)要求之后，另一方向的強度就會過剩的問題。對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計時可選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強材料，而對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可通過選擇合適的原材料來滿足。此外，為使產(chǎn)品成本達到可接受的程度，可適當(dāng)選用低成本材料替換，如不同纖維混合鋪層，在滿足部件性能指標(biāo)的同時節(jié)省材料成本。

5）耐沖擊性碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)的耐沖擊性也良好，以聚合物為基體的碳纖維復(fù)合材料具有一定的粘彈性力學(xué)性能，可以吸收一定的沖擊能量。此外，基體材料和纖維界面上存在微裂紋和局部脫粘現(xiàn)象，碳纖維和基體之間有微小的局部相對運動，同時存在著摩擦力。由于粘彈性和界面摩擦力的作用，使得振動衰減系數(shù)大，因此在車輛受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能量，有利于提高人身安全。

2 某車型碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機艙蓋設(shè)計開發(fā)

2.1 碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機艙蓋設(shè)計性能開發(fā)要求

a）模態(tài)

b）剛度

c）強度

d）抗凹性

圖2 碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機艙蓋設(shè)計

e）抗扭設(shè)計碳纖維發(fā)動機罩蓋的設(shè)計是在鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行的嘗試，首先保證發(fā)動機罩蓋的造型A曲面、密封面、鎖扣安裝點及鉸鏈安裝點等設(shè)計硬點不變，其次以鋼質(zhì)發(fā)動機罩的剛度、模態(tài)及行人保護等性能指標(biāo)作為碳纖維發(fā)動機罩蓋設(shè)計的性能指標(biāo)，從而進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計,選定碳纖維鋪層結(jié)構(gòu)作為發(fā)動機罩蓋主要材料后，首先對碳纖維板進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，以確定發(fā)動機罩的基本結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化目標(biāo)為碳板各區(qū)域的厚度變化。

2.2 等剛度替換，厚度初步定義

Ec——為層合板的等效模量；

Ic——為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩；

E——為原結(jié)構(gòu)材料的模量；

I——為原結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩。

b為橫截面的寬度，h為橫截面的高度（或厚度）。

表1 厚度截面

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)、外雙層板結(jié)構(gòu)，內(nèi)板用變厚度結(jié)構(gòu)鋪覆，安裝點與原金屬結(jié)構(gòu)保持一致，安裝結(jié)構(gòu)以KAS面為基準，根據(jù)厚度變化進行優(yōu)化密封面與金屬結(jié)構(gòu)一致。

圖3 發(fā)動機艙蓋X向結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 發(fā)動機艙蓋Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 發(fā)動機艙蓋Y向尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖6 膠結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4 發(fā)動機成型工藝

目前國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料批產(chǎn)工藝主要有HP-RTM、濕法模壓、Surface-RTM、PCM和SMC等工藝。由于本輪碳纖維復(fù)合材料以搭載測試為主，前期需求量不大，不適合用HP-RTM等成本較高的工藝方式。通過對比工藝采用真空輔助成型，使用玻璃鋼模具，模具成本低且能滿足外觀表面要求。

圖7 碳纖維發(fā)動機蓋工藝

3 碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機艙蓋優(yōu)點

碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機艙蓋優(yōu)點：

a）阻尼較高，較好的隔音性能；

b）剛度較高，提高閥蓋抗凹性；

c）減重50%以上，提高鎖、鉸鏈耐久性；

d）較高的模態(tài)，提高NVH性能；

e）集成化設(shè)計，內(nèi)板可集成加強板，減少零件個數(shù)

f）直接安裝，不需要改線

4 結(jié)論

綜上所述，由于碳纖維具有良好的物理特性及機械性能表現(xiàn)在力學(xué)性能、熱物理性能、熱燒蝕性能、可設(shè)計性和耐沖擊性等，所以碳纖維的應(yīng)用是目前汽車行業(yè)輕量化的重點研究方向之一。

但是目前碳纖維復(fù)合材料的推廣應(yīng)用也存在一定的困難：首先是碳纖維原材料成本較高，大部分的原絲生產(chǎn)都集中在有限的幾個供應(yīng)商；其次碳纖維制品的生產(chǎn)制造技術(shù)具有一定局限性，缺乏快速和大批量連接技術(shù)，生產(chǎn)周期較長，目前還難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；此外碳纖維無法降解，在循環(huán)再利用方面還需研究；最后汽車零部件的工程設(shè)計、試驗方法、分析工具等還不完善。國外各汽車廠商及主要碳纖維原材料供應(yīng)商都在積極開展工程設(shè)計、工藝方案改進等研究開發(fā)工作，以驗證產(chǎn)品設(shè)計、降低成本等為目的，為碳纖維復(fù)合材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用做準備鑒于碳纖維復(fù)合材料在整車輕量化方面的廣闊前景，建議國內(nèi)汽車廠商應(yīng)走自主研發(fā)及同國外有關(guān)企業(yè)合作推進兩條腿走路的方式，為今后包括碳纖維在內(nèi)的復(fù)合材料輕質(zhì)零部件研發(fā)與市場拓展打下良好的基礎(chǔ)。

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[2] 蘭鳳崇,莊良飄,鐘陽等. 乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)研究與實踐［J］.汽車工程,2010,32( 9) : 763-168.

[3] 王宏雁,高衛(wèi)民,潘玲玲等．輕質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)動機罩設(shè)計研究［J］．同濟大學(xué)學(xué)報, 2006,34( 8) : 33-35.

[4] 蔣鼎豐.復(fù)合材料與汽車［J］．汽車與配件,2009,35( 28) : 46-47. [5] 陳紹杰. 先進復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用-講座.2010.

Research on China VI evaporative emission of pollutants

Wang Shuai, Wang longyu, Li Duo, Men Lizhong
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Carbon fiber reinforced plastics(CFRP) has the advantages of higher strength and modulus than conventional materials such as steel and aluminium alloy, which will reduce weight by 30% to 50% under the same strength from the point of density in purely. Application and development of CFRP to vehicle benefit from the great success of its application in civil aviation industry. CFRP is light, corrosion resistant, with long endurance life and low maintenance cost during the lifecycle. Once the supply chain and the industry chain in the whole system transform into mature stage, in light weight area, the material of load-bearing structure will be replaced by CFRP.

Carbon fiber reinforced plastics(CFRP); engine hood; steel to plastic

U465

A

1671-7988 (2017)15-170-03

王帥，就職于華晨汽車工程研究院，重量管理工程師，主要從事汽車設(shè)計開發(fā)相關(guān)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.062