節(jié)能減排背景下汽車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

解江浩

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 西安 710018）

引言

目前，汽車產(chǎn)量和保有量持續(xù)攀升，對大氣環(huán)境造成了極大的污染，加之油氣資源危機(jī)，使得汽車節(jié)能減排問題日漸凸顯，尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。2018年1月1日起實(shí)行的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》國家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中，氮氧化物、顆粒物排放限值分別比第四階段嚴(yán)格了25%～28%、82%[1]，汽車排放受到高標(biāo)準(zhǔn)的限制，已達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。而2016年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國大氣污染防治法》（主席令第三十一號）第一百一十條也明確規(guī)定：銷售的機(jī)動(dòng)車不符合污染排放標(biāo)準(zhǔn)的，銷售者應(yīng)負(fù)責(zé)修理、更換、退貨，給購買者造成損失的，銷售者應(yīng)當(dāng)賠償損失[2]。面對這一嚴(yán)峻形勢，汽車節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。

汽車輕量化設(shè)計(jì)是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究顯示，汽車質(zhì)量每減輕100 kg，每100 km油耗將減少0.7 L;汽車質(zhì)量每減輕10%，汽車燃油效率將提高5.5%[3]。

碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced poly mer，CFRP）主要由碳纖維絲束和樹脂材料構(gòu)成[4]，融合了碳元素的化學(xué)穩(wěn)定性，抗腐蝕性和耐久性較好，使用周期為普通鋼材的2～3倍，抗拉強(qiáng)度高達(dá)3 500 MPa以上，為鋼材的5倍，在減輕汽車質(zhì)量、增強(qiáng)車身強(qiáng)度、降低燃油消耗率等方面具有明顯的優(yōu)勢，可應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)、變速箱殼體、駕駛艙、內(nèi)外飾構(gòu)件等，是汽車輕量化設(shè)計(jì)與制造的首選材料。但在實(shí)際應(yīng)用中，也面臨著纖維材料和樹脂材料成本過高、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及工藝不成熟等諸多問題，增加了設(shè)計(jì)的成本和風(fēng)險(xiǎn)性，限制了其應(yīng)用的普及性。本文通過對碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢的分析和歸納，探求其在汽車節(jié)能減排中的應(yīng)用價(jià)值。通過剖析其現(xiàn)存的技術(shù)瓶頸，以此為突破口，推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的全方位高效利用。

1 汽車碳纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

汽車輕量化是降低污染、節(jié)約能源的最佳途徑。目前，汽車輕量化主要是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝及材料輕量化等途徑予以實(shí)現(xiàn)，而材料輕量化因?yàn)楣ば蚝啽?、成本較低而成為首選。與高密度鋼、鎂鋁鈦合金等輕質(zhì)材料以及玻璃纖維復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料作為一種碳含量在95%以上的材料，密度僅為1.6 g/cm3。碳纖維密度小，可用于車身覆蓋件、內(nèi)外飾構(gòu)件、動(dòng)力及底盤系統(tǒng)等，覆蓋了車身及大部分零件，可有效降低汽車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[5]。

據(jù)英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析[6]，碳纖維復(fù)合材料比低碳鋼輕50%，比輕質(zhì)鋁合金輕30%。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為鋼的7～9倍，且比模量、比強(qiáng)度、彈性強(qiáng)度等方面均具有無可比擬的優(yōu)勢，如表1所示。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車身及其他零部件中，可使整車質(zhì)量下降35%左右。

表1 碳纖維復(fù)合材料與其他材質(zhì)的性能對比分析

美國能源部DOE等部門和機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示[7]，汽車整體質(zhì)量每下降10%，油耗可降低6%～8%，排放可降低5%～6%。

大眾新推出的采用碳纖維復(fù)合材料車身和零部件的XL1車型，總質(zhì)量只有795 kg，結(jié)合混合動(dòng)力技術(shù)，100 km油耗僅為0.9L，輕型化設(shè)計(jì)帶來的節(jié)能效果明顯[8]。

同時(shí)，基于現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料成型工藝，采用新型模壓和粘結(jié)工藝取代傳統(tǒng)的沖壓和焊接，使得車身結(jié)構(gòu)僅通過粘結(jié)、鉚釘和螺栓聯(lián)接即可完成快速組合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、裝配的集成化，縮減了生產(chǎn)線及模具、夾具的投入，極大地控制了零部件的種類，降低了裝配工序的繁雜性和強(qiáng)度，使得車身結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而大幅度減輕了車身質(zhì)量，提高了節(jié)能減排效能。

2 汽車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的技術(shù)瓶頸

碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中具有巨大的潛在價(jià)值，但目前尚處在研發(fā)和應(yīng)用初期。因技術(shù)的壟斷性以及原材料成本高、溶液紡絲工藝效率低、造價(jià)高等原因，成型工藝不能滿足高效率、規(guī)?；a(chǎn)需求，阻礙了碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

2.1 原材料技術(shù)問題

汽車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用中的最大問題是成本因素，目前，PAN（聚丙烯腈）基碳纖維制作過程是：先經(jīng)過丙烯腈聚合、紡絲等工序加工成為聚丙烯腈纖維或原絲，即“母體”，然后置于200～300℃的預(yù)氧化爐中予以氧化，并在1 000～2 000℃下進(jìn)行碳化[9]，最后完成碳纖維的制作。工序流程如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)流程

制作過程中，“母體”的價(jià)格過高，約占生產(chǎn)成本的45%～60%；且“母體”加工工序繁瑣、效率過低，設(shè)備投資大，占生產(chǎn)成本的20%～35%；碳纖維原絲需與樹脂結(jié)合，制作預(yù)浸料等半成品，再經(jīng)過高溫固化、真空導(dǎo)入、熱壓罐等工藝，才能完成碳纖維復(fù)合材料的制作，生產(chǎn)工藝復(fù)雜且精度要求高。在碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中，碳纖維鋪層、強(qiáng)度、耐久性、透波率等測試依賴于高精度模具，增加了成本投入，加之其他增強(qiáng)纖維的價(jià)格也居于高位，從原材料到碳纖維，價(jià)格增加了200%；從碳纖維到復(fù)合材料產(chǎn)品，價(jià)格增加了233.33%。碳纖維復(fù)合材料的成本問題成為最大困擾，其造價(jià)過高，超過了消費(fèi)者預(yù)期。因此，多用于儀表盤、內(nèi)外飾等次要結(jié)構(gòu)之中，且多局限于高端配置的車型，迫切需要完成從“貴族材料”到“平民化材料”的轉(zhuǎn)化[10]。

2.2 成型技術(shù)問題

以往應(yīng)用于航空航天、軍事及體育產(chǎn)業(yè)中的碳纖維復(fù)合材料多采用熱壓罐成型方法[11]，此方法雖然具有成型效率高、成型模具簡便、纖維密實(shí)度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，但也存在成型能耗高、周期長等問題。較為普通的環(huán)氧類CFRP部件的完整固化耗時(shí)在4h之上，無法進(jìn)行大批量的規(guī)?；a(chǎn)，不能滿足汽車輕量化的需求。熱壓罐成型工藝，需要在模具上鋪設(shè)預(yù)浸料，然后置于熱壓罐進(jìn)行加熱、固化、成型。但空氣介質(zhì)導(dǎo)熱效率低，加之模具自身比熱容較高、熱量吸收高，會降低成型效率，如果擬成型的汽車構(gòu)件尺寸及厚度較大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)部殘留應(yīng)力分布不均的問題，導(dǎo)致成型構(gòu)件扭曲變形。

3 汽車碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1 高效低成本碳纖維制備技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料制備過程中，各工藝技術(shù)的成本占比如圖2所示[12]。

圖2 碳纖維復(fù)合材料制備過程中各成本占比

從圖2可以看出，高成本集中在“母體”價(jià)格，PAN原絲價(jià)格達(dá)到總成本的51%，降低原絲材料及加工成本是關(guān)鍵所在。

3.1.1 新型原材料

聚丙烯腈（PAN）作為高性能碳纖維原絲，缺點(diǎn)是成本過高。可選用成本較低的瀝青、聚乙烯或可再生的木質(zhì)素等作為替代原料。聚乙烯溶體的可紡性更優(yōu)，成本低于PAN前體的原料，碳含量為86%，遠(yuǎn)高于PAN的63%，用聚乙烯作為原料，可增加20%的碳纖維產(chǎn)量[13]。因?yàn)榫垡蚁┲苽溥^程中，需要以浸漬方法進(jìn)行酸處理，減弱了碳纖維的力學(xué)性能，加之其工藝技術(shù)發(fā)展滯后，影響了碳纖維的穩(wěn)定性，目前尚無法替代PAN，亟待技術(shù)更新。

石油、煤瀝青來源廣、軟化點(diǎn)及芳烴含量高，制備的瀝青基碳纖維，含碳量可達(dá)到92%以上，抗拉強(qiáng)度及模量可分別達(dá)到3000MPa及900MPa，且造價(jià)較低，在碳纖維生產(chǎn)中具有明顯優(yōu)勢[14]。但芳烴含量高的瀝青原料中，大π鍵軛體系結(jié)構(gòu)間的作用性較強(qiáng)，易提高軟化點(diǎn)，增大粘度，影響紡絲，需進(jìn)行加氫預(yù)處理。而且，煤瀝青原料中存在固態(tài)雜質(zhì)或游離碳，易造成紡絲孔堵塞和碳纖維制品斷裂，需要加入特定溶劑在100℃的溫度下加熱、過濾，將不溶物剔除。

E.Mora等人以40%的丙酮、60%的乙腈融合劑調(diào)制煤瀝青[15]，以提高瀝青軟化點(diǎn)，確保碳纖維表層光滑性。在采用熱縮聚法對瀝青進(jìn)行調(diào)制時(shí)，存在喹啉不溶物的殘留，需要精確控制縮聚溫度及時(shí)間。

木質(zhì)素資源豐富，成本低廉，內(nèi)部含有豐富的碳元素，碳化收率較高，是替代PAN的最佳選擇。然而，木質(zhì)素基碳纖維的研發(fā)面臨高純度、高分子量和高碳含量“三高”障礙。因木質(zhì)素基碳纖維具有無定型三維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，分子量低且分布較寬，無法承受過大的伸拉張力，因此，制備的木質(zhì)素原絲直徑粗、取向低。對此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的歐陽琴等人提出，以酯化和自由基共聚兩步法先制備熱穩(wěn)定性和可紡性較好的木質(zhì)素—丙烯腈共聚物，然后利用丙烯腈共聚物，以濕法紡絲工藝制備連續(xù)原絲（具備較強(qiáng)伸張力、成形的木質(zhì)素-丙烯腈共聚物原絲），獲得結(jié)構(gòu)更為緊密的碳纖維，為木質(zhì)素基碳纖維力學(xué)性能的優(yōu)化提供了有效支撐[16]。

木質(zhì)素基碳纖維的制備工藝分為熔融紡絲、溶液紡絲及靜電紡絲等[17]，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用需求選用不同的工藝，各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 木質(zhì)素基碳纖維制備工藝的對比分析

木質(zhì)素與環(huán)氧乙烷（PEO）、聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）等適量聚合物的共混紡絲，可降低木質(zhì)素的軟化溫度，提高熱熔性和纖維強(qiáng)度[18]，因此可作為未來研究的主要方向。

3.1.2 紡絲工藝

除了原材料改進(jìn)之外，還需要對聚丙烯腈PAN原絲的制備工藝進(jìn)行創(chuàng)新。以往常用的溶液紡絲制備方法，有毒化學(xué)溶劑使用量過高，生產(chǎn)周期長且成本高。從圖1可知，預(yù)氧化和碳化環(huán)節(jié)需要進(jìn)行廢氣、溶劑的回收及凈化處理。而熔融紡絲工藝效率高、操作便捷，制備的碳纖維表面致密、光滑，徑向分布均勻，尤其與聚合物共混后紡絲質(zhì)量更佳。

利用丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯酰苯甲酮的共聚體，采用熔融紡絲工藝，經(jīng)紫外線預(yù)氧化，完成了碳纖維制備[13]。

采用熔融紡絲工藝制備的PAN原絲[12]，紡絲效率高達(dá)500～1 000 m/min，提高了碳纖維的產(chǎn)量和性能，制備的碳纖維紡絲表層光滑、無皮芯結(jié)構(gòu)或溝槽，熔融紡絲PAN纖維與其他原絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比如圖3所示。

圖3 不同工藝方法的PAN原絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 快速成型工藝技術(shù)

3.2.1 熱壓罐成型工藝的優(yōu)化

針對熱壓罐成型工藝成型效率低，且因?yàn)閼?yīng)力分布不均容易引發(fā)成型構(gòu)件變形的問題，可將模具分為不同的加熱區(qū)，設(shè)置多個(gè)加熱器，在真空條件下進(jìn)行接觸加熱，原理如圖4所示。

圖4 熱壓罐成型工藝中分區(qū)域的加熱裝置

可提高加熱效率，減少50%的能耗，而且各個(gè)加熱區(qū)可獨(dú)立控制。在加工尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件時(shí)，可根據(jù)不同位置的溫度需求進(jìn)行靈活調(diào)控。為實(shí)現(xiàn)溫度控制的精確性，可開發(fā)模擬軟件來預(yù)測部件形變并相應(yīng)調(diào)整加熱溫度，確保構(gòu)件內(nèi)部殘留應(yīng)力分布的均勻性，提高構(gòu)件尺寸精度，部件成型效果可達(dá)到預(yù)設(shè)的尺寸與形狀，解決了后續(xù)組裝的問題[19]。

3.2.2 RTM快速成型工藝

RTM成型工藝是液體模塑成型技術(shù)，注射壓力高達(dá)幾千MPa，合模和壓制效率較高，極大提高了成型效率。壓力的大幅度增加可加快樹脂填充速度，提高纖維樹脂浸潤度，縮減注射頻率，加速排氣，確保纖維制品密實(shí)度和表層光滑性。在汽車復(fù)合RTM構(gòu)件設(shè)計(jì)中，需對模具、加工參數(shù)、工藝流程等進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，以避免分層、夾雜、松散、脫粘等問題[20]，以往需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行不斷實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化，重復(fù)循環(huán)，耗時(shí)耗力，可引入數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行工藝仿真，對模具結(jié)構(gòu)、材料選擇、樹脂融合方案、固化時(shí)間及溫度等工藝過程進(jìn)行模擬分析，找準(zhǔn)設(shè)計(jì)缺陷和不足，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的精確、高效制備。

洪都公司利用數(shù)字化仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料RTM工藝參數(shù)的優(yōu)化以及模具設(shè)計(jì)的精確性[20]。采用PAM-RTM軟件對研發(fā)的樹脂填充方案進(jìn)行模擬，并利用PAM-DISTORTION軟件平臺預(yù)測仿真碳纖維的固化變形。具體而言，首先，構(gòu)建碳纖維RTM工藝材料的數(shù)據(jù)庫，以應(yīng)用需求為準(zhǔn)，將纖維增強(qiáng)材料、樹脂等的力學(xué)特性融入其中。其次，采用PAM-RTM軟件構(gòu)建工藝流程的仿真數(shù)據(jù)庫，確保工藝仿真的精確性。

4 結(jié)束語

汽車應(yīng)用材料及制作工藝對于節(jié)能減排的影響存在較大差異，碳纖維復(fù)合材料作為汽車輕量化設(shè)計(jì)的主要材料，能通過降低整車質(zhì)量來提高燃油效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。但也面臨著技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，為最大限度地控制原材料成本，優(yōu)化紡絲及成型工藝，滿足汽車大規(guī)模、高效率的碳纖維需求，可采用木質(zhì)素、聚乙烯、瀝青等材料替代單一的聚丙烯腈PAN，并根據(jù)溶液紡絲工藝的效率、溶液用量的局限性，促進(jìn)熔融紡絲工藝技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，通過加熱裝置的多元布局，改善傳統(tǒng)成型工藝的效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件熱應(yīng)力分布的均勻性，并利用現(xiàn)代數(shù)字仿真技術(shù)優(yōu)化RTM工藝參數(shù)及磨具設(shè)計(jì)的精確性。