乘用車碳纖維復(fù)合材料研究及應(yīng)用進(jìn)展

籍龍波 朱學(xué)武 丁建鵬 王孫斌

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130013）

主題詞：乘用車 碳纖維復(fù)合材料 研究進(jìn)展

1 前言

隨著對(duì)汽車燃料經(jīng)濟(jì)性和排放控制要求的提高，采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)乘用車輕量化成為主要的研究方向[1]。碳纖維復(fù)合材料密度僅為1.45～1.60×103kg/m3，比鋼輕了75%左右。應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的車身結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身，可減重30%～60%[2]。若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油效率能夠提高6%～8%[3]。在輕量化要求的背景下碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用具有良好的前景。

2 概述CFRP在乘用車上應(yīng)用現(xiàn)狀

由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異特性，國內(nèi)外車企開展大量的研究與應(yīng)用。寶馬[4]于2007 年確定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，率先全面開啟碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。寶馬i3、i8車身[1]采用的便是碳纖維復(fù)合材料，成為碳纖維在乘用車設(shè)計(jì)中大幅度應(yīng)用的明星車型，成為業(yè)內(nèi)標(biāo)桿車型，其他車企相繼推出了應(yīng)用的車型（表1）。

國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用比例較高的車型集中在跑車上。長城華冠推出的前途K50跑車，全車覆蓋件及內(nèi)飾上大面積應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。一汽集團(tuán)在紅旗S9大面積應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。此外，上汽、廣汽、奇瑞等國內(nèi)車企業(yè)也推出了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車型。

為了降低乘用車上碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本，汽車制造廠商也逐步加大與碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)合作。寶馬汽車公司（BMW）與碳纖維生產(chǎn)商SG加強(qiáng)合作以推進(jìn)碳纖維在乘用車中的應(yīng)用[5]。與寶馬等國外車企相比，國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例及車型銷售量仍存在較大的差距。但隨著國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)逐步與國際接軌、國內(nèi)車企研發(fā)投入的加大，這種差距會(huì)逐步縮小。

表1 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用車型 [4,6-9]

3 CFRP應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 CFRP成形工藝研究

汽車零部件的生產(chǎn)需要滿足大批量使用，因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料成形工藝研究尤為重要[10]。碳纖維復(fù)合材料成形的技術(shù)主要分為熱壓成形與液體成形(圖1)。熱壓成形工藝又分為熱壓罐成形技術(shù)、模壓成形技術(shù)、真空袋成形技術(shù)、軟模成形技術(shù)和拉擠成形技術(shù)等；液體成形主要包含樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（RTM）、樹脂膜滲透技術(shù)（RFI）、真空輔助樹脂滲透技術(shù)（VARI）、真空樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（VARTM）和樹脂浸漬成形技術(shù)（SCRIMP）等。其中應(yīng)用較多的為熱壓罐技術(shù)、樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)（RTM）、樹脂膜滲透技術(shù)（RFI）和真空輔助樹脂滲透技術(shù)（VARI）。目前車身部件應(yīng)用最為廣泛的為RTM。寶馬i3 在車身部件成形時(shí)就廣泛應(yīng)用RTM工藝[11]。

由于不同工藝的難度、周期與成本各異，改進(jìn)成形工藝也是推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的重要途徑，特別是對(duì)快速成形性工藝的研究十分必要。許多學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料成形工藝進(jìn)行了深入的研究。

圖1 碳纖維復(fù)合材料成形工藝

秦浩[12]通過設(shè)計(jì)不同熱壓罐工藝路線，探索了制備工藝對(duì)性能的影響，并對(duì)薄板快速成形工藝進(jìn)行了研究。亓淑源[13]對(duì)碳纖維汽車件用RTM 快速成形樹脂體系進(jìn)行了研究，開發(fā)出快速成形的耐高溫與韌性樹脂體系，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料成形效率與工藝質(zhì)量的統(tǒng)一。羅金亮[14]采用纏繞包覆法和層壓法制備聚酯基碳纖維復(fù)合材料，并對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的制備工藝。紀(jì)俊洋[15]采用真空輔助成形工藝（VARI）制作了汽車前地板，并對(duì)成形過程中的材料性能參數(shù)進(jìn)行了研究。宋偉[16]設(shè)計(jì)了以孔隙率為表征、以成型壓力和加壓時(shí)機(jī)為變量的工藝方案，通過研究確定了碳纖維預(yù)浸料的最優(yōu)拉擠工藝方案。吳方賀[17]通過數(shù)值仿真，研究纖維滲透率、樹脂注射溫度和注射壓力工藝參數(shù)對(duì)樹脂充模時(shí)間的影響。

不同成形工藝、成形速度、質(zhì)量、成本、與成型設(shè)備的研制緊密相關(guān)。我國在成型設(shè)備研制方面與國際先進(jìn)水平存在差距，需要加大研發(fā)投入。

3.2 CFRP應(yīng)用性能研究

應(yīng)用性能的研究集中于采用碳纖維復(fù)合材料替換鋼制部件的應(yīng)用效果。研究的部件集中于保險(xiǎn)杠、發(fā)罩、覆蓋件、B柱、地板與車身骨架。

張曉紅[18]、吳瓊[19]、王慶[20]等人研究碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于防撞梁的可行性，在保證耐撞性前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化30%以上。作為性能較為獨(dú)立的發(fā)罩系統(tǒng)，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的研究也較多[17、21-23]，研究表明應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料有較好的輕量化效果。美國通用汽車研發(fā)中心[24]運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料乘用車頂棚，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比減重高達(dá)70%。

由于碳纖維的性能特點(diǎn)，在車身覆蓋件上應(yīng)用研究也較為普遍。馮奇[25]使用碳纖維增強(qiáng)材料替代鈑金翼子板，整體較原有設(shè)計(jì)減重38%。潘玲玲[26]運(yùn)用模擬分析論證了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在燃料電池轎車車身外覆蓋件上應(yīng)用的可行性。鈄李昕[27]以純電動(dòng)賽車車身覆蓋件為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造等三方面著手研究，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于純電動(dòng)賽車，以實(shí)現(xiàn)其輕量化的目的。

將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到車身骨架上也成為熱門的研究方向。侯凡龍[28]針對(duì)B柱承力件應(yīng)用進(jìn)行了研究，與金屬材料相比碳纖維復(fù)合材料B 柱降重30%以上，且側(cè)面性能略有提升。熊長麗[29]采用樹脂傳遞模塑成形工藝（RTM）制作碳纖維復(fù)合材料B柱，可減重70%以上。

紀(jì)俊洋[15]研究了碳纖維復(fù)合材料汽車前地板成形工藝，制備出的地板和金屬地板剛度和模態(tài)頻率相當(dāng)，減重比例達(dá)到50%以上。劉保公[30]采用了新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)非承載式純電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，還有學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸[31]、螺旋彈簧[32]及控制臂[33]性能進(jìn)行了研究。隨著碳纖維復(fù)合材料的工藝改進(jìn)及成本的下降，在乘用車應(yīng)用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大。

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的幾何形狀設(shè)計(jì)、最佳鋪層角度設(shè)計(jì)、鋪層厚度設(shè)計(jì)以及鋪層順序設(shè)計(jì)對(duì)零件性能有重要影響。Ghiasi[34-35]以變剛度設(shè)計(jì)和不變剛度設(shè)計(jì)考慮，對(duì)復(fù)合材料鋪層順序進(jìn)行了研究。通過鋪層角度研究以提高性能承載能力和臨界屈曲載荷也是研究的熱點(diǎn)[36-38]。陸振玉[39]、Park[40]、許玉容[41]的研究表明采用遺傳算法對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化可大幅度提升鋪層優(yōu)化效率。

總體而言，現(xiàn)有研究集中于以單一部件與總成替換金屬結(jié)構(gòu)，這種單一結(jié)構(gòu)的采用仍然是開發(fā)金屬部件的流程，與正向開發(fā)碳纖維為主體的構(gòu)架開發(fā)模式存在較大差距，不能充分發(fā)揮出碳纖維復(fù)合材料的成本優(yōu)勢(shì)。未來的研究趨勢(shì)應(yīng)結(jié)合碳纖維工藝特點(diǎn)，逐步探索新的產(chǎn)品生產(chǎn)模式，推動(dòng)乘用車生產(chǎn)流程的革新，充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料工藝靈活的特點(diǎn)，降低其在乘用車上的應(yīng)用成本。

3.3 CFRP材料本構(gòu)研究

在汽車的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造時(shí)，需要已知碳纖維復(fù)合材料的各個(gè)材料參數(shù)，才可實(shí)現(xiàn)對(duì)車用碳纖維復(fù)合材料的準(zhǔn)確力學(xué)模擬，評(píng)估汽車的承載能力與安全性能。主要的研究方向集中于材料本構(gòu)求解方法、連接方法與碳纖維復(fù)合材料破壞方面的研究。

材料本構(gòu)求解研究方面，楊思滿[42]提出一種基于數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)的車用碳纖維復(fù)合材料本構(gòu)參數(shù)反演方法。洪佳瑩[43]利用雙尺度漸進(jìn)展開的均勻化法，求解各尺度等效彈性材料參數(shù)，將不同尺度（微觀、介觀和宏觀）之間的材料彈性參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

連接方法研究方面，楊青博士[44]提出纖維-基體間的界面層設(shè)計(jì)是研究設(shè)計(jì)高剛性復(fù)合材料的關(guān)鍵。羅書舟[45]分別用內(nèi)聚力單元、黏性接觸和Tie 接觸模擬碳纖維復(fù)合材料層合板層間關(guān)系，并指出內(nèi)聚力單元模擬層間關(guān)系最為準(zhǔn)確。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料破壞方面的研究表明，其一方面可提高結(jié)構(gòu)的吸能效果；另一方面會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差。特別對(duì)于車身承力結(jié)構(gòu)件，針對(duì)指定結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的整體響應(yīng)與損傷預(yù)測(cè)的研究則尤為重要。Farley[46]通過研究指出了碳纖維復(fù)合材料吸能盒在軸向碰撞過程中發(fā)生的4 種失效模式。Mamalis[47-48]針對(duì)碳纖維復(fù)合材料軸向準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的壓潰行為進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明漸進(jìn)失效模式能夠吸收更多的能量，為碳纖維復(fù)合材料的理想失效模式。曾帝[4]也指出漸進(jìn)損傷模式是較為理想的壓潰失效模式，適用于汽車吸能部件。

由于碳纖維復(fù)合材料在受到外部沖擊載荷下極易發(fā)生分層損傷，最新研究方向?yàn)閷觾?nèi)和層間損傷的研究。由于碳纖維復(fù)合材料在多種復(fù)雜工況下呈現(xiàn)的損傷是非線性行為，未來研究手段越來越依賴于仿真分析。Yamamoto[49]開展了纖維束與基體微觀的結(jié)構(gòu)及破壞機(jī)理進(jìn)行仿真研究。Xu[50]基于試驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)仿真研究了碳纖維復(fù)合材料的界面特性與纖維浸潤的影響因素。

疲勞分層也是碳纖維復(fù)合材料重要的失效現(xiàn)象，朱煒垚[51]引入疲勞分層擴(kuò)展阻力概念用于表述復(fù)合材料產(chǎn)生疲勞分層擴(kuò)展時(shí)所需的能量，并提出了以歸一化應(yīng)變能釋放率為控制參量的疲勞分層擴(kuò)展速率模型。Zhao[52]綜合考慮纖維橋接、應(yīng)力比和加載混合比對(duì)疲勞分層擴(kuò)展行為的影響，建立了考慮應(yīng)力比的歸一化疲勞分層擴(kuò)展速率模型。Gong[53]從能量角度出發(fā)建立了疲勞分層擴(kuò)展阻力計(jì)算的解析模型，可實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展阻力的定量化評(píng)價(jià)。

隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的微觀化及仿真化趨勢(shì)，為揭示碳纖維損傷機(jī)理及精細(xì)描述材料本構(gòu)起到了促進(jìn)作用，更為碳纖維復(fù)合材料性能提升奠定了理論基礎(chǔ)。

3.4 碳纖維/金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)研究

由于現(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料成本仍舊偏高，且作為車身結(jié)構(gòu)件應(yīng)用，在碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生局部屈曲等不穩(wěn)定的失效模式，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)吸能特性降低。為了更好的發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料輕量化的效果，并兼顧使用成本及碰撞吸能特性，金屬/碳纖維的混合材料也成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)重要分支。

朱國華[54]研究了鋁/碳纖維復(fù)合材料混合板應(yīng)用于乘用車前縱梁的可行性。楊艷[55]通過對(duì)鋼/碳纖維復(fù)合材料連接技術(shù)研究，提出了提升膠結(jié)接頭的承載力的方法。通過金屬與碳纖維復(fù)合材料的合理設(shè)計(jì)，使承力結(jié)構(gòu)上發(fā)生理想的失效模式，將大大提升碳纖維復(fù)合材料在車身主要承力構(gòu)件上應(yīng)用的可行性。Reyes[56]的研究表明，金屬/碳纖維混合材料相比于單一材料具有更優(yōu)異的疲勞性能，這也大大提升了此種材料的應(yīng)用范圍。張亮亮[10]提出對(duì)金屬/碳纖維混合材料的連接技術(shù)的研究，有助于提升其應(yīng)用范圍。

隨著研究深入，金屬/碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的混合車身，能更好的發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)缺點(diǎn)。在碳纖維復(fù)合材料成本較高的背景下，也會(huì)成為車身輕量化重要的研究方向。

4 結(jié)語

由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的特性，必將成為未來乘用車領(lǐng)域主要的輕量化用材?，F(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料的成本較高，在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用仍然受到制約。要推動(dòng)在乘用車領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用，仍需要在以下方面做出突破。

（1）加大研發(fā)投入?，F(xiàn)階段對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的研究仍集中于實(shí)驗(yàn)室或單一部件的研究。單一零件的低成本化并不能發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。正向集成式的碳纖維設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，將從零件數(shù)量、設(shè)計(jì)的工序、生產(chǎn)過程及周期上革新原有的生產(chǎn)制造過程，大大降低上述環(huán)節(jié)的投入。這就需要汽車生產(chǎn)廠商進(jìn)一步加大對(duì)于以碳纖維復(fù)合材料為基礎(chǔ)研發(fā)投入，特別是對(duì)于全流程的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)-工藝-生產(chǎn)一體式應(yīng)用的研究。

（2）加強(qiáng)國際合作。國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)雖然經(jīng)歷的高速發(fā)展，但仍與國外先進(jìn)企業(yè)存在較大差距，這就需要積極與國際先進(jìn)企業(yè)合作、取長補(bǔ)短。特別是在研發(fā)、制造以及生產(chǎn)設(shè)備上推進(jìn)國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料行業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量的發(fā)展階段。

（3）產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。單純依靠汽車制造廠商或碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，不能發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì)。汽車制造廠商要積極加強(qiáng)與生產(chǎn)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的合作，以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，激發(fā)研發(fā)、生產(chǎn)、制造全體系的創(chuàng)新活力，合力突破技術(shù)瓶頸。

此外，隨著碳纖維復(fù)合材料在乘用車上應(yīng)用日益廣泛，但其回收再生技術(shù)一直是個(gè)難題。碳纖維回收一方面阻止了碳纖維使用一次后就被填埋的浪費(fèi)；第二方面，回收可大大減少了能源消耗；第三方面，可有效降低乘用車維修費(fèi)用，無形中降低使用成本。因此，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)與回收也是一項(xiàng)難點(diǎn)課題。

由于碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)屬于高能耗行業(yè)，其成本受到電價(jià)高低的影響，隨著風(fēng)能、太陽能等環(huán)保電力的日益廣泛的應(yīng)用，用電成本持續(xù)下降，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用成本會(huì)進(jìn)一步下降。針對(duì)于低成本碳纖維復(fù)合材料的研究，例如瀝青基材料的開發(fā)及應(yīng)用，還會(huì)進(jìn)一步降低碳纖維復(fù)合材料的成本。相信在不遠(yuǎn)的未來，碳纖維復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用也會(huì)迎來更光明的前景。