車用碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究

王軍照 丁存光 肖云健 李發(fā)長(zhǎng) 于勇智

（北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100000）

2018 年，我國(guó)汽車整體產(chǎn)銷首次下滑，整體銷量下降5.8%，但是新能源汽車的產(chǎn)銷形勢(shì)持續(xù)增長(zhǎng)，同比增長(zhǎng)61.7%，汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在逐漸調(diào)整，傳統(tǒng)燃油汽車與新能源汽車協(xié)同發(fā)展。同時(shí)，汽車行業(yè)也面臨巨大挑戰(zhàn)：以內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的傳統(tǒng)燃油汽車百公里燃油耗要達(dá)到新的目標(biāo)值——2020 年平均5.0 L/100 km；采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的新能源汽車，插電式混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車、燃料電池車等，受電池重量的影響，面臨續(xù)航里程的巨大挑戰(zhàn)[2]。因此，汽車輕量化是未來(lái)重要發(fā)展趨勢(shì)之一[3]。

汽車輕量化是指保證零部件的使用性能和行駛安全的前提下，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化，材料輕量化等手段，實(shí)現(xiàn)整車減重效果。在汽車材料輕量化領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics， CFRP）具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ壕哂懈叩妮p量化效果、高結(jié)構(gòu)承載能力、抗沖擊吸能以及模塊化設(shè)計(jì)一體成型等[4]。根據(jù)蔣士成院士報(bào)告所述：CFRP 制品的發(fā)展將引領(lǐng)汽車行業(yè)的變革。1）改變汽車生產(chǎn)組織模式，傳統(tǒng)金屬汽車，是以O(shè)EM 為核心，幾千個(gè)零部件供應(yīng)商；新型模式將以CFRP 汽車模塊化零部件供應(yīng)商為核心，幾十個(gè)零部件集中生產(chǎn)，供給各地分散的OEM。2）傳統(tǒng)四大工藝（沖壓、焊裝、涂裝、總裝）被新四大工藝（成型、膠接、涂裝、總裝）取代。新型組織模式將具有：零部件少，集成度高；生產(chǎn)線總投資??；模具少，模具制造成本小。

1 車用CFRP性能優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)主要以鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料以及玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（glass fiber reinforced plastics，GFRP）為主，其中高強(qiáng)鋼在強(qiáng)度，塑性，抗沖擊能力、回收能力以及低成本方面具有綜合的優(yōu)勢(shì)，在相當(dāng)一段時(shí)間，具有不可動(dòng)搖的地位。鋁合金、鎂合金、工程塑料及玻璃纖維復(fù)合材料也呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，但CFRP 在輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊性、減震隔音性能等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在汽車輕量化領(lǐng)域具有巨大潛力[5]。

1.1 輕質(zhì)高強(qiáng)性能

CFRP 是由碳纖維增強(qiáng)體和樹脂基體組成，其力學(xué)性能受纖維級(jí)別、含量，編織方式以及樹脂

性能等多方面因素的影響，表現(xiàn)存在差異性。CFRP 密度為1.4 g/cm3～2 g/cm3，約為高強(qiáng)鋼1/4，鋁合金的2/3，相比GFPR 較低或相當(dāng)，從而具有比強(qiáng)度高、比模量高優(yōu)異性能，如表1 和圖1 所示。

1.2 產(chǎn)品安全性與舒適性

CFRP 具有良好的吸能效果。CFRP 具有高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn)，決定了在承受相同程度的變形甚至斷裂破壞時(shí)，CFRP 部件相比于其他材料部件從外界吸收更多的能量。CFRP 碰撞過(guò)程中的能量吸收率是鋼和鋁合金的4～5 倍。有研究表明：奔馳SLR Mclaren 跑車潰縮柱采用CFRP 材料，在承受正面撞擊時(shí)，CFRP 材質(zhì)產(chǎn)品通過(guò)破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小碎片的方式吸收大量撞擊能量，有效避免大尺寸CFRP 碎片可能對(duì)人體造成的致命性傷害，進(jìn)一步提高乘坐安全性[6]。此外，在柱式撞擊和側(cè)面撞擊中，即局部點(diǎn)作用時(shí)，也不會(huì)發(fā)生類似金屬材質(zhì)產(chǎn)品凹陷的現(xiàn)象，從而表現(xiàn)較高的碰撞安全性。在撞擊過(guò)程中，CFRP 會(huì)經(jīng)過(guò)基體損傷與開裂，纖維與基體脫黏，基體載荷傳遞，纖維斷裂等一系列過(guò)程，其過(guò)程會(huì)發(fā)生多種方式進(jìn)行吸收能量，從而提高了破損的安全性。 而同為復(fù)合材料的GFRP 部件，由于模量較低、耐疲勞性能較差等因素，導(dǎo)致吸能性能相較較低，安全性較低。

CFRP 具有良好的隔音降噪性能。汽車的噪聲主要來(lái)源有4 個(gè)方面：車身結(jié)構(gòu)噪聲、輪胎噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和氣動(dòng)噪聲。為了提升乘坐舒適性，從汽車部件的角度來(lái)講：一方面要減少部件自身及部件間的振動(dòng)，另一方面要實(shí)現(xiàn)對(duì)外噪聲的有效隔離。減震性好，受力結(jié)構(gòu)的自震頻率除與形狀有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根成正比，CFRP 具有較高的比模量，即CFRP 材料本身的自振頻率也相對(duì)較高。CFRP中樹脂高分子鏈的黏彈性與纖維/樹脂界面的相互作用也表現(xiàn)出明顯的阻尼效應(yīng)，使材料更有效地吸收振動(dòng)能量，振動(dòng)迅速衰減，有較高的自震頻率。有研究表明：對(duì)比相同尺寸、相同形狀的鋁合金梁和CFRP 梁的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果：前者需要9 s 停止振動(dòng)，而后者只需2.5 s。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料的界面有較大的吸收震動(dòng)能量的能力，導(dǎo)致材料的震動(dòng)阻尼較高。如圖2 所示，比吸能SEA（Specific Energy Absorption）：即單位質(zhì)量吸收的能量，衡量結(jié)構(gòu)抗撞擊性能的重要指標(biāo)[7]。

圖1 各種材料性能圖示

圖2 各種材料比吸收能

W=Total Energy Absorption Area under Curve 撞擊總體吸能kJ

V=Volume of Crushed Material 材料體積m3

ρ=Density 材料密度kg/m3

1.3 良好的抗疲勞性能和良好的耐腐蝕性

CFRP 制品具有良好的抗疲勞性能。疲勞破壞，即在疲勞載荷作用下的發(fā)生斷裂，其本質(zhì)是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，而疲勞破壞就是裂紋不斷擴(kuò)展所產(chǎn)生的突然斷裂。在CFRP 材料中的存在大量碳纖維與基體間的界面，可以有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%～50%，而碳纖維復(fù)合材料則可以達(dá)到70%～80%。

CFRP 具有耐腐蝕性好，碳纖維復(fù)合材料基體樹脂具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能，不會(huì)像金屬材料那樣容易生銹。鋁合金表面在使用過(guò)程中能夠形成一層致密的氧化物薄膜，使其相比于高強(qiáng)鋼和鎂合金具有更強(qiáng)的耐腐蝕性。因此許多情況下，暴露在大氣中的鋁合金不需要進(jìn)行表面處理，就可以使用，而高強(qiáng)鋼和鎂合金需要進(jìn)行噴漆、電鍍等表面防護(hù)。但是鋁合金的耐電化學(xué)腐蝕能力較差，耐酸性不如鋼。而CFRP具有優(yōu)異的耐酸堿性、耐鹽霧性等耐化學(xué)介質(zhì)性能，能夠在酸雨、霧霾等惡劣氣候及大氣污染條件下的服役環(huán)境。

1.4 可設(shè)計(jì)性和美觀性

CFRP 具有各向異性，可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際工況需求與產(chǎn)品受力情況，合理設(shè)計(jì)鋪層方向與層數(shù)，實(shí)現(xiàn)各方向具有不同的力學(xué)性能，充分利用CFRP 的力學(xué)性能。此外，CFRP 可以成型各種復(fù)雜形狀，實(shí)現(xiàn)部件集成化設(shè)計(jì)、一體化成型，減少車身零部件數(shù)量，減少裝配工序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輕量化[8]。

利用先進(jìn)的紡織工藝，將碳纖維編織成所需要的纖維紋路，鋪貼在CFRP 產(chǎn)品表觀層，形成具有空間美觀的纖維紋路，如圖3 所示。

圖3 碳纖維編織紋路

2 CFEP部件成型工藝

在汽車工業(yè)中應(yīng)用，CFRP 具有巨大潛力，其主要方向如下。①車身內(nèi)、外飾部件，如擾流板、后視鏡、格柵等[9]。②新能源汽車整體車身和部件，如側(cè)圍、翼子板等。③結(jié)構(gòu)承載部件，如商用車車廂、傳動(dòng)軸、碳纖維車輪、防撞潰縮系能結(jié)構(gòu)部件等。如蔚來(lái)ES6 后地板。由于車身部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜以及美觀性等要求，CFRP 成型工藝相對(duì)復(fù)雜多樣。從適用于小批量、低成本生產(chǎn)的預(yù)浸料真空袋壓工藝、真空導(dǎo)入VARI 工藝等，到快速規(guī)?；慨a(chǎn)的快速RTM 工藝，模壓工藝等。該文從生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行劃分各種成型工藝。

2.1 小批量、低成本工藝成型工藝

真空輔助成型工藝VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion），是一種低成本成型工藝，它是真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，利用樹脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維織物的浸漬，并在一定的溫度條件下固化。RTM（Resin Transfer Molding）是將樹脂注入閉合模具中浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的一種工藝。成型產(chǎn)品具有較好的表面質(zhì)量，且纖維體積含量較高，成型過(guò)程揮發(fā)成分少，對(duì)環(huán)境污染小，可用于制造高質(zhì)量，復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。真空袋壓工藝OOA（Out Of Autoclave）是在預(yù)浸料制品上鋪貼真空袋薄膜或柔性硅膠袋膜，并在與模具之間形成密閉空間，抽真空形成負(fù)壓，置于熱烘箱中加熱固化。真空袋壓工藝源于熱壓罐工藝，熱壓罐工藝是在真空袋壓的基礎(chǔ)上，利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力對(duì)制品進(jìn)行加熱加壓固化。熱壓罐工藝耗能高，運(yùn)行成本高，但是具有產(chǎn)品重復(fù)性好，纖維體積含量高、孔隙率低，力學(xué)性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此外，針對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，采用多種工藝進(jìn)行開發(fā)，例如在2019 年法國(guó)JEC 展會(huì)，恒瑞自主開發(fā)的汽車空氣過(guò)濾盒，采用預(yù)浸料模壓+吹氣袋壓+CF-SMC+熱壓罐工藝，充分利用各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，滿足強(qiáng)度和剛性要求，同時(shí)一體化制造，解決密封性和內(nèi)腔體關(guān)鍵區(qū)域平整度的功能要求，如圖4 所示。

2.2 快速規(guī)模化量產(chǎn)成型工藝

2.2.1 HP-RTM工藝

HP-RTM 衍生于RTM 工藝，是通過(guò)增大注射壓力提升注射速度的方式，使樹脂快速充滿模腔，提高纖維樹脂浸潤(rùn)度，降低孔隙率，從而獲得優(yōu)越的表面性能。是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型首選。該工藝注射壓力高達(dá)10 bar～200 bar，工藝周期在5 min～10 min，HP-RTM 的循環(huán)時(shí)間不僅取決于樹脂的反應(yīng)速度，還取決于快速的織物切割、預(yù)成型、預(yù)成型件的嵌入、模具清潔和最終的操作。目前各家針對(duì)HP-RTM開發(fā)相應(yīng)的快速固化樹脂，見表2。

表2 快速固化樹脂信息

此外，克勞斯瑪菲在HP-RTM 的基礎(chǔ)上，利用間隙浸漬和包覆成型工藝，開發(fā)了Surface-RTM。在同一模具中應(yīng)用一薄層聚氨酯基體材料將間隙填滿，直接脫模獲得可制成A級(jí)表面的可噴涂的碳纖維外飾件，而不需要進(jìn)行二次表面處理。

目前，國(guó)內(nèi)HP-RTM 廠家有康得新、寧波華翔、海源機(jī)械等，此外恒瑞、華陽(yáng)等也在積極引入相應(yīng)設(shè)備，但是目前均無(wú)大批量生產(chǎn)和供貨。

2.2.2 PCM成型工藝

PCM 成型是將預(yù)浸料預(yù)先放入模具，然后采用加熱加壓使其快速成型固化的工藝。PCM 成型制造的產(chǎn)品不僅尺寸精準(zhǔn)、生產(chǎn)成本較低，更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的一次成型，生產(chǎn)周期相較熱壓罐工藝有大幅度縮短，生產(chǎn)效率顯著提高。PCM 產(chǎn)品由于具有良好的纖維取向性，在強(qiáng)度和剛度性能方面也相對(duì)較高?，F(xiàn)該成型工藝較為成熟，在B 柱加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)應(yīng)用成熟。

2.2.3 SMC成型工藝

SMC 是由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩面覆蓋聚乙烯薄膜而制成的片狀模壓料。其成型效率高、產(chǎn)品的表面光潔好、外形尺寸穩(wěn)定性好，且成型周期短、成本低，適合大批量生產(chǎn)，適合生產(chǎn)截面變化不大的薄壁制品。SMC 主要用于片狀短切纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)，由于纖維的非連續(xù)性，制品強(qiáng)度不高，且具有面內(nèi)各向同性的特點(diǎn)，如圖5 所示。

CF-SMC 面臨難點(diǎn)是碳纖維直徑尺寸較小，且存在靜電作用，在樹脂糊中浸潤(rùn)性和分散均勻性。國(guó)外Menzolit、三菱麗陽(yáng)等已經(jīng)成功開發(fā)CF-SMC 產(chǎn)品，并且有成熟應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)針對(duì)CF-SMC 材料尚在驗(yàn)證階段，部分原材料供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品，待推廣應(yīng)用。如圖5 所示：在2019 年法國(guó)JEC 展會(huì)，恒瑞展出CF-SMC 部件。

2.2.4 WCM工藝

濕法模壓工藝，前期裁切使用干的纖維布，先進(jìn)行涂覆樹脂再放入模具進(jìn)行合模，抽真空、加壓加熱固化。其主要特點(diǎn)批量化生產(chǎn)節(jié)拍快，單件成本低，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性較好，纖維體積含量可達(dá)60%以上，孔隙率低，產(chǎn)品強(qiáng)度較好。缺點(diǎn)是不適合結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的制品。如寶馬的乘客艙組件或蔚來(lái)ES6 的后地板。

WCN 工藝在涂覆樹脂過(guò)程中接觸空氣，因此不適用于聚氨酯型快速固化樹脂，此外可與HP-RTM 工藝共用快速固化環(huán)氧樹脂。如圖6 所示，蔚來(lái)ES6 的后地板，采用濕法模壓工藝，應(yīng)用Hexion 樹脂，提高抗扭強(qiáng)度。

圖4 空氣過(guò)濾盒

圖5 CF-SMC 典型制品

圖6 CFRP 后地板

圖7 CFRP 熱塑性復(fù)合材料汽車門基板

2.2.5 LFT工藝

LFT（Long Fiber reinforced Thermoplastics）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，是以熱塑性樹脂為基體，以長(zhǎng)纖維（10 mm～25 mm）為纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，抗沖擊性韌性強(qiáng)，耐腐蝕。其相較于熱固性復(fù)合材料，最大特點(diǎn)在于可以重復(fù)回收利用，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。目前，普遍采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零部件、儀表板骨架、后尾門等部位。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用相對(duì)較少，2017 年日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研發(fā)機(jī)構(gòu)與名古屋大學(xué)國(guó)立復(fù)合材料研發(fā)中心成功研發(fā)首個(gè)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車底盤，此外通過(guò)熱塑性CFRP 可焊接優(yōu)勢(shì)，利用超聲波焊接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接。如圖7 所示，2018 年報(bào)道，長(zhǎng)安福特與金發(fā)科技聯(lián)手開發(fā)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車門基板，已成功量產(chǎn)應(yīng)用New Focus C519 車型。

3 結(jié)論

CFRP 在汽車輕量化領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外各大主機(jī)廠也對(duì)新材料、新技術(shù)持有開發(fā)的態(tài)度，從CFRP 內(nèi)外飾件的開發(fā)到主要承載的CFRP 結(jié)構(gòu)件的開發(fā)，這充分體現(xiàn)各大主機(jī)廠對(duì)CFEP 的思考：不僅考慮輕量化，也充分利用CFRP 優(yōu)異的性能。但是，CFRP 在汽車輕量化領(lǐng)域產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)程緩慢，其主要原因在于成本問題。需要原材料制造商、制品制造商和客戶多方面共同努力，為CFRP 在汽車輕量化領(lǐng)域快速發(fā)展創(chuàng)造良好的環(huán)境。