碳纖維粘接技術(shù)在汽車工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

王剛 劉林

摘 要：隨著汽車電動化市場的蓬勃發(fā)展，續(xù)航里程作為電動汽車的關(guān)鍵指標(biāo)，在增加電池蓄電能力的同時(shí)，持續(xù)降低整車重量是各大主機(jī)廠首要任務(wù)，采用輕量化材料是主要選擇，例如用鋁合金材料，碳纖維材料，玻璃纖維材料等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材料來生產(chǎn)白車身，大大降低車身重量，從而降低整車重量增加續(xù)航能力。

關(guān)鍵詞：碳纖維;CFRP;輕量化;雙組份粘接;烘干;冷卻

立足當(dāng)今，能源供應(yīng)緊張、環(huán)境問題凸顯，各行各業(yè)都在展望一個(gè)“綠色、智能、共創(chuàng)、共贏”的未來;即將面對行業(yè)百年未有變局的汽車領(lǐng)域更是如此，一直在探索綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展之路。在這個(gè)新材料、新能源亟需的時(shí)代，碳纖維復(fù)合材料兼具高比強(qiáng)度、高比模量，是高性能材料的典型代表;作為高端裝備輕量化的首選材料，也備受汽車領(lǐng)域關(guān)注。

一、碳纖維復(fù)合材料介紹

CFRP是Carbon Fiber Reinforced Plastic的縮寫，中文譯為碳纖維樹脂基復(fù)合材料，簡稱碳纖維復(fù)合材料;泛指由碳纖維（增強(qiáng)材料）和聚合物樹脂（基體材料）復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料。復(fù)合后材料產(chǎn)生一些原有組分材料沒有的性能，起到1+1遠(yuǎn)大于2的效果。碳纖維一般用聚丙烯腈為原料，先在200～300℃的空氣中進(jìn)行預(yù)氧化，繼而在惰性氣體的保護(hù)下用1000℃左右的高溫完成碳化，最后加熱1500～3000℃形成碳纖維。

以汽車用板材為例，碳纖維板材成型的詳細(xì)過程可分為七步：

1）常用原絲材料有聚丙烯腈基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維，其中聚丙烯腈基原絲各項(xiàng)性能優(yōu)異，在碳纖維原絲中占據(jù)主導(dǎo)地位。將聚丙烯腈原絲加熱到1300℃后，纖維內(nèi)的各種元素分解為氣態(tài)，直到纖維幾乎完全由碳元素構(gòu)成并具有相對穩(wěn)定的石墨結(jié)構(gòu)，形成纖維絲;

2）纖維絲進(jìn)一步處理，即將大約5萬根碳纖維絲通過專用設(shè)備捆綁成為一個(gè)纖維束;

3）纖維束按照不同的方向進(jìn)行組合編制，形成多層的、不同朝向的碳纖維疊層;

4）編織物按照汽車用料的大小進(jìn)行裁剪塊片狀備用;

5）若干塊編織物材料平鋪在沖壓模具表面，以此形成平坦的立體輪廓，進(jìn)行類似傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)中的沖壓工藝進(jìn)行沖壓，完成后將周邊多余的材料由機(jī)器人進(jìn)行切割;

6）用液態(tài)樹脂以高壓的方式注入到預(yù)成型坯件中，讓液態(tài)樹脂與碳纖維編織物充分交融，同時(shí)還要進(jìn)行沖壓、成型。在整個(gè)過程中全自動生產(chǎn)線對溫度、壓力以及時(shí)間進(jìn)行精確把控，確保碳纖維的質(zhì)量達(dá)標(biāo);

7）碳纖維面板成型后還需要進(jìn)一步精加工，主要是將部件邊緣以及工藝孔等部位進(jìn)行修正，所使用的工具比較特殊，是一種噴水切割機(jī)，在水流作用下使得表面變得平整、光滑，以滿足后續(xù)粘接工序的精度要求。

二、CFRP碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析：

2.1 優(yōu)點(diǎn)包含：

1）質(zhì)量輕：碳纖維密度大約在1.76～1.80 g/cm3之間，所制復(fù)合材料密度在1.50～1.60 g/cm3之間，而鋼材約為7.87 g/cm3;

2）耐疲勞強(qiáng)度高：CFRP的耐疲勞強(qiáng)度高，顯著優(yōu)于鋼材，使用壽命長;

3）高比強(qiáng)度和高比模量：CFRP的比強(qiáng)度約（抗拉強(qiáng)度與表現(xiàn)密度之比）是鋼材的7～12倍，比模量（單位密度的彈性模量）約是3～5倍?？捎脕碇圃燧p而強(qiáng)、剛而堅(jiān)的各種制品;

4）耐腐蝕：CFRP耐酸耐堿性強(qiáng)，耐各種環(huán)境腐蝕，且不生銹，在海水中使用壽命比鋼制件持久得多;

5）熱性能優(yōu)異：CFRP的熱膨脹系數(shù)小，軸向熱膨脹系數(shù)約為-0.1×10-6/℃，垂直于軸向熱膨脹系數(shù)約為+35×10-6/℃。在冷態(tài)環(huán)境下不脆裂，在熱態(tài)環(huán)境中尺寸穩(wěn)定。CFRP的耐熱性很大程度上取決于基體樹脂。就碳纖維的耐熱性而言，可在300 ℃以下空氣中長期使用;

6）能量吸收性能強(qiáng)：CFRP材料具備優(yōu)越的安全性能，即使在局部承受較重的點(diǎn)式力量時(shí)，也不會凹陷;

7）可塑性強(qiáng)：制作流線型或曲面部件比較容易，益于復(fù)雜車身造型的實(shí)現(xiàn)。

2.2 缺點(diǎn)包含：

1）成本高：目前碳纖維的價(jià)格約是鋼材的30倍、鋁材的10倍，極大限制了其在汽車行業(yè)的應(yīng)用;尤其高強(qiáng)度、高規(guī)格碳纖維，對原材料要求高、制造工藝復(fù)雜，價(jià)格更為昂貴;

2）導(dǎo)電性極強(qiáng)：強(qiáng)導(dǎo)電性有時(shí)為碳纖維的缺點(diǎn)，對于要求嚴(yán)格絕緣的應(yīng)用，許多產(chǎn)品使用玻璃纖維，而不能用碳纖維或金屬替代;

3）設(shè)計(jì)和工程開發(fā)難度大：CFRP設(shè)計(jì)汽車方面需要專業(yè)的人才，對于鋪層數(shù)量、角度、層間結(jié)合、零部件集成、脆性材料、連接部位力學(xué)分布、連接位置及強(qiáng)度均需要負(fù)責(zé)計(jì)算、設(shè)計(jì)、測試;

4）回收難度大：CFRP在汽車中大規(guī)模應(yīng)用后難免要面對回收問題，熱固性CFRP不熔，材料回收方面技術(shù)難度較大;

5）維修成本高：碳纖維不存在焊接，多為粘接、栓接或鉚接，接縫對其強(qiáng)度性能降低極大;結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較小損傷，也需整片更換。以寶馬i3為例，出于強(qiáng)度考慮，碳纖維車身的分塊較少，每一個(gè)組件都相對比較大且復(fù)雜，碳纖維組件一旦出現(xiàn)問題需要更換，成本很高。

三、CFRP復(fù)合材料需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)

1）碳纖維制造新技術(shù)：低成本化，汽車專用高模量低成本碳纖維;

2）CFRP模塊化設(shè)計(jì)：減少零部件數(shù)量，降低自動化生產(chǎn)難度;

3）CFRP成型工藝：自動化量產(chǎn)技術(shù)與裝備開發(fā)，提高成型節(jié)拍以及環(huán)境友好程度;

4）CFRP與金屬連接：提升表面處理工藝，防止出現(xiàn)弱界面層、產(chǎn)生更適合粘結(jié)的表面形態(tài);開發(fā)快速固化高強(qiáng)膠以及自動化膠結(jié)技術(shù);

5）回收與循環(huán)：提升熱塑性CFRP成型工藝，增加循環(huán)使用次數(shù)，全生命周期中降低碳纖維成本。

四、碳纖維粘接技術(shù)研究

下面以國內(nèi)某跑車為例，詳細(xì)介紹碳纖維粘接過程的技術(shù)要領(lǐng)。

4.1 產(chǎn)品介紹：該跑車為電動跑車，為降低車身重量，整個(gè)車身由鋼和CFRP組成。其中下部車身以鋼為主，CFRP為輔;上部車身全部為CFRP材料。CFRP材料構(gòu)成的車身零部件主要以成品方式進(jìn)場，大部分由國外進(jìn)口。整車重量減少了230kg，同時(shí)車身的抗扭剛度提高了45%，并且極大降低車輛重心，提高操控性能;

4.2 工藝描述：下部車身的制造工藝與傳統(tǒng)鋼車身基本類似，碳纖維粘接的制造工藝可以分為以下八個(gè)步驟：

1）膠常規(guī)檢查：該車型主要使用了膠粘技術(shù)，因此對雙組份膠的綜合性能高于普通膠，使用前需要進(jìn)行多方面檢查。主要檢查膠的合格證，生產(chǎn)日期，組份檢測，機(jī)械性能檢測，一般由膠供應(yīng)商廠家配合檢查;

2）碳纖維零件清理：碳纖維零件表面的清潔度要求較高，表面的附著物會影響膠粘強(qiáng)度，需要通過機(jī)械打磨或噴砂方式清潔加工過程表面的附著物，如脫模劑、織物等;

3）碳纖維零件干燥：清理完表面附著物后，還要進(jìn)一步使用規(guī)定的溶劑，深度清潔碳纖維接觸面，并使其充分干燥，確保膠粘的效果。此步操作要求在潔凈度高，恒溫恒濕的條件下進(jìn)行，由于溶劑的揮發(fā)性對人體有害，潔凈室內(nèi)要安裝除塵設(shè)備，人員要求佩戴防毒面具作業(yè);

4）涂膠：將碳纖維零件固定在支架或夾具上，將雙組份膠采用人工或機(jī)器人的方式按設(shè)計(jì)要求涂在碳纖維接觸表面;

5）膠粘結(jié)：將涂膠后的碳纖維零件通過夾具定位、夾持，并與下部車身拼合在一起，輔以鉚接固定;

6）預(yù)固化：在夾具定位狀態(tài)保持30min，雙組份膠初步固化;

7）烘烤固化：將初步固化的車身脫離夾具后，推入烘房中進(jìn)行加熱，在高溫下充分烘烤30分鐘以上，確保完全固化;

8）質(zhì)量檢查：烘烤完成后將車身從烘房推出進(jìn)行檢查，檢查外觀是否完整，檢查是否有溢膠情況，涂膠樣品的強(qiáng)度檢測以及超聲波強(qiáng)度檢測。

五、總結(jié)

現(xiàn)今，碳纖維復(fù)合材料作為高端材料，成本高昂、經(jīng)濟(jì)效益并不顯著，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用局限，常用于汽車頂、前后保險(xiǎn)杠、發(fā)動機(jī)機(jī)罩、傳動軸、剎車片、輪轂等;但在汽車輕量化上的優(yōu)勢顯而易見，除了汽車，碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片，體育休閑，航空航天，壓力容器及船舶等領(lǐng)域同樣扮演終驗(yàn)角色。長遠(yuǎn)來看，隨著各大企業(yè)加大碳纖維領(lǐng)域的研發(fā)投入、技術(shù)瓶頸突破、成本降低，碳纖維復(fù)合材料需求空間具有極大潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑞剛， 徐堅(jiān). 國產(chǎn)高性能聚丙烯腈基碳纖維制備技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2018， 36（19）： 32-42.

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