碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件的設(shè)計(jì)開發(fā)

楊文葉　宋杰　史付磊　李文中　李振興　馬秋

摘 要：碳纖維復(fù)合材料是未來最具發(fā)展前景的新型輕量化材料，但目前由于成本和技術(shù)不足應(yīng)用范圍受限。因此，開發(fā)出低成本、快節(jié)奏并且性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件是需要持續(xù)攻堅(jiān)的難題。本文介紹了碳纖維復(fù)合材料的特性、碳纖維鋪層設(shè)計(jì)的原則、加工和連接工藝，以期對(duì)碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 輕量化 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 加工工藝 連接工藝

Design and Development of Carbon Fiber Composite Material for Automobile Components

Yang Wenye Song Jie Shi Fulei Li Wenzhong Li Zhengxing Ma Qiu

Abstract：Carbon fiber composite materials are the most promising new lightweight materials in the future， but the scope of application is currently limited due to cost and insufficient technology. Therefore， the development of low-cost， fast-paced and excellent performance carbon fiber composite automotive components is a problem that needs to be continuously tackled. This article introduces the characteristics of carbon fiber composite materials， the principles of carbon fiber ply design， processing and connection technology， in order to provide references for the development of carbon fiber composite automotive components.

Key words：carbon fiber composite material， lightweight， structural design， processing technology， joining technology

1 前言

節(jié)能減排是汽車工業(yè)長期規(guī)劃的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一，也是國際應(yīng)對(duì)低碳出行和綠色能源達(dá)成的共識(shí)。有研究數(shù)據(jù)表明，燃油車整車重量降低10%，油耗可降低6%～8%;[1]新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在現(xiàn)有蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)無法取得根本性突破的條件下，改善車輛續(xù)航里程的手段只能是減重。因此，車身輕量化設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前，汽車輕量化的設(shè)計(jì)主要從三個(gè)維度實(shí)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)制造工藝、應(yīng)用新型輕量化材料。碳纖維復(fù)合材料是繼高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料之后最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦洼p量化材料，相比于鋼制結(jié)構(gòu)可減重50%以上。此外，具有質(zhì)輕高強(qiáng)、高斷裂韌性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、集成化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。[2]寶馬i3 2013年款車型的車身碳纖維用量達(dá)到49.41%，寶馬i8 2014年款車身碳纖維用量43%，這兩款車也成為碳纖維復(fù)合材料在汽車構(gòu)件大幅度應(yīng)用的標(biāo)桿車型。碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用之初，由于成本高、工藝復(fù)雜，僅在跑車和少量的昂貴車型上應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，其他汽企也相繼推出了碳纖維汽車構(gòu)件應(yīng)用的車型，如上汽榮威E50的機(jī)蓋、一汽紅旗的翼子板等。國內(nèi)碳纖維汽車構(gòu)件無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)主要的壁壘在于：一，缺乏碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件開發(fā)經(jīng)驗(yàn);二，碳纖維構(gòu)件加工周期長，無法達(dá)到量產(chǎn)節(jié)拍要求;三，回收再生困難和損壞維護(hù)體系不成熟。[3]本文主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的特性、鋪層設(shè)計(jì)原則、加工工藝和連接工藝，旨在對(duì)碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件的開發(fā)

2.1 碳纖維復(fù)合材料的特性

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，具有明顯的各向異性。[4]碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和樹脂按照需求層層鋪合而成，其各向力學(xué)性能可根據(jù)碳纖維的鋪設(shè)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)需要根據(jù)材料的各向承載力參數(shù)，進(jìn)行建模仿真。材料纖維方向的強(qiáng)度和模量主要由纖維排布的方式和纖維的種類決定，層間的性能主要由樹脂的類型和性能決定。因此，碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)需要綜合匹配纖維和樹脂，避免碳纖維層間應(yīng)力過大導(dǎo)致的零件破壞失效。[5]

碳纖維復(fù)合材料汽車構(gòu)件設(shè)計(jì)可以充分利用材料的各向異性特點(diǎn)，針對(duì)產(chǎn)品的承載力方向、功能和性能要求，進(jìn)行原材料復(fù)合和結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最大幅度的輕量化效果。

2.2 碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于碳纖維和樹脂的選型、纖維的鋪設(shè)方式、纖維含量以及二者相容性等因素。[7]因此，碳纖維的鋪層設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)和性能影響至關(guān)重量。

碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)通常需要遵循4項(xiàng)原則：

1.鋪層定向原則，常用的纖維鋪設(shè)角度0°方向是為了調(diào)整復(fù)合材料的抗壓性能， 90°方向是為了調(diào)整復(fù)合材料的泊松比，±45°方向是為了調(diào)整材料抗剪性能。[6]

2.依據(jù)載荷設(shè)計(jì)鋪層取向原則，碳纖維的各向異性表征在于纖維軸線方面的性能最優(yōu)。因此，碳纖維的鋪設(shè)方向要盡量與構(gòu)件承載的外界載荷方向一致。

3.變厚度設(shè)計(jì)原則，為了避免厚度突變引起的應(yīng)力集中，各層臺(tái)階差要相等且寬度不小于2.5mm。結(jié)構(gòu)表層采用連續(xù)鋪層避免臺(tái)階處分層破壞。

4.沖擊載荷處的設(shè)計(jì)原則，承受外界沖擊的區(qū)域需要進(jìn)行足夠的±45°方向的纖維鋪設(shè)來擴(kuò)散外界沖擊載荷，足夠的0°鋪層來承受局部沖擊載荷。

2.3 碳纖維復(fù)合材料的加工工藝

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝根據(jù)汽車構(gòu)件結(jié)構(gòu)和性能需求的特點(diǎn)選擇匹配，常用的成型工藝有以下4種：

1.纏繞成型，工藝流程如圖1所示，將連續(xù)纖維用樹脂膠浸漬后纏繞到芯模上，固化后得到制品，適用于管狀產(chǎn)品成型，纖維紡絲排列易掌控且機(jī)械特性優(yōu)異。

2.模壓成型，工藝流程如圖2所示，將浸漬過樹脂的片狀碳纖維模塑料放入特定溫度的模具中，加壓使塑料均勻地充滿模具型腔，經(jīng)過一定時(shí)間的保壓后固化。這種成型工藝生產(chǎn)的零部件形狀精度高，適用于中、小型品的成型。

3.熱壓罐成型，工藝流程如圖3所示，將預(yù)浸料鋪于模具的表面，一定的溫度和壓力作用使樹脂基地熔融流動(dòng)后固化成型，適用于大型復(fù)雜的立方體成型品。

4.樹脂傳遞成型，工藝流程如圖4所示，將碳纖預(yù)制板材放置在模具的型腔內(nèi)閉模，然后將樹脂注入閉合的模腔內(nèi)，充分浸潤纖維，固化脫模。此種工藝成型品表面平滑性和成色極佳，可成型復(fù)雜形狀的制品。

2.4 碳纖維復(fù)合材料的連接工藝

碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件和金屬構(gòu)件的機(jī)械連接需要進(jìn)行防電偶腐蝕連接設(shè)計(jì)，碳纖具有很好的導(dǎo)電性，并且與鋼、鋁等金屬材料均存在較大的電位差，這將導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料與金屬材料連接產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。常用的防電化學(xué)主要有3種方法：1）在碳纖維產(chǎn)品與金屬連接處設(shè)計(jì)一層玻璃纖維防護(hù)層;2）緊固件進(jìn)行必要的濕裝配;3）接觸界面噴漆或膠粘劑防腐隔離。

膠粘是通過膠粘劑將碳纖維構(gòu)件與車身粘接進(jìn)行裝配，需要根據(jù)兩粘接部件的性能對(duì)膠粘劑進(jìn)行匹配選型。例如某車型的前頂蓋橫梁選用聚氨酯結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘接，膠層厚度設(shè)計(jì)為1.5mm，汽車構(gòu)件連接安裝區(qū)域的搭接長度不得小于20mm;設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行多輪的CAE仿真分析迭代驗(yàn)證，直至實(shí)物驗(yàn)證膠粘強(qiáng)度滿足性能要求。

3 結(jié)論

由于碳纖維復(fù)合材料的高成本、復(fù)雜制造工藝和自主開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的不足，導(dǎo)致碳纖維在汽車領(lǐng)域的自主大眾化應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。但是，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能、靈活的可設(shè)計(jì)性、顯著的輕量化效果，在乘用車構(gòu)件上的應(yīng)用仍然是大勢所趨。為盡快實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在汽車構(gòu)件上的大幅度量產(chǎn)化應(yīng)用，還需要從碳纖維和樹脂原材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證積累、多材料連接工藝研發(fā)，以及后續(xù)碳纖維可回收再生技術(shù)和零部件售后維護(hù)等方面加大研發(fā)投入。

參考文獻(xiàn)：

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