碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在汽車輕量化中的應(yīng)用

孫少杰

(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)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)模越來(lái)越大，人們對(duì)于汽車的需求也越來(lái)越高。汽車的產(chǎn)量以及保有量的不斷增加，使能源、環(huán)境以及安全等問(wèn)題成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。但是傳統(tǒng)汽車主要選擇金屬作為主要制作材料，該材料可使汽車車身的質(zhì)量不斷增加，不利于汽車的安全行駛。而碳纖維復(fù)合材料的密度較小，且具有優(yōu)越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優(yōu)勢(shì)，成為汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料。為此本研究利用汽車輕量化技術(shù)，在保證汽車安全性能的前提下，盡可能的減輕汽車質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)降低油耗、減少排放等目的。

1 碳纖維復(fù)合材料的特性

碳纖維復(fù)合材料憑借無(wú)蠕變、耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，使其在密度、剛度、耐化學(xué)性等嚴(yán)苛環(huán)境下皆具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

碳纖維復(fù)合材料實(shí)際上是一種將碳纖維作為該材料的增強(qiáng)體，樹(shù)脂、金屬以及陶瓷等材料作為基體的復(fù)合材料，所有復(fù)合材料均可稱之為碳纖維復(fù)合材料。而汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的材料主要以樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)作為核心，為汽車實(shí)現(xiàn)輕量化奠定有力基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)汽車在制造過(guò)程中采用金屬材料作為主要原材料，該方式使汽車的質(zhì)量不斷增加，對(duì)于汽車的性能可產(chǎn)生不利影響。而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可使汽車的總質(zhì)量比使用鋼結(jié)構(gòu)作為主要制造材料減重50%以上，比鋁、鎂合金結(jié)構(gòu)減重30%以上，有利于提升汽車的節(jié)能、加速以及制動(dòng)等性能。除此之外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的剛性以及吸能性也高于傳統(tǒng)金屬材料，其碰撞吸能是鋼的6～7倍、鋁的3～4倍，進(jìn)一步保障汽車的行駛安全。為提升駕駛?cè)藛T的舒適性，該復(fù)合材料的震動(dòng)阻尼可有效提升整車噪聲、振動(dòng)以及聲振粗糙度(NVH)性能。而該復(fù)合材料集成度高的優(yōu)勢(shì)，使其實(shí)現(xiàn)造型自由，對(duì)于汽車的零部件數(shù)量可大大減少，有利于降低汽車的自身質(zhì)量以及生產(chǎn)升本；同時(shí)，可增強(qiáng)汽車的設(shè)計(jì)感，各類汽車輕量化材料性能如表1所示。

表1 各類汽車輕量化材料性能比較

1.1 減輕車身質(zhì)量

碳纖維復(fù)合材料憑借自身優(yōu)勢(shì)，可有效減輕汽車車身的總質(zhì)量，并使汽車功率小于正常需求。為此，對(duì)汽車進(jìn)行制造時(shí)，應(yīng)采用更小的驅(qū)動(dòng)引擎以及懸掛裝置。本研究通過(guò)減少動(dòng)能的方式，為進(jìn)一步減少汽車的沖擊危險(xiǎn)奠定基礎(chǔ)，該方式的最終結(jié)果對(duì)于汽車的整體質(zhì)量具有減輕的作用。由此可證明，使用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的部件替代傳統(tǒng)金屬材料部件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化具有重要作用，并且汽車的輕量化效果比以往更加明顯。

1.2 設(shè)計(jì)靈活

通過(guò)使用碳纖維復(fù)合材料作為汽車部件的原材料，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)對(duì)汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效根據(jù)汽車的不同結(jié)構(gòu)及用途廣泛的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)及加工成型。為實(shí)現(xiàn)汽車的最佳輕量化，本研究的設(shè)計(jì)方案：充分結(jié)合汽車實(shí)際受力情況，對(duì)汽車各部件的纖維結(jié)構(gòu)及排列順序進(jìn)行調(diào)整，使其形成各向異性和不同厚度的碳纖維復(fù)合材料部件，并利用三明治夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)汽車各部件的整體剛性進(jìn)行提升。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)成本和減輕汽車整體質(zhì)量的目的，本研究對(duì)汽車部件進(jìn)行制造時(shí)，將碳纖維按照實(shí)際受力方向進(jìn)行排布，并充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度的各向異性。由于部分汽車零部件對(duì)于自身耐腐蝕性能的要求較高，在對(duì)碳纖維復(fù)合材料部件進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，主要選用耐腐性較好的環(huán)氧樹(shù)脂；而其他性能要求均可通過(guò)選擇合適的原材料進(jìn)行滿足。

在保證汽車基本性能的前提下，為降低汽車碳纖維復(fù)合材料部件的成本，使其生產(chǎn)成本可達(dá)到最優(yōu)化程度，應(yīng)適當(dāng)選用一些低成本的材料替換碳纖維復(fù)合材料。如不同纖維混合鋪層，該材料可充分滿足汽車對(duì)輕量化的性能指標(biāo)需求，并且可有效節(jié)省汽車零部件的生產(chǎn)成本及加工費(fèi)用。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)

當(dāng)前汽車主要采用模塊化及整體化方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而碳纖維復(fù)合材料憑借良好的流動(dòng)性，使汽車在加工制造時(shí)，極易制成各種局部不同強(qiáng)度和形狀曲面，并使其一體化成型。該方式可有效減少零部件的數(shù)量、裝配成本以及模具費(fèi)用等，對(duì)于汽車的外觀氣動(dòng)性能具有重要提升作用。采用碳纖維復(fù)合材料作為原料對(duì)汽車模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于將不同厚度的部件、凸起部、筋、棱、空等一次性整體化成型；該材料更適用于制造汽車部件中較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，使部件的精度更加準(zhǔn)確，其對(duì)于汽車的整體性能具有重要提升作用。

1.4 吸能性和減震性

與傳統(tǒng)汽車用金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優(yōu)勢(shì)，有利于吸收汽車的沖擊能量，對(duì)汽車的安全性具有提升作用。碳纖維復(fù)合材料超高的自身頻率及吸收震動(dòng)能量，使該材料的震動(dòng)阻尼系數(shù)高于金屬材料。因此，在汽車遭受沖擊時(shí)，碳纖維復(fù)合材料可最大限度的吸收沖擊能量，這有利于提高駕駛?cè)藛T的安全性。

1.5 耐腐蝕性和耐候性

汽車在持續(xù)使用過(guò)程中，其零部件將承受機(jī)油、汽油、汽車傳動(dòng)液等化學(xué)制劑的腐蝕，還需要承受外界惡劣環(huán)境的影響。在不同環(huán)境的影響下，可使傳統(tǒng)金屬材料制作的汽車零部件的質(zhì)量一致性以及使用壽命無(wú)法得到保證。通常情況下，碳纖維復(fù)合材料制成的汽車零部件不存在生銹及腐蝕問(wèn)題，并且該材料制成零部件具有耐堿、耐鹽以及耐有機(jī)溶劑腐蝕的優(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料。將該材料應(yīng)用于汽車部件的制造過(guò)程中，有利于延長(zhǎng)汽車部件的使用壽命并降低汽車的維修費(fèi)用。

2 碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

美國(guó)能源部門和機(jī)構(gòu)對(duì)汽車輕量化進(jìn)行研究的數(shù)據(jù)中顯示，汽車整體質(zhì)量每下降10%，油量的消耗可下降6%～8%，排放可降低5%～6%。此數(shù)據(jù)可表明，汽車輕量化是當(dāng)前減少油量消耗及保護(hù)環(huán)境的有效途徑。

碳纖維復(fù)合材料憑借自身多種優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，該材料在汽車中的潛在應(yīng)用比例為：車身結(jié)構(gòu)35%、底盤部件20%、轉(zhuǎn)向及懸掛系統(tǒng)17%、覆蓋件10%、內(nèi)飾件18%。

2.1 汽車車身構(gòu)件

通過(guò)上述數(shù)據(jù)表明，汽車中運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料最多的地方應(yīng)是車身構(gòu)件。車身構(gòu)件主要包括引擎蓋、車架、車頂框架以及A/B/C/D立柱等部分，各部分均將碳纖維復(fù)合材料作為核心制造材料。將碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料進(jìn)行對(duì)比可知，復(fù)合材料的比強(qiáng)度及比剛度明顯高于普通金屬材料。在相同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件下，采用碳纖維復(fù)合材料制作汽車零部件，其質(zhì)量可減輕50%，對(duì)于汽車的動(dòng)力學(xué)性能具有重要提升作用。

2.2 汽車剎車片

碳纖維復(fù)合材料具有較多優(yōu)良特性，主要包括：

(1)其摩擦系數(shù)維持在0.35～0.40，具有良好的穩(wěn)定性及合適性，可保證汽車在制動(dòng)過(guò)程中處于平穩(wěn)狀態(tài)；

(2)該材料的耐熱溫度可高達(dá)2 500 ℃，并且具有較強(qiáng)的耐濕熱性及不易老化性，與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料不存在熱損耗問(wèn)題；

(3)該材料的耐油、耐水以及耐腐蝕等性能，使其成為制造剎車片的理想材料，被廣泛應(yīng)用于剎車片的制造領(lǐng)域。

2.3 汽車輪轂

輪轂是維持汽車正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一，可承受汽車的整體質(zhì)量以及載重。因此，為保證汽車的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)使其具備良好的抗沖擊性、耐久性、耐熱性以及安全性。而碳纖維復(fù)合材料可有效滿足輪轂的實(shí)際需求，有利于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。英國(guó)Kahm公司利用碳纖維復(fù)合材料制成的RX-X型高級(jí)汽車專用輪轂，可充分體現(xiàn)該材料的優(yōu)勢(shì)，其質(zhì)量?jī)H6 kg，具有高速行駛以及降低車輪徑向慣性力的作用。

2.4 汽車傳動(dòng)軸

為保證汽車的穩(wěn)定運(yùn)行，要求傳動(dòng)軸應(yīng)具有良好的傳動(dòng)能力、耐疲勞性等優(yōu)勢(shì)。而碳纖維復(fù)合材料獨(dú)特的各向異性、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，將該材料應(yīng)用于傳動(dòng)軸中，可將傳動(dòng)軸的質(zhì)量減至原來(lái)的一半以上。在各項(xiàng)條件均相同的情況下，將該材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，其扭矩力可達(dá)到鋼材的170%以上。并且碳纖維復(fù)合材料的使用，可使汽車傳動(dòng)軸的耐久性以及耐疲勞性得到顯著提升。

3 碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的發(fā)展趨勢(shì)

由于碳纖維復(fù)合材料具有多種優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)發(fā)展中，該材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用層次也將得到顯著提升，對(duì)于汽車輕量化發(fā)展具有重要作用。

3.1 由高端車型向普及型汽車發(fā)展

碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)用之初，存在生產(chǎn)成本過(guò)高、制造流程過(guò)于復(fù)雜等問(wèn)題，僅將該材料應(yīng)用于超級(jí)跑車以及F1賽車等車輛的生產(chǎn)制造中，其主要原因：此類車輛對(duì)于性能的要求較高，且銷售價(jià)格超過(guò)群眾整體消費(fèi)水準(zhǔn)，不適用于普通群眾購(gòu)買。隨著碳纖維復(fù)合材料的成本逐漸降低、制造工藝逐漸走向成熟，該材料可被應(yīng)用于各大普及型汽車。

3.2 由次結(jié)構(gòu)件向主結(jié)構(gòu)件發(fā)展

對(duì)汽車進(jìn)行構(gòu)造時(shí)，應(yīng)充分考慮汽車以及駕駛?cè)藛T的安全性以及制造工藝等問(wèn)題。因此，碳纖維復(fù)合材料僅應(yīng)用于對(duì)性能要求較低的次結(jié)構(gòu)件中，其中次結(jié)構(gòu)件主要包括內(nèi)飾件、車身覆蓋件等，該方式最終造成碳纖維復(fù)合材料的性能過(guò)剩，不能充分利用該材料的優(yōu)勢(shì)。隨著成型加工技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)步，該材料被廣泛應(yīng)用于汽車的主結(jié)構(gòu)件中，可使碳纖維復(fù)合材料的綜合性能得到有效利用，其中主結(jié)構(gòu)件主要包括B柱、地板以及輪轂等。

3.3 由單件小批量生產(chǎn)到規(guī)?？焐a(chǎn)

通常情況下，碳纖維復(fù)合材料汽車零部件主要以手工的方式進(jìn)行單件小批量的生產(chǎn)，該生產(chǎn)模式占據(jù)汽車零部件的核心制造過(guò)程。但是該方式無(wú)法保證碳纖維復(fù)合材料零部件的整體質(zhì)量，并且使汽車零部件的生產(chǎn)成本不斷提升、效率不斷降低。隨著汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料零部件的用量不斷增加，應(yīng)用要求不斷提高，使汽車零部件的生產(chǎn)方式逐漸走向自動(dòng)化、數(shù)字化以及智能化，該方式對(duì)于汽車零部件的生產(chǎn)具有推動(dòng)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的耐沖擊性、吸能減震性以及粘彈性等優(yōu)勢(shì)，有利于吸收汽車的沖擊能量，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域已成為最有效的途徑之一。碳纖維復(fù)合材料超高的自身頻率及吸收震動(dòng)能量，使該材料的震動(dòng)阻尼系數(shù)高于金屬材料。因此，在汽車遭受沖擊時(shí)，碳纖維復(fù)合材料可最大限度的吸收沖擊能量，有利于提高駕駛?cè)藛T的安全性。通過(guò)使用碳纖維復(fù)合材料作為汽車部件的原材料，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)對(duì)汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效根據(jù)汽車的不同結(jié)構(gòu)及用途廣泛的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)及加工成型，為實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)最佳輕量化奠定有力基礎(chǔ)。