碳纤维一般会与环氧树脂结合成复合材料使用, 这种复合材料继承了碳纤维本身较强的比强度, 比模量, 耐疲劳强度和吸能抗震性等一系列优点, 同时, 继承了环氧树脂配方设计灵活多样, 应用针对性强等特点. 与铝合金结构件相比, 碳纤维复合材料减重效果可达到20%~ 40%, 与钢类金属件相比, 碳纤维复合材料的减重效果甚至可达到60%~ 80%.使用碳纤维复合材料, 不仅减轻了整车质量, 还在一定程度上影响和改变了汽车制造工艺.
1 工艺类型
碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP), 是指将碳纤维作为增强相与热塑性或热固性的树脂材料复合而成的材料. CFRP复合材料的制造技术主要包括预浸成形和液体成形工艺, 碳纤维增强聚合物基复合材料工艺类型对比分析如表1所示.
2 汽车部件连接装配技术
复合材料汽车部件之间的组合装配及复合材料部件与金属构件间的连接是不可避免的问题. 复合材料呈各向异性, 层间强度比较低, 延展性小, 使得复合材料连接部位的设计和分析比金属复杂得多, 汽车行业传统金属零部件之间的连接方式也不适用于复合材料的连接, 因此, 了解和改进汽车复合材料的连接和固定方式, 并合理选择是至关重要的.
由于开孔打断纤维的连续性, 导致局部应力集中. 复合材料连接部位通常是整个结构中最薄弱的环节, 因此, 保证连接强度是复合材料结构设计中的关键. 复合材料连接方式主要分为三大类, 即胶接连接, 机械连接以及两者的混合连接. 对于热塑性复合材料, 还有焊接技术. 复合材料连接技术设计需要根据构件的具体使用情况和设计要求来确定.
2.1 胶接连接
与机械连接相比, 胶接技术的主要优点是无开孔引起的应力集中, 减轻结构质量, 抗疲劳, 减振和绝缘性能好, 外观平整光滑, 黏结工艺简单, 无电化学腐蚀问题等. 但是, 胶接技术也存在一些缺点, 比如胶接质量控制困难, 胶接强度分散性比较大, 缺少可靠的检验方法, 黏结面的表面处理和黏结工艺要求严格等. 对于碳纤维复合材料车身, 胶接是主要的连接方式.
2.2 机械连接
机械连接一般使用的是铆钉和螺栓, 是最常用的一种连接方式. 机械连接的主要优点是连接可靠性高, 维修或更换中可重复拆卸和装配, 不需要处理表面, 对环境的影响比较小等. 机械连接的主要缺点是会增加质量, 会导致应力集中, 金属与复合材料接触产生电化学腐蚀等问题. 铆钉连接和螺栓连接的对比情况如图1所示.
2.3 混合连接
为了提高连接的安全性和完整性, 在一些重要的连接部位, 通常同时采用胶接和机械连接的混合连接方式, 充分利用2 种连接方式的优点, 确保连接部位有足够的强度和较高的可靠性.
2.4 焊接
焊接技术主要应用于热塑性复合材料部件, 其基本原理是, 加热熔融热塑性复合材料表面的树脂, 然后搭接加压, 使之接成一体. 焊接主要有超声波焊接, 电感应焊接和电阻焊接3 种方式. 焊接的优点是连接效果好且周期短, 无需表面处理, 连接强度高, 应力小等;不足之处是不易拆卸, 需要加入导电性材料或金属丝等. 此外, 在复合材料结构件成型过程中, 可以在纤维预成型体中预埋金属连接件, 成型后复合材料与金属预埋件成为一体, 复合材料部件间可以通过金属预埋件连接, 以避免机加工损伤复合材料.
3 用于汽车的应用优势
在选择汽车材料时需要考虑一系列因素, 比如力学性能, 轻量化, 材料稳定性, 材料的可设计性和可加工性等. 每一个因素都会对汽车的设计, 生产, 销售, 使用等产生不可忽视的影响. 近年来, 碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP)以其独有的性能特点, 成为颇受人们关注的汽车新材料. 与其他汽车材料相比, 碳纤维增强聚合物基复合材料具有以下优势.
3.1 综合力学性能优异
车用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的密度为1.5~ 2g/cm3, 仅为普通碳钢的1/4~ 1/5, 比铝合金还要轻1/3左右, 但碳纤维复合材料的综合力学性能明显优于金属材料, 其抗拉强度是钢材的3~ 4倍. 钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30%~ 50%, 而CFRP可达70%~ 80%.同时, CFRP还具有比轻金属更好的振动阻尼特性, 比如轻合金需要9s才能停止震动, 而碳纤维复合材料2s就能停止, 比强度和比模量高.
3.2 可设计性强
碳纤维复合材料的可设计性强, 可依据使用性能要求合理选择基体材料, 设计纤维的排列方式和复合材料的构造形式, 灵活地进行产品设计. 例如, 将碳纤维按照受力方向排布, 可充分发挥复合材料强度的各项异性, 从而达到节约材料和减轻质量的目的. 对于要求具有耐腐蚀性能的产品, 在设计时, 可选用耐腐蚀性能好的基体材料.
3.3 可实现一体化制造
模块化, 整体化也是汽车结构的一种发展趋势. 复合材料在成型时易于制成各种形状的曲面, 实现一体化制造汽车零部件产品. 一体化成型制造不仅可以减少零部件的数量和模具数量, 减少零部件连接等工序, 还可以极大地缩短生产周期. 例如, 如果汽车前端模块采用碳纤维复合材料制作, 可实现整体一体化成型, 避免金属制件的后续拼焊和后续加工产生的局部应力集中, 在保障产品精度和提高性能的同时, 减轻汽车零部件质量, 降低制造成本.
3.4 吸能抗冲击性强
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有一定的黏弹性, 并且碳纤维与基体之间有微小的局部相对运动, 可产生界面摩擦力. 在黏弹性和界面摩擦力的协同作用下, CFRP制件具有更好的吸能抗冲击性能. 另一方面, 经特殊编织的碳纤维复合材料碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片, 吸收大量的撞击能量, 其能量吸收能力比金属材料高4~ 5倍, 能有效提高车辆安全性, 保障成员安全.
3.5 耐腐蚀性好
碳纤维增强聚合物基复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成, 具有优异的耐酸碱性能, 用其制造的汽车零部件无需进行表面防腐处理, 其耐候性和耐老化性能较好, 寿命一般为钢材的2~ 3倍.
3.6 高温性能好
碳纤维在400 ℃以下性能保持非常稳定, 在1 000 ℃时仍无太大变化.
3.7 抗疲劳性能好
碳纤维增强材料因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用, 其抗疲劳性能可达70%~ 80%碳纤维的结构稳定, 制成的复合材料经应力疲劳数百万次的循环试验后, 其强度保留率仍有60%, 而钢材和铝材分别为40%和30%, 玻璃钢只有20%~ 25%因此, 碳纤维复合材料的抗疲劳性能适合广泛应用于汽车行业.
4 用于新能源乘用车的经济性分析
由于碳纤维的引用, 车身可减重50%以上, 以典型A级车型的车身减重100kg为例, 整车轻量化的意义非常明显, 可从以下几个方面略加阐述:①对于1台续驶300km, 装电量45kW·h的乘用车来说, 以行业专家 '每减重100kg, 增加8%左右的续驶里程' 计算, 同样的续驶里程可以减少3.6kW·h的装电量, 节约电池费用约为0.6万元;②以行驶40万公里生命周期, 电费平均按照0.9元/kW·h计算, 整车生命周期内可节约电费400000/100×1.2×0.9=0.432万元(按100km节省1.2kW·h电量计算);③因为碳纤维材料的应用, 以5万辆的整车生产规模为例, 所节约的工艺投资, 设备投资折算到电动汽车的经济当量中, 每台车中的摊销约节约2000元;④因为工艺精简, 人员成本至少节约1000元/台.
以上数项合计, 每台车可平均节约0.6+0.432+0.2+0.1=1.332万元成本, 但这些费用不足以冲减因为碳纤维的引入所带来的材料本身成本的增加. 由此可见, 碳纤维车身的应用目前仍存在较大的问题. 如果要推广轻量化车身, 只能从降低工艺和设备的投入方面入手. 以上数项合计, 每台车可平均节约0.6+0.432+0.2+0.1=1.332万元成本, 但这些费用不足以冲减因为碳纤维的引入所带来的材料本身成本的增加. 由此可见, 碳纤维车身的应用目前仍存在较大的问题.
如果要推广轻量化车身, 只能从降低工艺和设备的投入方面入手.
如果汽车实现碳纤维车身量产, 碳纤维材料本身的成本也会大幅度下降, 整个行业效应也相当巨大, 经济效益也将越发明显. 这些仅仅是从碳纤维的角度分析的, 如果再考虑铝合金车身减重达50kg的因素, 按同样的道理正向叠加, 经济效应不言自明.
5 用于车身的发展趋势
鉴于碳纤维增强复合材料的特点, 这类材料逐渐受到了汽车制造商的青睐. 据估计, 在汽车领域, 碳纤维使用量正以年均34%的速度增长, 到2020年将达到2.3万吨. 图2为碳纤维增强复合材料用于车身的发展路线图.
当前, 碳纤维增强复合材料的主要应用于车身覆盖件, 车身上的装饰件和结构件上. 例如, 宝马公司已在其开发的多种车型中大量采用碳纤维复合材料制造车身结构件, 这已经成为碳纤维复合材料应用于汽车制造的重要时刻. 同时, 宝马公司还与德国西格里公司(SGL)进一步合作, 投资1亿欧元研发低成本碳纤维, 并将碳纤维产量从每年3000t提高到9000t, 用以满足不断增长的宝马i系列电动汽车以及其他车型的需求.
6 结束语
综上所述, 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以其独特的性能优势成为未来汽车新材料的重要发展方向. 然而, 这种材料要想在汽车领域推广应用, 还需要从以下几方面入手开展产学研协同研发: ①进一步寻求更低成本的碳纤维先驱体;②研发碳纤维制造新工艺, 比如先驱体材料的稳定化技术;③优化碳纤维制造工艺参数或采用纳米碳纤维, 以进一步提高CFRP复合材料的性能;④研发快捷, 有效的CFRP制件成型制造技术, 比如成型快速固化技术, 复合材料流动性控制技术等;⑤利用计算机仿真分析技术(CAE)遴选不同的碳纤维复合材料, 并优化成型工艺参数.