碳纖維一般會與環氧樹脂結合成複合材料使用, 這種複合材料繼承了碳纖維本身較強的比強度, 比模量, 耐疲勞強度和吸能抗震性等一系列優點, 同時, 繼承了環氧樹脂配方設計靈活多樣, 應用針對性強等特點. 與鋁合金結構件相比, 碳纖維複合材料減重效果可達到20%~ 40%, 與鋼類金屬件相比, 碳纖維複合材料的減重效果甚至可達到60%~ 80%.使用碳纖維複合材料, 不僅減輕了整車質量, 還在一定程度上影響和改變了汽車製造工藝.
1 工藝類型
碳纖維增強聚合物基複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP), 是指將碳纖維作為增強相與熱塑性或熱固性的樹脂材料複合而成的材料. CFRP複合材料的製造技術主要包括預浸成形和液體成形工藝, 碳纖維增強聚合物基複合材料工藝類型對比分析如表1所示.
2 汽車部件連接裝配技術
複合材料汽車部件之間的組合裝配及複合材料部件與金屬構件間的連接是不可避免的問題. 複合材料呈各向異性, 層間強度比較低, 延展性小, 使得複合材料連接部位的設計和分析比金屬複雜得多, 汽車行業傳統金屬零部件之間的連接方式也不適用於複合材料的連接, 因此, 了解和改進汽車複合材料的連接和固定方式, 併合理選擇是至關重要的.
由於開孔打斷纖維的連續性, 導致局部應力集中. 複合材料連接部位通常是整個結構中最薄弱的環節, 因此, 保證連接強度是複合材料結構設計中的關鍵. 複合材料連接方式主要分為三大類, 即膠接連接, 機械連接以及兩者的混合連接. 對於熱塑性複合材料, 還有焊接技術. 複合材料連接技術設計需要根據構件的具體使用情況和設計要求來確定.
2.1 膠接連接
與機械連接相比, 膠接技術的主要優點是無開孔引起的應力集中, 減輕結構質量, 抗疲勞, 減振和絕緣性能好, 外觀平整光滑, 黏結工藝簡單, 無電化學腐蝕問題等. 但是, 膠接技術也存在一些缺點, 比如膠接質量控制困難, 膠接強度分散性比較大, 缺少可靠的檢驗方法, 黏結面的表面處理和黏結工藝要求嚴格等. 對於碳纖維複合材料車身, 膠接是主要的連接方式.
2.2 機械連接
機械連接一般使用的是鉚釘和螺栓, 是最常用的一種連接方式. 機械連接的主要優點是連接可靠性高, 維修或更換中可重複拆卸和裝配, 不需要處理表面, 對環境的影響比較小等. 機械連接的主要缺點是會增加質量, 會導致應力集中, 金屬與複合材料接觸產生電化學腐蝕等問題. 鉚釘連接和螺栓連接的對比情況如圖1所示.
2.3 混合連接
為了提高連接的安全性和完整性, 在一些重要的連接部位, 通常同時採用膠接和機械連接的混合連接方式, 充分利用2 種連接方式的優點, 確保連接部位有足夠的強度和較高的可靠性.
2.4 焊接
焊接技術主要應用於熱塑性複合材料部件, 其基本原理是, 加熱熔融熱塑性複合材料表面的樹脂, 然後搭接加壓, 使之接成一體. 焊接主要有超聲波焊接, 電感應焊接和電阻焊接3 種方式. 焊接的優點是連接效果好且周期短, 無需表面處理, 連接強度高, 應力小等;不足之處是不易拆卸, 需要加入導電性材料或金屬絲等. 此外, 在複合材料結構件成型過程中, 可以在纖維預成型體中預埋金屬連接件, 成型後複合材料與金屬預埋件成為一體, 複合材料部件間可以通過金屬預埋件連接, 以避免機加工損傷複合材料.
3 用於汽車的應用優勢
在選擇汽車材料時需要考慮一系列因素, 比如力學性能, 輕量化, 材料穩定性, 材料的可設計性和可加工性等. 每一個因素都會對汽車的設計, 生產, 銷售, 使用等產生不可忽視的影響. 近年來, 碳纖維增強聚合物基複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP)以其獨有的性能特點, 成為頗受人們關注的汽車新材料. 與其他汽車材料相比, 碳纖維增強聚合物基複合材料具有以下優勢.
3.1 綜合力學性能優異
車用碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP)的密度為1.5~ 2g/cm3, 僅為普通碳鋼的1/4~ 1/5, 比鋁合金還要輕1/3左右, 但碳纖維複合材料的綜合力學性能明顯優於金屬材料, 其抗拉強度是鋼材的3~ 4倍. 鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30%~ 50%, 而CFRP可達70%~ 80%.同時, CFRP還具有比輕金屬更好的振動阻尼特性, 比如輕合金需要9s才能停止震動, 而碳纖維複合材料2s就能停止, 比強度和比模量高.
3.2 可設計性強
碳纖維複合材料的可設計性強, 可依據使用性能要求合理選擇基體材料, 設計纖維的排列方式和複合材料的構造形式, 靈活地進行產品設計. 例如, 將碳纖維按照受力方向排布, 可充分發揮複合材料強度的各項異性, 從而達到節約材料和減輕質量的目的. 對於要求具有耐腐蝕性能的產品, 在設計時, 可選用耐腐蝕性能好的基體材料.
3.3 可實現一體化製造
模組化, 整體化也是汽車結構的一種發展趨勢. 複合材料在成型時易於製成各種形狀的曲面, 實現一體化製造汽車零部件產品. 一體化成型製造不僅可以減少零部件的數量和模具數量, 減少零部件連接等工序, 還可以極大地縮短生產周期. 例如, 如果汽車前端模組採用碳纖維複合材料製作, 可實現整體一體化成型, 避免金屬製件的後續拼焊和後續加工產生的局部應力集中, 在保障產品精度和提高性能的同時, 減輕汽車零部件質量, 降低製造成本.
3.4 吸能抗衝擊性強
碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP)具有一定的黏彈性, 並且碳纖維與基體之間有微小的局部相對運動, 可產生界面摩擦力. 在黏彈性和界面摩擦力的協同作用下, CFRP製件具有更好的吸能抗衝擊性能. 另一方面, 經特殊編織的碳纖維複合材料碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片, 吸收大量的撞擊能量, 其能量吸收能力比金屬材料高4~ 5倍, 能有效提高車輛安全性, 保障成員安全.
3.5 耐腐蝕性好
碳纖維增強聚合物基複合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成, 具有優異的耐酸堿性能, 用其製造的汽車零部件無需進行表面防腐處理, 其耐候性和耐老化性能較好, 壽命一般為鋼材的2~ 3倍.
3.6 高溫性能好
碳纖維在400 ℃以下性能保持非常穩定, 在1 000 ℃時仍無太大變化.
3.7 抗疲勞性能好
碳纖維增強材料因纖維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用, 其抗疲勞性能可達70%~ 80%碳纖維的結構穩定, 製成的複合材料經應力疲勞數百萬次的迴圈試驗後, 其強度保留率仍有60%, 而鋼材和鋁材分別為40%和30%, 玻璃纖維只有20%~ 25%因此, 碳纖維複合材料的抗疲勞性能適合廣泛應用於汽車行業.
4 用於新能源乘用車的經濟性分析
由於碳纖維的引用, 車身可減重50%以上, 以典型A級車型的車身減重100kg為例, 整車輕量化的意義非常明顯, 可從以下幾個方面略加闡述:①對於1台續駛300km, 裝電量45kW·h的乘用車來說, 以行業專家 '每減重100kg, 增加8%左右的續駛裡程' 計算, 同樣的續駛裡程可以減少3.6kW·h的裝電量, 節約電池費用約為0.6萬元;②以行駛40萬公裡生命周期, 電費平均按照0.9元/kW·h計算, 整車生命周期內可節約電費400000/100×1.2×0.9=0.432萬元(按100km節省1.2kW·h電量計算);③因為碳纖維材料的應用, 以5萬輛的整車生產規模為例, 所節約的工藝投資, 設備投資折算到電動汽車的經濟當量中, 每台車中的攤銷約節約2000元;④因為工藝精簡, 人員成本至少節約1000元/台.
以上數項合計, 每台車可平均節約0.6+0.432+0.2+0.1=1.332萬元成本, 但這些費用不足以沖減因為碳纖維的引入所帶來的材料本身成本的增加. 由此可見, 碳纖維車身的應用目前仍存在較大的問題. 如果要推廣輕量化車身, 只能從降低工藝和設備的投入方面入手. 以上數項合計, 每台車可平均節約0.6+0.432+0.2+0.1=1.332萬元成本, 但這些費用不足以沖減因為碳纖維的引入所帶來的材料本身成本的增加. 由此可見, 碳纖維車身的應用目前仍存在較大的問題.
如果要推廣輕量化車身, 只能從降低工藝和設備的投入方面入手.
如果汽車實現碳纖維車身量產, 碳纖維材料本身的成本也會大幅度下降, 整個行業效應也相當巨大, 經濟效益也將越發明顯. 這些僅僅是從碳纖維的角度分析的, 如果再考慮鋁合金車身減重達50kg的因素, 按同樣的道理正向疊加, 經濟效應不言自明.
5 用於車身的發展趨勢
鑒於碳纖維增強複合材料的特點, 這類材料逐漸受到了汽車製造商的青睞. 據估計, 在汽車領域, 碳纖維使用量正以年均34%的速度增長, 到2020年將達到2.3萬噸. 圖2為碳纖維增強複合材料用於車身的發展路線圖.
當前, 碳纖維增強複合材料的主要應用於車身覆蓋件, 車身上的裝飾件和結構件上. 例如, 寶馬公司已在其開發的多種車型中大量採用碳纖維複合材料製造車身結構件, 這已經成為碳纖維複合材料應用於汽車製造的重要時刻. 同時, 寶馬公司還與德國西格裡公司(SGL)進一步合作, 投資1億歐元研發低成本碳纖維, 並將碳纖維產量從每年3000t提高到9000t, 用以滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車以及其他車型的需求.
6 結束語
綜上所述, 碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP)以其獨特的性能優勢成為未來汽車新材料的重要發展方向. 然而, 這種材料要想在汽車領域推廣應用, 還需要從以下幾方面入手開展產學研協同研發: ①進一步尋求更低成本的碳纖維先驅體;②研發碳纖維製造新工藝, 比如先驅體材料的穩定化技術;③優化碳纖維製造工藝參數或採用納米碳纖維, 以進一步提高CFRP複合材料的性能;④研發快捷, 有效的CFRP製件成型製造技術, 比如成型快速固化技術, 複合材料流動性控制技術等;⑤利用計算機模擬分析技術(CAE)遴選不同的碳纖維複合材料, 並優化成型工藝參數.