碳纤维复合材料特性及其在汽车单体壳上的应用

2017-01-20侯雅男

工业技术创新 2016年6期

关键词：热压轻量化赛车

侯雅男

（大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连，116024）

碳纤维复合材料特性及其在汽车单体壳上的应用

侯雅男

（大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连，116024）

碳纤维复合材料（CFRP）性能卓越，在汽车领域应用前景可观。首先，以刚度、柔度和各向异性为典型，介绍了CFRP的性能，并从真空辅助成型和热压罐成型两种方法阐述了CFRP的制备技术。其次，以单体壳为例，对CFRP在汽车中的应用展开了论述，从宏观上把握了单体壳的应用现状和技术难点。分析表明：CFRP有助于汽车轻量化，促进节能减排、降低油耗；将单体壳推广到民用车领域还受到安全、舒适度、智能设备适应性等瓶颈的制约，迫切渴望技术创新和资金投入。碳纤维复合材料在单体壳上的应用，将推动汽车史上的第二次科技革命。

碳纤维复合材料（CFRP）；汽车；轻量化；单体壳；科技革命

引言

碳纤维复合材料（CFRP，以下简称碳纤维）具有高强度、高模量、耐腐蚀、轻质量、高阻尼、强导电性、耐热、耐冲击、强可设计性等优势，被广泛应用于航天、体育、发电、汽车等领域。

随着汽车普及率的提高，尾气污染也愈发严重。新能源汽车可起到汽车轻量化的作用，是实现节能减排、降低油耗的途径之一。国家相关标准要求汽车的重量于2025年减重25%，油耗降低至5L/km，为新材料，尤其是碳纤维材料的应用提供了可行之路。

1 CFRP性能及制备

碳纤维复合材料是以树脂、陶瓷、金属以及碳等材料作为基体，以碳纤维布作为增强体制成的结构材料，分别称为碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳纤维增强金属基复合材料以及C/C复合材料[1-4]。在碳纤维复合材料中，碳纤维起到增强作用，树脂等基体起到复合材料成型的作用。

1.1 性能

碳纤维含碳量一般高达95%，是一种高刚度，同时又高柔度的各向异性新型纤维材料。

与金属相比，其钢度是铝镁等金属的10倍，但其质量却是金属的三分之一以下。由此可见，碳纤维是实现汽车轻量化、节能减排必不可少的新兴材料。碳纤维的耐冲击性好，当受到冲击时会发生形变，基体和碳纤维通过本身与其间的摩擦力来吸收冲击。但超出极限时，会像钢化玻璃一样破碎，形变不可修复，这也是其被广泛应用的困难之一。

碳纤维还有一个金属材料所不具备的优势，即柔软可加工性。利用真空辅助成型工艺（RTM）等，可以制成各种形状的碳纤维件，同时不再需要螺栓、螺钉等紧固件，并省去打孔、冲压等工序，实现零件的一体化。从这方面来看，碳纤维将带动汽车史上的第二次科技革命。

碳纤维的各向异性具体表现为：当碳纤维复合材料的受力方向与纤维方向一致时，碳纤维起主导作用，承担较大部分的力；当受力方向垂直于纤维方向时，抗拉强度由基体（树脂、陶瓷等）决定，强度减小且逊于纤维。利用上述特性，实际生产中可根据受力情况确定材料厚度、用量等，减少材料耗费。

1.2 制备

目前碳纤维的制备方法较少，较为普遍的是手糊和RTM，除此还有热压罐成型、滴灌成型等方法。上述方法只适合少量中小件的制作，尚不适合汽车零件的量产[5]。

现阶段，为了实现量产化，日本东丽碳纤维公司采用快速成型固化剂开发了高速RTM成型法，并通过其研制了碳纤维概念车，另外还有称作BPH的全新固化剂预成型法、热压罐成型法等，为碳纤维在汽车领域的广泛应用打下了基础。

RTM是利用真空泵抽出空气抽进树脂，真空泵将树脂抽满整个碳纤件，树脂在室温下干透。这种方法的优点是简单方便，制作成本较低，但是精度不高，不适合曲面碳纤件的制作，所以不能在汽车领域广泛应用。

热压罐成型是利用热压罐里面的高温高压帮助预浸碳纤布维持真空和高温的方法进行制备的。预浸碳纤布与模具的贴合度高、精度高，可以制作复杂的曲面碳纤件，但制作效率低，不适合大件的量化生产。

我国的碳纤维制备技术的研发与创新能力较弱，提高碳纤维质量、制备技术、产业化的研究力度，非常重要。

2 CFRP的应用——以单体壳汽车为例

CFRP的高性能使其在航空、体育、武器、医疗、汽车等领域都有运用，常见的有高尔夫球杆、曲棍球棍、自行车车架等。在汽车上主要应用于传动轴、轮毂、刹车片、尾翼、引擎盖，刹车片，离合片等，但一般用于高端车，造价较高。

2.1 CFRP应用于汽车的优劣性

碳纤维应用在汽车上可以减轻汽车质量，提高燃油经济性，另外其可设计性强，能够使零部件一体化，并减少工序。20世纪70年代末，福特公司将其应用在汽车上的轻量化研究取得了较好的效果。碳纤维还应用于车身上，如现在已经量产的宝马i3、i8、7系、5系。2015年，江苏生产了我国的首辆碳纤维新能源动车，但是还未量产化。碳纤维在汽车上的应用将是汽车领域的革命性变革。

碳纤维虽然有着高性能，但因其生产成本高，质量不稳定，制作周期长，以及铺层角度和结构设计等问题，限制了其在汽车领域的发展。除了量产困难，维修和回收利用、性能的长期稳定性、耐久性和耐破坏能力也是亟待解决的问题。另外，成型工艺、性能指标、质量控制等相应标准的建立与完善也是保证其应用安全的必要条件之一。

2.2 单体壳应用现状

碳纤维最先应用于航空领域，之后逐渐发展或即将发展到赛车和民用车等其它领域。在赛车领域的应用之一是单体壳，乃赛车的承载式车身，具有很轻的质量和很高的强度，可提高赛车的加速性能和扭转性能，能够很好地缓和冲击，保证驾驶员安全。图1所示为一款使用单体壳材料作为车身的新型赛车。

图1 一款使用单体壳材料作为车身的新型赛车

1984年，迈凯伦引进F1领域的第一辆碳纤维单体壳，从此碳纤维单体壳便作为赛车轻量化和保护车手的必要设备。单体壳由碳纤维和蜂窝铝或芳纶蜂窝夹层制成，采用三明治（Sandwich）结构，上下两层碳纤维，中间夹有夹层，可以在保证一定强度和刚度的情况下节省碳纤维材料，降低成本。制备采用热压罐成型工艺。目前国内的FSAE（中国大学生方程式汽车大赛）中已有三个大学研制应用了单体壳，分别是哈尔滨工业大学、北京理工大学和厦门理工大学。他们采用碳纤维单体壳来代替原来笨重的桁架式钢管结构，车重减轻了将近一半多。

单体壳的应用是汽车轻量化的必经之路。它集车身和车架于一体，又采用比重较小的碳纤维材料，能够使零部件一体化，大大减轻了车重。车重减轻，油耗减小，汽车扭转力矩增加，则整体性能提高，所以单体壳是未来汽车的发展趋势。

2.3 单体壳应用难题

由于我国碳纤维技术尚不成熟，单体壳的设计与制作也存在相当大的困难。单体壳在民用车上的应用将是未来的趋势。单体壳目前仅应用于赛车领域，因为赛车结构相对简单，而民用车不仅要考虑速度和安全性能，还要考虑舒适性以及电子设备的利用等方面。将单体壳应用在民用车上，还有很长的路要走。

从单体壳的设计方面，要根据车身的受力方向来设计确定碳纤维的厚度、结构和铺层角度等。由于碳纤维打孔易产生裂纹，悬架的安装点要进行预埋处理。单体壳设计与制作的困难还远不止这些，因为赛车领域的碳纤维单体壳是经过多次分析和实践才取得的成果，将其发展运用到民用车中还需要更多的探索与试验。

3 结束语

通过以上的分析可知，碳纤维单体壳有着很大的发展前景，但是这个过程是漫长且艰辛的。迫切需要提高碳纤维生产效率和质量，努力提高制备技术，克服一切困难，最终推进单体壳在汽车等领域的发展与应用。

[1]王东川, 刘启志, 柯枫. 碳纤维增强复合材料在汽车上的应用[J]. 汽车工艺与材料, 2005(4): 33-36.

[2]翟瑞龙. 高性能纤维为汽车瘦身. 中国石化报[N/OL]. (2016-06-28) [2016-10-21]. http://enews.sinopecnews.com.cn/zgshb/ html/2016-06/28/content_732830.htm.

[3]张婧, 于今, 熊磊, 等. 车用碳纤维复合材料性能及成型工艺[J]. 科技导报, 2016(8): 26-30.

[4]曹永友, 李青青, 王强. 碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展[J]. 汽车工艺与材料, 2008(10): 54-57.

[5]徐海澜, 张科峰. 碳纤维复合材料在汽车后下部防护装置中的应用探讨[J]. 客车技术与研究, 2016, 38(3): 44-47, 59.

Characteristics of Carbon Fibre Reinforced Polymer and its Applications on Monocoque for Automobile

HOU Ya-nan
(School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning,116024, China)

Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) has excellent performance and promising application prospects in automotive field. Firstly, the stiffness, flexibility and anisotropy are taken as typical examples to illustrate the performance of CFRP, and the preparation technology of CFRP is discussed from two methods namely vacuum assisted molding and autoclave molding. Secondly, the application of CFRP in automobile is discussed from an example of monocoque, to grasp its application status and technical difficulties through a macro view. The analyses show that CFRP contributes to the lightweight of automobile, the promotion on energy conservation, and the reduction on fuel consumption; extension of monocoque to civil automobiles is subject to bottlenecks of safety, comfort, and adaptability on smart devices, which is eager for technological innovation and capital investment. The application of CFRP by means of monocoque will trend to promote the second technological innovation in the history of the automobile.

Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP); Automobile; Lightweight; Monocoque; Technological Innovation

U214.9+9

2095-8412 (2016) 06-1293-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.065