先進復合材料從飛機轉向汽車應用的關鍵技術

張靠民，李 敏，顧軼卓，張佐光

(北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京100191)

1 前言

先進交通工具是社會文明與進步的主要標志之一，從汽車、輪船、飛機到航天飛行器，每一個都代表人類智慧的結晶，新材料是支撐其不斷進步與發展的關鍵。美國麻省理工學院的M.Flemings教授和劍橋大學的R.Cahn教授明確指出:信息技術、生物技術和新材料技術是國家興旺發達的關鍵，而材料技術是另兩個技術成為可能的前提[1]。復合化是新材料發展的重要方向，也是新材料的重要組成部分和最具生命力的分支之一[2]，而先進復合材料(Advanced Composite Materials，ACM)是復合材料家族中的佼佼者[3]。碳纖維等高性能纖維增強聚合物基復合材料具有高比模、高比強、耐疲勞、耐腐蝕、整體成型以及性能可設計等諸多優良特性，是其中的杰出代表，作為輕質高強結構材料的首選，廣泛應用于航空航天工業，并成為其先進性的標志之一。以2009年首飛的波音787為例，碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)用量超過了45%，除了發動機等個別部件外，基本實現了飛機的復合材料化。減重帶來的效益也非常明顯，波音787的油耗降低20%[2，4－6]，并且飛機的安全性、舒適性、環保性、經濟性等主要指標均有改善。汽車工業早在CFRP發明初期就對其表現出了極大的興趣，有專家預言CFRP將是未來主要汽車結構材料之一[7]，從近年來國外著名汽車公司對碳纖維的重視程度也可見一斑[8－12]。

雖然復合材料在航空工業已經有近四十多年的應用歷史，積累了成熟的技術和應用經驗，但汽車工業有不同于航空工業的自身特性和產業特點，最突出的就是對成本和生產效率的要求更高。因此，借鑒已有的航空用復合材料經驗，研究發展適合汽車工業的復合材料的低成本和高效制造技術，是推動ACM在汽車工業應用的關鍵。本文對碳纖維增強樹脂基復合材料在汽車工業中的應用現狀進行評述，并對制約汽車ACM規模化應用的關鍵技術進行了初步探討。

2 先進材料支撐汽車輕量化

一次能源枯竭和環境持續惡化是阻礙可持續發展的兩大頑疾。作為石油消耗和尾氣排放的主要實體之一，降低排放和油耗成了汽車工業最具挑戰性的目標，提高燃油效率已經是全球汽車企業面臨的共性問題，而且迫在眉睫[13]。輕量化技術是降低排放和油耗的有效途徑之一。世界鋁業協會的報告指出，汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%，而燃油消耗每減少 1 L，CO2的排放量減少 2.45 kg[14－15]。輕量化技術已經成為汽車行業追求的關鍵技術之一，是引領未來發展的技術制高點，而先進輕量化材料技術是汽車輕量化的基礎[16－19]。

從國際汽車用材料的發展來看，車用輕量化材料主要有3類:高強度鋼、輕質合金(主要是鋁、鎂、鈦等合金)和ACM[20－24]，其中以碳纖維復合材料的輕量化效果最為顯著。碳纖維復合材料(CFRP)的強度和模量均是高強度鋼和輕質鋁合金的數倍，而其密度只有鋼的1/5，鋁的1/2，作為結構材料具有非常明顯的輕量化優勢[25]。表1以軟鋼為參考基準，對比了高強度鋼、鋁、碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等輕量化材料的成本和減重效果。可以看出碳纖維復合材料的減重效果最顯著，但成本也最高。

由圖1可知碳纖維復合材料(CFRP)的吸能效果遠高于傳統金屬材料和玻璃鋼，而且連續纖維增強的復合材料(CFRP和GFRP)的抗沖擊性也遠高于短纖維增強復合材料(Sheet Moulding Compound，SMC)，這有利于提高汽車的碰撞安全性。如果僅從材料性能來講，碳纖維復合材料是目前最理想的輕量化材料。但是碳纖維復合材料的成本較高，而且成型周期較長，這是制約碳纖維復合材料在汽車工業大規模應用的瓶頸。

表1 輕量化材料的減重效果及相對成本[26]Table 1 The lightweight material weight loss and relative cost

圖1 不同輕量化材料的吸能效率[27]Fig.1 Energy absorption efficiency of different lightweight materials[27]

3 汽車復合材料的應用與研究現狀

3.1 碳纖維復合材料在汽車上的典型應用

碳纖維最先由大阪工業技術研究所發明，并于1963年由美國聯合碳化合物公司率先工業化，作為增強材料最早應用于航空工業。雖然人們早就看到它在汽車工業的潛在應用價值，但由于價格及其它原因，一直沒有得到產業化推廣。隨著汽車輕量化要求的日益迫切和碳纖維生產能力的不斷提高，碳纖維復合材料逐漸走入汽車工業，并有愈演愈烈的趨勢。

1992年，通用汽車展出了超輕概念車，該車車身由碳纖維復合材料制成，采用碳纖維預浸料熱壓工藝制造，車身質量為191 kg，整車質量降低68%，節油40%。2003年，戴姆勒克萊斯勒公司推出了Dodge Viper跑車，該車的擋板支架系統采用了碳纖維復合材料，是碳纖維復合材料在汽車底盤上的首次應用。2009年，迪拜國際汽車展上英國DYMAG公司展示了世界最輕的碳纖維/鎂車輪，車輪由碳纖維輪網和鎂剎車盤兩部分組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。汽車配備這種車輪時可降低回旋效應，而且更輕便、加速快、減少剎車距離。2011年9月，日本東麗公司在東京國際論壇上公開了采用大量碳纖維復合材料的TEEWAVE AR1電動車，該公司將汽車用碳纖維定位為“戰略性擴大業務”。2011年，蘭博基尼在日內瓦車展期間推出了Murciélago替代車型，該車的突出特色之一就是大量采用了碳纖維復合材料，尤其是全碳纖維復合材料單殼體車身，重量僅有145.5 kg[28]。寶馬公司計劃在2013年推出的BMWi3電動汽車也將大量采用碳纖維復合材料。圖2是部分碳纖維復合材料在汽車中的應用實例。

圖2 碳纖維復合材料在汽車中的應用實例:(a)蘭博基尼CFRP單殼體車身，(b)東麗公司電動車，(c)DYMAG公司的碳纖維輪轂，(d)碳纖維復合材料寶馬i3車體示意圖Fig.2 Examples of the application of carbon fiber composites in the cars:(a)Lamborghini CFRP monocoque，(b)Dongli company electrombile，(c)DYMAG company carbon fiber weels，and(d)carbon composite BMW i3 car body

3.2 關于汽車復合材料的研發計劃

近年來，世界著名汽車公司和碳纖維復合材料公司紛紛加大汽車碳纖維復合材料的技術研發力度。2009年1月，東麗株式會社宣布在歐洲建立一個碳纖維增強塑料的研發基地，并且專門成立了汽車用復合材料研究中心。該中心以RTM為核心工藝，重點攻關，旨在實現碳纖維復合材料的產業化應用。2009年10月，德國西格里(SGL)集團與寶馬(BMW)集團組建合資企業，聯合美國卓爾泰克和日本三菱麗陽合作生產碳纖維，目標是降低碳纖維成本，實現工業化生產，建筑工程于2010年啟動，計劃于2015年前投產。該項目被認為是汽車工業按產業化規模使用碳纖維的里程碑，碳纖維將第一次在系列化汽車制造中發揮重要作用，并在使用更輕量化材料的替代進程中起到越來越大的作用。2010年4月，戴姆勒與日本東麗集團合資成立子公司，共同研發碳纖維復合材料汽車零部件，以降低整車重量，提高車輛的燃油效率，減少有害氣體排放。2011年2月，奧迪和福伊特宣布聯合研發復合材料汽車零部件，致力于實現樹脂基復合材料的工業化，為未來汽車項目的發展提供材料支持。可以看出，發達國家的汽車工業已經在醞釀碳纖維復合材料在汽車領域的產業化應用，并且正在為此目標進行技術攻關。

此外，發達國家和地區的政府也組織了系列汽車用碳纖維復合材料研發項目。如第七屆歐盟科技框架計劃中設立HIVOCOMP(Advanced Materials Enabling High-Volume Road Transport Applications of Lightweight Structural Composite Parts)項目，即高等復合材料技術研究項目[29]，于2009～2013年執行。該項目聚集了全球領先的汽車制造商、復合材料供應商以及在材料科學領域卓有建樹的高校和研究所。主要集中于乘用車的輕量化，包括現在已經進入市場的混合動力和全電動汽車，旨在開發先進的復合材料體系，以大批量地生產用于汽車行業的復合材料。該項目關注碳纖維復合材料的性能、生產成本和可回收能力，以確保達到成本、安全和環境指標。經過驗證的部件將在2013年進行生產。

TECABS(Technologies for Carbon Fiber Reinforced Modular Automotive Body Structures)是歐盟在先進車用復合材料領域的一個領先的項目[30]。該項目于2005年開始實施，已經確認了組合式車身設計方案，以輕量化和性價比高的工藝為研究重點，為車用復合材料的大規模推廣提供技術支撐。以車身底盤為例，經過組合化設計后，得到了整體式的底盤(圖3)，從生產和裝配角度來講，這種組合式設計具有更高的性價比。

圖3 依據等量化原則設計的整體式復合材料底板Fig.3 Integral composite chassis on the basis of quantitative design principles

在該項目的支持下，以整體底盤為對象，研究人員對熱固性傳遞模塑工藝(TS-RTM)和熱塑性傳遞模塑工藝(TP-RTM)分別進行了工藝研究和成本分析。采用的樹脂基體分別為環氧樹脂(Epikote 828LV)和尼龍12，增強體為12 K碳纖維絲束無屈曲織物(NCF)。圖4是碳纖復合材料整體底盤，該制品重14.6 Kg，與鋼制品相比減重50%。

圖4 采用熱塑性或熱固性樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制備的整體底盤Fig.4 The whole chassis prepared with the thermoplastic or thermosetting resin transfer molding(RTM)process

作為美國“新一代汽車合作計劃”(PNGV)項目的一部分，美國能源部組織橡樹嶺國家實驗室、汽車復合材料協會等研究機構開展“先進低成本碳纖維的研究與設計”專題研究，目的是開發汽車用低成本碳纖維復合材料，提高汽車燃油效率[10，31－32]。2009 年，美國能源部(DOE)能源效率與可再生能源辦公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)遵照“美國復蘇和再投資法案”，撥款3 470萬美元，在橡樹嶺國家實驗室(ORNL)建立碳纖維技術中心。該項目將進行低成本碳纖維的研發和商業化，研究重點包括確定低成本碳纖維前驅體，開發廉價碳纖維前驅體的制備技術，以及測試評估低成本復合材料的設計和制造能力。圖5是該項目設計的碳纖維復合材料車身，該車身比原先的Chrysler Cirrus鋼制車身減重70%。

圖5 碳纖維復合材料車身[33]Fig.5 The car body of carbon fiber composite[33]

綜上，雖然碳纖維復合材料汽車部件近年來屢見不鮮，但大多數只是作為概念性產品或是極少數的“奢侈品”出現，還沒有達到規模化應用水平。以下將重點針對制約汽車ACM規模化應用的關鍵設計、材料、工藝和循環使用技術進行闡述。

4 汽車用碳纖維復合材料的關鍵技術

4.1 設計制造一體化技術

復合材料設計制造一體化技術是20世紀80年代后期，由以美國為首的西方發達國家研究開發的一項創新性成果[34]。該技術是依托計算機技術實現的并行制造工程，可以縮短產品的開發周期、保障產品質量、降低開發成本[35]。對于ACM來講，設計制造一體化技術主要包括三個方面。

首先在選材階段，針對不同汽車部件的使用要求，材料設計需要綜合考慮其性能、結構特點、制造工藝和成本等因素，設計選擇適用的材料體系是非常必要的，也是降低材料成本的途徑之一。日本東麗公司推出的概念車TEEWAVE AR1就根據部件的不同性能要求而分別采用了熱固性和熱塑性碳纖維復合材料。在美國“PNGV”項目支持下，美國橡樹嶺國家實驗室對汽車用纖維增強復合材料的基本設計準則進行了較系統的研究[36－40]，從拉伸、疲勞、沖擊等方面對汽車用復合材料的設計準則進行了研究，這些試驗數據是進行數字化材料設計的基礎。

其次，復合材料既是一種材料又是一種結構，是材料和結構的“復合體”，在宏觀、細觀、微觀等多尺度水平上均具有高的設計自由度。并且，復合材料的材料成型與結構成型同時完成。通過對結構進行優化設計，在保證基本性能的前提下，采用合理的輕量化結構，比如夾層結構、中空殼體結構可大幅減輕零部件重量，提高汽車結構效率[41－43]。同時，整體化結構在安全性、降低成本、提高成型效率等方面具有明顯優勢，已在飛機結構上得到證明。為了降低制造成本，并充分挖掘復合材料結構設計和成型的特點，整體化設計也必將是復合材料汽車部件的發展方向[30，44]。

復合材料成型過程往往伴隨著傳質、傳熱、傳壓以及化學反應，而且各個過程相互耦合[45－48]，是典型的“三傳一反”過程。而復合材料結構是典型的多尺度結構，材料的微觀結構和宏觀性能關聯性強。過程和結構的復雜性決定了多物理場、多尺度耦合是數值模擬的技術發展方向[49]，也是當前計算機輔助工藝模擬技術的難點，體現在以下兩個方面。首先是建立多物理場、多尺度耦合的物理模型，這種模型是建立在對物理過程機理詳盡掌握的基礎上的，需要對工藝過程中的各種因素及其相互影響的內在機制進行基礎研究，考察多物理場參數在時間和空間的多尺度作用機理[50－51]。其次是開發多尺度數學計算方法[52－55]，提高計算效率，同時保證模擬精度。

當然，上述三個方面不是封閉的，而是相互開放，是依托計算機技術的CAE并行集成設計制造技術。

4.2 低成本碳纖維技術

碳纖維價格昂貴眾所周知。為了降低成本，許多大型碳纖維企業和科研機構都在大力發展低成本碳纖維技術[56]，主要從廉價原絲和低成本后續碳化工藝著手。

4.2.1 廉價原絲技術

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的成本構成中，原絲占到總成本的51%[57]，降低原絲成本是降低碳纖維成本最直接的方法，主要是探索采用PAN以外的其它低成本原料作為碳纖維制備的原絲，包括聚烯烴類聚合物[58－59]、木質素纖維素[60]、電紡酚醛纖維[61]、輻射丙烯酸紡織物[62]等。其中美國橡樹嶺國家實驗室碳纖維技術中心于2007年首次從纖維素乙醇副產物中提取α－纖維素，通過熔紡和碳化制備成低成本碳纖維，這種碳纖維就是木質素碳纖維，其成本比聚丙烯腈基碳纖維降低20%[63]。但目前尚處于實驗室開發階段，未實現產業化。

4.2.2 低成本氧化碳化技術

預氧化和碳化工序約占碳纖維成本的40%，主要是工序時間長、能耗大、能源利用率低[57]。預氧化工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為16%[64]，目前研究方向主要是采用新的預氧化技術降低成本，縮短預氧化工序時間。采用新型的射頻等離子體能源代替能耗大的低溫預氧化技術，既可有利于能量的節省，還有利于高速預氧化過程操作的進行，同時有助于提高碳纖維的力學性能[58，65]。碳化工序一般在800℃以上的高溫加熱爐中進行，目前主要采用電阻加熱方式，熱量利用率低。相比電阻加熱，微波加熱不需要熱傳導，其能量轉變為加熱物質分子的能量所需的時間極短，可達到快速加熱的目的，同時也提高了熱能利用率。從而大大縮短工藝流程的時間和成本。美國橡樹嶺國家實驗室采用微波碳化技術取得了很好的效果[60]。

此外，在碳纖維低成本技術沒有取得根本性突破之前，發展適合汽車工業的大絲束碳纖維和混雜纖維增強技術，也是降低汽車用碳纖維成本的捷徑之一。

4.3 高效成型制造技術

熱壓罐成型工藝由于能夠提供較高的產品質量，可成型不同尺寸的復合材料制品，長期以來一直是航空航天復合材料的主要成型技術[66－67]，但該工藝成型周期長，制造成本高。對于汽車用復合材料，液體模塑工藝和罐外熱壓成型技術因具有高效率、低成本以及容易實現自動化等優點，被認為是極具潛力的快速成型技術[68－72]。

4.3.1 快速液體模塑成型技術

快速注射與固化 樹脂傳遞模塑(RTM)工藝是主要的液體模塑成型技術之一。傳統的RTM工藝過程可分為4個階段:包括纖維鋪放，樹脂注射、浸漬，樹脂固化，脫模。總的成型時間一般在2 h以上，如圖6所示[73]。為縮短RTM成型周期，核心是開發快速固化的樹脂體系和快速注射技術。在日本新能源產業技術綜合開發機構的支持下，東麗公司的T.KAMAE等人通過在環氧樹脂體系中添加小分子醇類鏈轉移劑，得到了能夠在105℃下5 min完成固化的樹脂體系。在此樹脂體系基礎上，日本東麗公司采用數值模擬技術優化注射工藝，采用多澆口注射技術將注射時間縮短到3 min以內(圖7)，使整個RTM工藝的成型周期縮短至10 min，并成功制備了一體式碳纖維復合材料車架[73－74]。

圖6 RTM工藝成型時間分布Fig.6 RTM Process time distribution of shaping

圖7 多澆口注射工藝示意圖Fig.7 schematic diagram of Multiple gate injection process

值得注意的是，對于快速RTM工藝必須縮短加熱時間，極短的凝膠時間對注射過程控制帶來困難[75]。另外，多澆口注射會帶來不同澆口樹脂流動前鋒熔接的問題，特別是對熱塑性樹脂尤其重要，易形成“熔接痕”缺陷，造成較高的內殘余應力，是非常重要的質量控制指標之一。

快速加熱和冷卻技術 為了縮短成型周期，對模具和纖維進行預熱是液體成型工藝經常采用的方法[76－80]。纖維和模具預熱雖然有利于縮短樹脂注射和固化的時間，但樹脂在較高溫度下的凝膠時間短，增加了工藝控制的難度。同時，由于樹脂在流動方向上的受熱歷史不同，會引起流動方向上樹脂的固化不均勻，造成熱收縮殘余應力，降低制品尺寸精度和力學性能。因此，改進加熱技術，提高加熱速度，實現低溫注射，然后快速升溫至固化溫度完成固化和冷卻定型，是進一步改進快速RTM工藝的技術途徑。

法國Loctool公司采用電磁感應加熱技術對RTM模具進行快速加熱，實現5～10℃/s的加熱速率，同時采用模具內置冷卻管道的方法，達到5℃/s的快速冷卻速率，如圖8所示[81]。之所以能實現如此快的加熱和冷卻速率，主要源于感應加熱的集膚和鄰近效應。集膚效應是指感應渦流主要集中在模具型腔表面，而在內部很弱，在芯部則接近于零。鄰近效應指在靠得很近的兩平行板上施加方向相反的高頻電流，則感應渦流會集中在兩相鄰平行板的表面。也就是說這種加熱技術只對模具表面加熱，而模具內部不加熱或輕微加熱，而且加熱過程不依賴于模具本身的熱傳導，所以能夠實現瞬態加熱和冷卻[82－84]。急冷急熱工藝可極大地提高生產效率，同時也可能造成暴聚、翹曲、孔隙等制造缺陷，給質量控制帶來困難。

圖8 電磁感應快速加熱RTM模具Fig.8 Electromagnetic induction heating RTM die

高壓RTM技術 高壓RTM技術是實現快速注射的有效途徑之一。該技術的核心是在線高壓混合與注射，壓力高達10 MPa，并且實現在線高壓計量[85]。輔以合理的澆口設計，通過高壓注射技術，可以將RTM工藝的注射時間從幾十分鐘縮短至數分鐘甚至更短。由于是高壓浸漬，改善了樹脂和纖維的浸漬效果，降低制品孔隙率，同時還具有較高的表面質量[86－87]。高壓RTM技術也有一些不利因素，如纖維預成型體的沖刷變形、工藝過程控制難度增大、設備昂貴等[88－90]。總體上看，高壓RTM技術是極具應用前景的復合材料高效制備技術，雖然一次性投資較高，但對于汽車工業這種規模化生產的行業，這種技術的應用前景是可以預期的。

4.3.2 罐外熱壓成型技術

為克服熱壓罐技術帶來的高昂制造成本，熱壓機成型技術是一種理想的罐外熱壓工藝，可大幅度縮短成型周期，易于實現自動化連續生產[91－93]。有望成為各類大面積汽車覆蓋件的重要成型技術，目前用于熱壓工藝的復合材料體系開發非常活躍。

中低溫快速固化的熱固性樹脂預浸料是快速熱壓成型的關鍵。在滿足中低溫快速固化的同時，為確保成型質量和良好的工藝性，該預浸料在溫壓環境下還應具有一定的流動性、較少的揮發性組份以及良好的鋪覆性。在快速固化工藝下樹脂基體還應具有較高的韌性，以保證制品的抗沖擊性能[94]。美國Hexcel公司開發了快速固化預浸料，是批量化生產的專用產品[95]。據介紹，該預浸料可以實現150℃下2 min固化。日本三菱公司也開發了適用于快速固化工藝的大絲束預浸料，可以實現140℃下3 min完成固化。

Jun[92]等人最近提出了一種新型復合材料熱壓成型工藝，工藝流程如圖9所示。和傳統熱壓工藝不同，該工藝以已經固化的復合材料片材為預成型體(如文獻中0.3 mm和0.5 mm兩種厚度)，將其置于兩個軟鋼材質的片材之間，金屬片材除了對復合材料進行電磁感應加熱外，還在沖壓過程中對復合材料提供保護，防止復合材料在沖壓過程中發生磨損和位移，而且金屬片材可以重復使用。這種工藝類似于金屬片材的沖壓成型，甚至可以在室溫下沖壓成型，其生產效率是顯而易見的。但這種工藝的前提是要有滿足工藝條件的復合材料片材，而且復合材料片材的生產效率至少應能夠和該工藝的生產速率相比。

圖9 軟鋼金屬片作為保護和加熱模板的熱沖壓工藝Fig.9 Hot stamping processwith mild steel sheet metal as protection and heating template

另外，熱塑性樹脂與碳纖維的預混料或混纖也是該技術領域非常有前景的一類新材料[96－98]。N.Bernet[99]等人以單向碳纖維和尼龍12混纖織物為預成型體，研究了熱沖壓工藝參數(溫度、加壓時間、壓力等)和預成型片材固結程度對制品孔隙率的影響，表明制品的孔隙率可以控制在0.5%以內。Wakeman[100]等人以碳纖維增強尼龍12片材為預成型體，采用熱沖壓方法成型復合材料制件。研究表明，以混纖編織物或RTM工藝制備的層板為預成型體，采用熱沖壓工藝制備復合材料制件，生產周期可以縮短至90 s/件。

4.4 材料循環利用技術

迫于環境保護和可持續發展的壓力，各國普遍重視汽車材料的回收利用。歐盟、美國、日本等汽車工業發達國家和地區都對汽車零部件的循環利用提出了明確要求。比如歐盟的2005/64/EC提出到2010年歐盟成員國的汽車材料回收利用率要達到95%以上。這就要求必須解決零部件的綠色制造和循環利用問題。事實上，早在20世紀90年代初期，工業界就非常重視碳纖維復合材料的回收利用問題。2006年成立的飛機回收協會(Aircraft Fleet Recycling Association，簡為AFRA)是由世界最大的飛機制造商美國波音公司與勞斯萊斯、牛津大學、北歐航空等45個從事飛機回收加工及研究的機構發起成立的行業組織，其職責就是為這些舊飛機找到一種在環境和經濟效益方面最合理、有效的出路。專業從事碳回收的Milled Carbon公司也是飛機回收協會的創辦者之一。

碳纖維復合材料回收利用技術主要有以下3種[101－103]:機械回收、熱解回收和化學處理回收。機械回收是將碳纖維復合材料部件粉碎為5～10 mm的粒子，用于非結構件中，比如作為填充料用于SMC或者BMC(Bulk Molding Compounds)中，代替傳統的碳酸鹽類礦物填料。和碳酸鹽類礦物填料相比，回收復合材料顆粒具有更低的密度。這種回收方法技術上比較成熟，但是碳纖維的回收利用效率較低。

高溫熱解和真空輔助高溫熱解是兩種最主要的熱解回收技術[104－105]。Milled Carbon公司核心的處理操作是通過高溫分解將碳纖維從樹脂中分離出來，即在缺氧條件下加熱待回收材料到一定的高溫使樹脂熔化，把纖維和填料以及其它相關材料分離出來。波音等公司的測試表明，回收的纖維保持了原始材料80%至90%的機械性能。但是，熱解回收技術對于含有金屬嵌件的復合材料制件是不適用的，這是該技術的一個不足。

化學裂解技術是采用化學物質作為處理劑，在熱和力的作用下，促進樹脂裂解，破壞其交聯結構，最終形成小分子物質，達到回收碳纖維的目的。蘭博基尼先進復合材料研究室采用硫酸作為處理劑[106]，研究了帶嵌件碳纖維復合材料的化學裂解回收利用技術。圖10是帶嵌件碳纖維復合材料部件化學回收示意圖。圖11是掃描電鏡下回收纖維的表面形貌，可以看到纖維表面光滑干凈，基本沒有樹脂殘留，回收效果良好。該項技術可以回收得到連續長纖維，用于承力結構部件，這也是降低碳纖維成本的有效途徑。

圖10 酸化裂解回收帶嵌件碳纖維復合材料部件Fig.10 The carbon fiber composite parts of acid splitting recovery with insert

圖11 回收碳纖維的掃描電鏡表面形貌Fig.11 The surface morphology of SEM of recovery carbon fibers

5 結語

復合材料在汽車工業的應用表明，復合材料是汽車輕量化的重要支撐材料之一，具有令人期待的發展前景[107]。但是，ACM在汽車工業的批量化應用仍然面臨一些技術難題。針對一些關鍵技術，比如快速成型技術、整體化設計技術、碳纖維回收再利用技術等，許多研究機構和企業正在進行研究，取得了一定進展，使先進復合材料在汽車工業批量化應用的前景更加明朗。相比歐美等發達國家和地區，國內對車用ACM的研發相對不足。但可以借鑒航空工業比較成熟的復合材料技術和應用經驗，開展車用復合材料關鍵技術研究，以支撐我國汽車工業的可持續發展，同時，推動ACM在工業領域的應用上升到一個新的水平。

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