車用熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料開發(fā)

材料應(yīng)用

車用熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料開發(fā)

電動汽車、燃料電池汽車等新能源汽車推廣應(yīng)用的主要障礙在于其有限的續(xù)駛里程。減輕新能源汽車的質(zhì)量，有利于擴展新能源汽車的續(xù)駛里程。汽車輕量化可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和采用輕質(zhì)材料兩種方法來實現(xiàn)。碳纖維增強復(fù)合材料具有較高的比強度和比剛度，成為實現(xiàn)汽車輕量化的首選材料。但是，利用傳統(tǒng)熱固性碳纖維增強復(fù)合材料進行汽車零部件的制造時，往往需要很長的化學(xué)反應(yīng)時間，因而不能在汽車行業(yè)中量產(chǎn)應(yīng)用。對此，提出了一種熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料，其可以通過沖壓成型進行汽車零部件的制造，縮短了碳纖維增強復(fù)合材料零部件的生產(chǎn)時間。

碳纖維增強復(fù)合材料主要由碳纖維和基體兩部分構(gòu)成，其力學(xué)性能隨碳纖維含量和碳纖維長度的增加而提高，而成型性則隨之降低。此外，由于碳纖維成本是復(fù)合材料成本的主要部分，因而進行復(fù)合材料的開發(fā)時不能過多地依靠增加碳纖維含量提升復(fù)合材料的性能。對此，考慮對基體材料進行更改，以實現(xiàn)對復(fù)合材料力學(xué)性能和成型性的兼顧。由于熱塑性樹脂具有較好的成型性，因而選擇熱塑性樹脂中的聚酰胺樹脂做為基體材料，將其與一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維混合，形成熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料。通過力學(xué)性能測試表明，當(dāng)碳纖維含量為9%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。對這種熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料進行性能驗證時，以豐田Mirai氫燃料電池汽車的副車架為原型，進行復(fù)合材料的替換研究。替換時，為保證副車架的碰撞安全性，仍采用鋼質(zhì)框架，對其它金屬部件采用熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料的替換。同時，對替換后的副車架進行力學(xué)性能和碰撞安全性的測試。測試結(jié)果顯示：在保持相同的力學(xué)性能和安全性能的水平下，與鋼質(zhì)副車架相比，熱塑性碳纖維增強復(fù)合材料副車架質(zhì)量減輕了11kg。

Masaya Miura et al.SAE 2016-01-0532.

編譯：張振偉