碳纖維復合材料車身輕量化設計成型工藝研究

吳正乾

摘要：本文從碳纖維復合材料車身輕量化研究意義和應用著手，以碳纖維復合材料引擎蓋為例，重點闡述碳纖維復合材料車身覆蓋件成型工藝RTM樹脂充模仿真流程和充模過程的影響因素。

關鍵詞：碳纖維復合材料；車身輕量化；樹脂傳遞模塑成型

一、碳纖維復合材料車身輕量化研究意義

2017年我國汽車產銷量2800萬輛，汽車保有量達2.17億輛，燃油消耗、排放逐年遞增。國家《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》[1]規劃到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。根據世界鋁業協會的統計標準，整車質量每減輕10%，百公里油耗減少6%8%，排放降低5%6%。節能減排是汽車工業亟需解決的問題。車身輕量化是目前節能減排較為有效的方法。目前汽車零部件輕量化材料碳纖維復合材料具有高性能強度、耐磨、隔熱和耐腐蝕等的優點，采用高性能碳纖維復合材料代替部分現有金屬材料可以實現車身輕量化。

二、碳纖維復合材料在車身上的應用

寶馬BMW i3是最先將碳纖維復合材料應用在車身上的車型，BMW i3的坐艙和部分車身覆蓋件是用碳纖維復合材料制成的，采用碳纖維復合材料后整車質量降為1.25噸。2015年，寶馬公司推出碳車身寶馬7系，其B柱、C柱、中央通道、門梁和車頂棚梁等車身覆蓋件均使用碳纖維復合材料，駕駛室扭轉剛度性能提升，整車質量下降。艾瑞澤7s是奇瑞公司和寧波材料技術與工程研究所共同研發的一款插電式混合動力汽車，艾瑞澤7s的引擎蓋、門梁等車身覆蓋件采用碳纖維復合材料，車身質量減輕40%60%，油耗減少約7%，這正是該車亮點和賣點。2016年，特斯拉Roadster電動跑車，采用碳纖維復合材料車身后整車重量只有920公斤，與使用其他輕量化材料的汽車相比，質量更輕，加速性能、操控性能和環保性能更好。

三、碳纖維復合材料車身覆蓋件成型工藝

目前碳纖維復合材料成型工藝主要有手糊成型、拉擠成型、熱壓罐成型、模壓成型和樹脂傳遞模塑成型（RTM）等工藝。[2]手糊成型工藝的優點是成型工藝的生產設備比較簡單、廠家投入資金少，工作人員容易掌握生產技術，不受成型產品的形狀以及尺寸的約束，其缺點是不能大批量生產，因每位技術工人具有差異性不能保證成型產品的一致性。拉擠成型工藝的優點是成型工藝產品強度高、耐腐蝕和絕緣性好，適用于體育用品（如羽毛球拍）和航空航天等領域。熱壓罐成型工藝的優點是成型工藝產品加工靈活，可以加工生產結構復雜、制造尺寸精度高的復合材料零部件，其缺點是溫度控制不均勻，熱壓罐體積大，結構復雜，成本高。纏繞成型工藝的優點是制件具有強度高、質量輕、隔熱和耐腐蝕的特點，其缺點是在生產加工過程中容易產生氣泡，會導致纖維空隙過多，影響產品質量。模壓成型工藝優點可批量生產復雜結構件，效率高，重復性好，其缺點成型產品模具制作過程復雜，投入成本高，適合生產中、小型復合材料成型產品。樹脂傳遞模塑成型工藝優點是成型工藝產品適合不同類型的零部件，能大批量生產，可以直接使用預成型體注入樹脂固化，節約生產成本。樹脂傳遞模塑成型工藝非常適合于車身覆蓋件的生產需求，因此，研究碳纖維復合材料樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝具有重要的意義。下面從碳纖維復合材料樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝充模過程影響因素和碳纖維復合材料樹脂傳遞模塑成型流程兩個方面進行闡述：

（一）RTM樹脂充模仿真流程

以碳纖維復合材料引擎蓋為例介紹RTM樹脂充模仿真流程。

（1）導入碳纖維復合材料引擎蓋仿真模型。以碳纖維復合材料引擎蓋進行RTM成型工藝仿真，引擎蓋由外板和內板組成，內、外板是單獨制作，通過粘接組合在一起。以碳纖維復合材料引擎蓋外板為例進行仿真分析。

（2）選擇RTM仿真成型工藝類型。因碳纖維復合材料引擎蓋的外板具有大而薄的薄殼特點，建議選擇標準的為RTM仿真工藝類型。

（3）設計RTM樹脂充模注膠口和出膠口位置。碳纖維復合材料引擎蓋外板呈對稱結構，按照流程最短、由下而上流動、各出膠口同時流放的設計原則，建議采用零件放置形式為垂直、注膠口位置在下方、出膠口位置在上方的方案。

（4）設置RTM仿真參數。設置注射溫度（T）、樹脂粘度以及注射壓力（P）等與RTM樹脂充模的主要工藝控制參數。

（5）設置碳纖維預成型體參數。根據碳纖維復合材料引擎蓋的實際情況設置預成型體的碳纖維滲透率、鋪層角度、結構厚度和體積含量等參數。

（6）RTM樹脂充模仿真分析。確定RTM樹脂充模注膠口與出膠口的位置，確認碳纖維預成型體和樹脂充模的各個參數正確設置后，開始有限元仿真分析，輸出仿真結果。

（二）充模過程影響因素

（1）碳纖維滲透率對樹脂充模時間的影響。碳纖維滲透率可以用Darcy定律描述：

v=kη△Ρ

其中，v為樹脂在介質中的流動速度；k為介質（預成型體）的滲透張量；η為樹脂的粘度；△Ρ為壓力差。

本研究把碳纖維增強體滲透率設為控制變量，考慮碳纖維方向保持不變、碳纖維増強體厚度、碳纖維體積含量、樹脂粘度和注射壓力等參數來研究滲透率大小對充模時間的影響。在一定范圍內，碳纖維滲透率與樹脂充模時間成反比，當碳纖維滲透率升高時，樹脂充模時間降低，在碳纖維滲透率>1.2時，充模時間趨于穩定，此時對充模時間影響不大。

（2）注射壓力對樹脂充模時間的影響。注射壓力對RTM成型產品質量和充模時間有著非常重要的影響。通過碳纖維復合材料引擎蓋RTM充模仿真可知，樹脂注射壓力與充模時間成反比，當注射壓力逐步增加時，充模時間逐步減少，最后趨于某一穩定值。

（3）注射溫度對充模時間的影響。樹脂的注射溫度直接影響樹脂粘度，樹脂粘度影響樹脂充模時間。樹脂注射溫度與充模時間成發比，當樹脂注射溫度升高，樹脂粘度就降低，充模時間縮短。

參考文獻：

[1]國務院關于印發節能與新能源汽車產業發展規劃（20122020年）的通知. http：//www.gov.cn/zwgk/201207/09/content_2179032.htm.

[2]吳方賀.碳纖維復合材料發動機罩結構設計與優化[D].吉林：吉林大學，2017，5.