車用碳纖維復合材料應用研究

王軍照 丁存光 肖云健 李發長 于勇智

（北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100000）

2018 年，我國汽車整體產銷首次下滑，整體銷量下降5.8%，但是新能源汽車的產銷形勢持續增長，同比增長61.7%，汽車行業產業結構正在逐漸調整，傳統燃油汽車與新能源汽車協同發展。同時，汽車行業也面臨巨大挑戰：以內燃機為主要動力系統的傳統燃油汽車百公里燃油耗要達到新的目標值——2020 年平均5.0 L/100 km；采用新型動力系統，完全或主要依靠新型能源驅動的新能源汽車，插電式混合動力、純電動汽車、燃料電池車等，受電池重量的影響，面臨續航里程的巨大挑戰[2]。因此，汽車輕量化是未來重要發展趨勢之一[3]。

汽車輕量化是指保證零部件的使用性能和行駛安全的前提下，采用結構設計輕量化，材料輕量化等手段，實現整車減重效果。在汽車材料輕量化領域，碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced plastics， CFRP）具有巨大的發展潛力：具有更高的輕量化效果、高結構承載能力、抗沖擊吸能以及模塊化設計一體成型等[4]。根據蔣士成院士報告所述：CFRP 制品的發展將引領汽車行業的變革。1）改變汽車生產組織模式，傳統金屬汽車，是以OEM 為核心，幾千個零部件供應商；新型模式將以CFRP 汽車模塊化零部件供應商為核心，幾十個零部件集中生產，供給各地分散的OEM。2）傳統四大工藝（沖壓、焊裝、涂裝、總裝）被新四大工藝（成型、膠接、涂裝、總裝）取代。新型組織模式將具有：零部件少，集成度高；生產線總投資小；模具少，模具制造成本小。

1 車用CFRP性能優勢

現有汽車產業主要以鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料以及玻璃纖維增強復合材料（glass fiber reinforced plastics，GFRP）為主，其中高強鋼在強度，塑性，抗沖擊能力、回收能力以及低成本方面具有綜合的優勢，在相當一段時間，具有不可動搖的地位。鋁合金、鎂合金、工程塑料及玻璃纖維復合材料也呈現逐年增長趨勢，但CFRP 在輕質高強、抗沖擊性、減震隔音性能等方面具有顯著的優勢，在汽車輕量化領域具有巨大潛力[5]。

1.1 輕質高強性能

CFRP 是由碳纖維增強體和樹脂基體組成，其力學性能受纖維級別、含量，編織方式以及樹脂

性能等多方面因素的影響，表現存在差異性。CFRP 密度為1.4 g/cm3～2 g/cm3，約為高強鋼1/4，鋁合金的2/3，相比GFPR 較低或相當，從而具有比強度高、比模量高優異性能，如表1 和圖1 所示。

1.2 產品安全性與舒適性

CFRP 具有良好的吸能效果。CFRP 具有高強度、高剛度的特點，決定了在承受相同程度的變形甚至斷裂破壞時，CFRP 部件相比于其他材料部件從外界吸收更多的能量。CFRP 碰撞過程中的能量吸收率是鋼和鋁合金的4～5 倍。有研究表明：奔馳SLR Mclaren 跑車潰縮柱采用CFRP 材料，在承受正面撞擊時，CFRP 材質產品通過破碎成無數細小碎片的方式吸收大量撞擊能量，有效避免大尺寸CFRP 碎片可能對人體造成的致命性傷害，進一步提高乘坐安全性[6]。此外，在柱式撞擊和側面撞擊中，即局部點作用時，也不會發生類似金屬材質產品凹陷的現象，從而表現較高的碰撞安全性。在撞擊過程中，CFRP 會經過基體損傷與開裂，纖維與基體脫黏，基體載荷傳遞，纖維斷裂等一系列過程，其過程會發生多種方式進行吸收能量，從而提高了破損的安全性。 而同為復合材料的GFRP 部件，由于模量較低、耐疲勞性能較差等因素，導致吸能性能相較較低，安全性較低。

CFRP 具有良好的隔音降噪性能。汽車的噪聲主要來源有4 個方面：車身結構噪聲、輪胎噪聲、發動機噪聲和氣動噪聲。為了提升乘坐舒適性，從汽車部件的角度來講：一方面要減少部件自身及部件間的振動，另一方面要實現對外噪聲的有效隔離。減震性好，受力結構的自震頻率除與形狀有關外，還與結構材料的比模量平方根成正比，CFRP 具有較高的比模量，即CFRP 材料本身的自振頻率也相對較高。CFRP中樹脂高分子鏈的黏彈性與纖維/樹脂界面的相互作用也表現出明顯的阻尼效應，使材料更有效地吸收振動能量，振動迅速衰減，有較高的自震頻率。有研究表明：對比相同尺寸、相同形狀的鋁合金梁和CFRP 梁的振動測試結果：前者需要9 s 停止振動，而后者只需2.5 s。同時碳纖維復合材料的界面有較大的吸收震動能量的能力，導致材料的震動阻尼較高。如圖2 所示，比吸能SEA（Specific Energy Absorption）：即單位質量吸收的能量，衡量結構抗撞擊性能的重要指標[7]。

圖1 各種材料性能圖示

圖2 各種材料比吸收能

W=Total Energy Absorption Area under Curve 撞擊總體吸能kJ

V=Volume of Crushed Material 材料體積m3

ρ=Density 材料密度kg/m3

1.3 良好的抗疲勞性能和良好的耐腐蝕性

CFRP 制品具有良好的抗疲勞性能。疲勞破壞，即在疲勞載荷作用下的發生斷裂，其本質是材料內部裂紋擴展的結果，而疲勞破壞就是裂紋不斷擴展所產生的突然斷裂。在CFRP 材料中的存在大量碳纖維與基體間的界面，可以有效地阻止疲勞裂紋的擴展。大多數金屬材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的30%～50%，而碳纖維復合材料則可以達到70%～80%。

CFRP 具有耐腐蝕性好，碳纖維復合材料基體樹脂具有良好的耐化學腐蝕性能，不會像金屬材料那樣容易生銹。鋁合金表面在使用過程中能夠形成一層致密的氧化物薄膜，使其相比于高強鋼和鎂合金具有更強的耐腐蝕性。因此許多情況下，暴露在大氣中的鋁合金不需要進行表面處理，就可以使用，而高強鋼和鎂合金需要進行噴漆、電鍍等表面防護。但是鋁合金的耐電化學腐蝕能力較差，耐酸性不如鋼。而CFRP具有優異的耐酸堿性、耐鹽霧性等耐化學介質性能，能夠在酸雨、霧霾等惡劣氣候及大氣污染條件下的服役環境。

1.4 可設計性和美觀性

CFRP 具有各向異性，可根據產品的實際工況需求與產品受力情況，合理設計鋪層方向與層數，實現各方向具有不同的力學性能，充分利用CFRP 的力學性能。此外，CFRP 可以成型各種復雜形狀，實現部件集成化設計、一體化成型，減少車身零部件數量，減少裝配工序，實現設計輕量化[8]。

利用先進的紡織工藝，將碳纖維編織成所需要的纖維紋路，鋪貼在CFRP 產品表觀層，形成具有空間美觀的纖維紋路，如圖3 所示。

圖3 碳纖維編織紋路

2 CFEP部件成型工藝

在汽車工業中應用，CFRP 具有巨大潛力，其主要方向如下。①車身內、外飾部件，如擾流板、后視鏡、格柵等[9]。②新能源汽車整體車身和部件，如側圍、翼子板等。③結構承載部件，如商用車車廂、傳動軸、碳纖維車輪、防撞潰縮系能結構部件等。如蔚來ES6 后地板。由于車身部件的結構設計復雜以及美觀性等要求，CFRP 成型工藝相對復雜多樣。從適用于小批量、低成本生產的預浸料真空袋壓工藝、真空導入VARI 工藝等，到快速規模化量產的快速RTM 工藝，模壓工藝等。該文從生產規模進行劃分各種成型工藝。

2.1 小批量、低成本工藝成型工藝

真空輔助成型工藝VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion），是一種低成本成型工藝，它是真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透，實現對纖維織物的浸漬，并在一定的溫度條件下固化。RTM（Resin Transfer Molding）是將樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的一種工藝。成型產品具有較好的表面質量，且纖維體積含量較高，成型過程揮發成分少，對環境污染小，可用于制造高質量，復雜形狀的產品。真空袋壓工藝OOA（Out Of Autoclave）是在預浸料制品上鋪貼真空袋薄膜或柔性硅膠袋膜，并在與模具之間形成密閉空間，抽真空形成負壓，置于熱烘箱中加熱固化。真空袋壓工藝源于熱壓罐工藝，熱壓罐工藝是在真空袋壓的基礎上，利用熱壓罐內部的高溫壓縮氣體產生壓力對制品進行加熱加壓固化。熱壓罐工藝耗能高，運行成本高，但是具有產品重復性好，纖維體積含量高、孔隙率低，力學性能可靠等優點，在航空航天制造領域應用廣泛。此外，針對一些結構復雜的零部件，采用多種工藝進行開發，例如在2019 年法國JEC 展會，恒瑞自主開發的汽車空氣過濾盒，采用預浸料模壓+吹氣袋壓+CF-SMC+熱壓罐工藝，充分利用各工藝的優缺點，滿足強度和剛性要求，同時一體化制造，解決密封性和內腔體關鍵區域平整度的功能要求，如圖4 所示。

2.2 快速規模化量產成型工藝

2.2.1 HP-RTM工藝

HP-RTM 衍生于RTM 工藝，是通過增大注射壓力提升注射速度的方式，使樹脂快速充滿模腔，提高纖維樹脂浸潤度，降低孔隙率，從而獲得優越的表面性能。是大型復雜結構一體化成型首選。該工藝注射壓力高達10 bar～200 bar，工藝周期在5 min～10 min，HP-RTM 的循環時間不僅取決于樹脂的反應速度，還取決于快速的織物切割、預成型、預成型件的嵌入、模具清潔和最終的操作。目前各家針對HP-RTM開發相應的快速固化樹脂，見表2。

表2 快速固化樹脂信息

此外，克勞斯瑪菲在HP-RTM 的基礎上，利用間隙浸漬和包覆成型工藝，開發了Surface-RTM。在同一模具中應用一薄層聚氨酯基體材料將間隙填滿，直接脫模獲得可制成A級表面的可噴涂的碳纖維外飾件，而不需要進行二次表面處理。

目前，國內HP-RTM 廠家有康得新、寧波華翔、海源機械等，此外恒瑞、華陽等也在積極引入相應設備，但是目前均無大批量生產和供貨。

2.2.2 PCM成型工藝

PCM 成型是將預浸料預先放入模具，然后采用加熱加壓使其快速成型固化的工藝。PCM 成型制造的產品不僅尺寸精準、生產成本較低，更容易實現復雜構件的一次成型，生產周期相較熱壓罐工藝有大幅度縮短，生產效率顯著提高。PCM 產品由于具有良好的纖維取向性，在強度和剛度性能方面也相對較高。現該成型工藝較為成熟，在B 柱加強板等結構應用成熟。

2.2.3 SMC成型工藝

SMC 是由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩面覆蓋聚乙烯薄膜而制成的片狀模壓料。其成型效率高、產品的表面光潔好、外形尺寸穩定性好，且成型周期短、成本低，適合大批量生產，適合生產截面變化不大的薄壁制品。SMC 主要用于片狀短切纖維復合材料的生產，由于纖維的非連續性，制品強度不高，且具有面內各向同性的特點，如圖5 所示。

CF-SMC 面臨難點是碳纖維直徑尺寸較小，且存在靜電作用，在樹脂糊中浸潤性和分散均勻性。國外Menzolit、三菱麗陽等已經成功開發CF-SMC 產品，并且有成熟應用案例，國內針對CF-SMC 材料尚在驗證階段，部分原材料供應商已經開發相應產品，待推廣應用。如圖5 所示：在2019 年法國JEC 展會，恒瑞展出CF-SMC 部件。

2.2.4 WCM工藝

濕法模壓工藝，前期裁切使用干的纖維布，先進行涂覆樹脂再放入模具進行合模，抽真空、加壓加熱固化。其主要特點批量化生產節拍快，單件成本低，產品尺寸穩定性較好，纖維體積含量可達60%以上，孔隙率低，產品強度較好。缺點是不適合結構形狀復雜的制品。如寶馬的乘客艙組件或蔚來ES6 的后地板。

WCN 工藝在涂覆樹脂過程中接觸空氣，因此不適用于聚氨酯型快速固化樹脂，此外可與HP-RTM 工藝共用快速固化環氧樹脂。如圖6 所示，蔚來ES6 的后地板，采用濕法模壓工藝，應用Hexion 樹脂，提高抗扭強度。

圖4 空氣過濾盒

圖5 CF-SMC 典型制品

圖6 CFRP 后地板

圖7 CFRP 熱塑性復合材料汽車門基板

2.2.5 LFT工藝

LFT（Long Fiber reinforced Thermoplastics）長纖維增強熱塑性復合材料，是以熱塑性樹脂為基體，以長纖維（10 mm～25 mm）為纖維增強的熱塑性復合材料，具有質量輕，強度高，抗沖擊性韌性強，耐腐蝕。其相較于熱固性復合材料，最大特點在于可以重復回收利用，具有綠色環保的優點。目前，普遍采用長玻纖增強熱塑性復合材料，主要應用于發動機周邊零部件、儀表板骨架、后尾門等部位。碳纖維增強熱塑性復合材料應用相對較少，2017 年日本新能源產業技術綜合研發機構與名古屋大學國立復合材料研發中心成功研發首個碳纖維增強熱塑性復合材料汽車底盤，此外通過熱塑性CFRP 可焊接優勢，利用超聲波焊接，實現結構連接。如圖7 所示，2018 年報道，長安福特與金發科技聯手開發連續纖維增強熱塑性復合材料汽車門基板，已成功量產應用New Focus C519 車型。

3 結論

CFRP 在汽車輕量化領域越來越受到人們的廣泛關注，國內外各大主機廠也對新材料、新技術持有開發的態度，從CFRP 內外飾件的開發到主要承載的CFRP 結構件的開發，這充分體現各大主機廠對CFEP 的思考：不僅考慮輕量化，也充分利用CFRP 優異的性能。但是，CFRP 在汽車輕量化領域產品應用進程緩慢，其主要原因在于成本問題。需要原材料制造商、制品制造商和客戶多方面共同努力，為CFRP 在汽車輕量化領域快速發展創造良好的環境。