碳纖維粘接技術在汽車工程項目中的應用

王剛 劉林

摘 要：隨著汽車電動化市場的蓬勃發(fā)展，續(xù)航里程作為電動汽車的關鍵指標，在增加電池蓄電能力的同時，持續(xù)降低整車重量是各大主機廠首要任務，采用輕量化材料是主要選擇，例如用鋁合金材料，碳纖維材料，玻璃纖維材料等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材料來生產(chǎn)白車身，大大降低車身重量，從而降低整車重量增加續(xù)航能力。

關鍵詞：碳纖維;CFRP;輕量化;雙組份粘接;烘干;冷卻

立足當今，能源供應緊張、環(huán)境問題凸顯，各行各業(yè)都在展望一個“綠色、智能、共創(chuàng)、共贏”的未來;即將面對行業(yè)百年未有變局的汽車領域更是如此，一直在探索綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展之路。在這個新材料、新能源亟需的時代，碳纖維復合材料兼具高比強度、高比模量，是高性能材料的典型代表;作為高端裝備輕量化的首選材料，也備受汽車領域關注。

一、碳纖維復合材料介紹

CFRP是Carbon Fiber Reinforced Plastic的縮寫，中文譯為碳纖維樹脂基復合材料，簡稱碳纖維復合材料;泛指由碳纖維（增強材料）和聚合物樹脂（基體材料）復合而成的碳纖維復合材料。復合后材料產(chǎn)生一些原有組分材料沒有的性能，起到1+1遠大于2的效果。碳纖維一般用聚丙烯腈為原料，先在200～300℃的空氣中進行預氧化，繼而在惰性氣體的保護下用1000℃左右的高溫完成碳化，最后加熱1500～3000℃形成碳纖維。

以汽車用板材為例，碳纖維板材成型的詳細過程可分為七步：

1）常用原絲材料有聚丙烯腈基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維，其中聚丙烯腈基原絲各項性能優(yōu)異，在碳纖維原絲中占據(jù)主導地位。將聚丙烯腈原絲加熱到1300℃后，纖維內(nèi)的各種元素分解為氣態(tài)，直到纖維幾乎完全由碳元素構成并具有相對穩(wěn)定的石墨結構，形成纖維絲;

2）纖維絲進一步處理，即將大約5萬根碳纖維絲通過專用設備捆綁成為一個纖維束;

3）纖維束按照不同的方向進行組合編制，形成多層的、不同朝向的碳纖維疊層;

4）編織物按照汽車用料的大小進行裁剪塊片狀備用;

5）若干塊編織物材料平鋪在沖壓模具表面，以此形成平坦的立體輪廓，進行類似傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)中的沖壓工藝進行沖壓，完成后將周邊多余的材料由機器人進行切割;

6）用液態(tài)樹脂以高壓的方式注入到預成型坯件中，讓液態(tài)樹脂與碳纖維編織物充分交融，同時還要進行沖壓、成型。在整個過程中全自動生產(chǎn)線對溫度、壓力以及時間進行精確把控，確保碳纖維的質(zhì)量達標;

7）碳纖維面板成型后還需要進一步精加工，主要是將部件邊緣以及工藝孔等部位進行修正，所使用的工具比較特殊，是一種噴水切割機，在水流作用下使得表面變得平整、光滑，以滿足后續(xù)粘接工序的精度要求。

二、CFRP碳纖維復合材料的優(yōu)缺點對比分析：

2.1 優(yōu)點包含：

1）質(zhì)量輕：碳纖維密度大約在1.76～1.80 g/cm3之間，所制復合材料密度在1.50～1.60 g/cm3之間，而鋼材約為7.87 g/cm3;

2）耐疲勞強度高：CFRP的耐疲勞強度高，顯著優(yōu)于鋼材，使用壽命長;

3）高比強度和高比模量：CFRP的比強度約（抗拉強度與表現(xiàn)密度之比）是鋼材的7～12倍，比模量（單位密度的彈性模量）約是3～5倍。可用來制造輕而強、剛而堅的各種制品;

4）耐腐蝕：CFRP耐酸耐堿性強，耐各種環(huán)境腐蝕，且不生銹，在海水中使用壽命比鋼制件持久得多;

5）熱性能優(yōu)異：CFRP的熱膨脹系數(shù)小，軸向熱膨脹系數(shù)約為-0.1×10-6/℃，垂直于軸向熱膨脹系數(shù)約為+35×10-6/℃。在冷態(tài)環(huán)境下不脆裂，在熱態(tài)環(huán)境中尺寸穩(wěn)定。CFRP的耐熱性很大程度上取決于基體樹脂。就碳纖維的耐熱性而言，可在300 ℃以下空氣中長期使用;

6）能量吸收性能強：CFRP材料具備優(yōu)越的安全性能，即使在局部承受較重的點式力量時，也不會凹陷;

7）可塑性強：制作流線型或曲面部件比較容易，益于復雜車身造型的實現(xiàn)。

2.2 缺點包含：

1）成本高：目前碳纖維的價格約是鋼材的30倍、鋁材的10倍，極大限制了其在汽車行業(yè)的應用;尤其高強度、高規(guī)格碳纖維，對原材料要求高、制造工藝復雜，價格更為昂貴;

2）導電性極強：強導電性有時為碳纖維的缺點，對于要求嚴格絕緣的應用，許多產(chǎn)品使用玻璃纖維，而不能用碳纖維或金屬替代;

3）設計和工程開發(fā)難度大：CFRP設計汽車方面需要專業(yè)的人才，對于鋪層數(shù)量、角度、層間結合、零部件集成、脆性材料、連接部位力學分布、連接位置及強度均需要負責計算、設計、測試;

4）回收難度大：CFRP在汽車中大規(guī)模應用后難免要面對回收問題，熱固性CFRP不熔，材料回收方面技術難度較大;

5）維修成本高：碳纖維不存在焊接，多為粘接、栓接或鉚接，接縫對其強度性能降低極大;結構出現(xiàn)較小損傷，也需整片更換。以寶馬i3為例，出于強度考慮，碳纖維車身的分塊較少，每一個組件都相對比較大且復雜，碳纖維組件一旦出現(xiàn)問題需要更換，成本很高。

三、CFRP復合材料需要攻克的關鍵技術

1）碳纖維制造新技術：低成本化，汽車專用高模量低成本碳纖維;

2）CFRP模塊化設計：減少零部件數(shù)量，降低自動化生產(chǎn)難度;

3）CFRP成型工藝：自動化量產(chǎn)技術與裝備開發(fā)，提高成型節(jié)拍以及環(huán)境友好程度;

4）CFRP與金屬連接：提升表面處理工藝，防止出現(xiàn)弱界面層、產(chǎn)生更適合粘結的表面形態(tài);開發(fā)快速固化高強膠以及自動化膠結技術;

5）回收與循環(huán)：提升熱塑性CFRP成型工藝，增加循環(huán)使用次數(shù)，全生命周期中降低碳纖維成本。

四、碳纖維粘接技術研究

下面以國內(nèi)某跑車為例，詳細介紹碳纖維粘接過程的技術要領。

4.1 產(chǎn)品介紹：該跑車為電動跑車，為降低車身重量，整個車身由鋼和CFRP組成。其中下部車身以鋼為主，CFRP為輔;上部車身全部為CFRP材料。CFRP材料構成的車身零部件主要以成品方式進場，大部分由國外進口。整車重量減少了230kg，同時車身的抗扭剛度提高了45%，并且極大降低車輛重心，提高操控性能;

4.2 工藝描述：下部車身的制造工藝與傳統(tǒng)鋼車身基本類似，碳纖維粘接的制造工藝可以分為以下八個步驟：

1）膠常規(guī)檢查：該車型主要使用了膠粘技術，因此對雙組份膠的綜合性能高于普通膠，使用前需要進行多方面檢查。主要檢查膠的合格證，生產(chǎn)日期，組份檢測，機械性能檢測，一般由膠供應商廠家配合檢查;

2）碳纖維零件清理：碳纖維零件表面的清潔度要求較高，表面的附著物會影響膠粘強度，需要通過機械打磨或噴砂方式清潔加工過程表面的附著物，如脫模劑、織物等;

3）碳纖維零件干燥：清理完表面附著物后，還要進一步使用規(guī)定的溶劑，深度清潔碳纖維接觸面，并使其充分干燥，確保膠粘的效果。此步操作要求在潔凈度高，恒溫恒濕的條件下進行，由于溶劑的揮發(fā)性對人體有害，潔凈室內(nèi)要安裝除塵設備，人員要求佩戴防毒面具作業(yè);

4）涂膠：將碳纖維零件固定在支架或夾具上，將雙組份膠采用人工或機器人的方式按設計要求涂在碳纖維接觸表面;

5）膠粘結：將涂膠后的碳纖維零件通過夾具定位、夾持，并與下部車身拼合在一起，輔以鉚接固定;

6）預固化：在夾具定位狀態(tài)保持30min，雙組份膠初步固化;

7）烘烤固化：將初步固化的車身脫離夾具后，推入烘房中進行加熱，在高溫下充分烘烤30分鐘以上，確保完全固化;

8）質(zhì)量檢查：烘烤完成后將車身從烘房推出進行檢查，檢查外觀是否完整，檢查是否有溢膠情況，涂膠樣品的強度檢測以及超聲波強度檢測。

五、總結

現(xiàn)今，碳纖維復合材料作為高端材料，成本高昂、經(jīng)濟效益并不顯著，在汽車領域應用局限，常用于汽車頂、前后保險杠、發(fā)動機機罩、傳動軸、剎車片、輪轂等;但在汽車輕量化上的優(yōu)勢顯而易見，除了汽車，碳纖維復合材料在風電葉片，體育休閑，航空航天，壓力容器及船舶等領域同樣扮演終驗角色。長遠來看，隨著各大企業(yè)加大碳纖維領域的研發(fā)投入、技術瓶頸突破、成本降低，碳纖維復合材料需求空間具有極大潛力。

參考文獻：

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