面向汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術

（柳州裕信方盛汽車飾件有限公司，廣西柳州 545006）

近些年來，汽車產量增多，保有量提升，能源的消耗隨著提升，環境保護、安全性問題日益突出。節能環保也是目前我國乃至全世界汽車工業所面臨的最主要問題。我國于2018年也規范了國家新城二氧化碳排放標準。在目前的形勢之下，想要將汽車產業實現可持續性發展，就需要研發能夠節約能源、減少有害物質排放量的技術，進而降低汽車的能耗，減輕汽車對于環境的污染程度。

有關研究表明：應用汽車輕量化技術，能夠使汽車生產的能源消耗量降低，污染物排放量也可以受到控制，且是目前應用最主要的措施之一。汽車輕量化主要使用輕量化材料、結構以及制造技術進行實現。在各種各樣的輕量化材料中，其中碳纖維復合材料和各種新型材料相比，其綜合力學性能更加優秀，比強度、比模量、比吸能均較高，在等剛度或者等強度的設計原則之下，應用碳纖維復合材料，其結構和低碳鋼結構相比，至少減重一半以上，比鋁鎂合金的結構減重在1/3左右，且碳纖維復合材料的抗疲勞性以及耐腐蝕性均較強，同時，該材料的壽命液相對較長。但是碳纖維的制造成本以及難度較大，導致碳纖維復合材料在汽車上的應用受限[1]。本篇文章，作者從低成本碳纖維技術到材料—結構—性能一體化設計技術，再到高效成型技術、多材料連接技術，最后到回收再利用技術進行分析，分析碳纖維復合材料的作用。

1.低成本碳纖維技術

人們的日常生活幾乎已經離不開汽車，汽車逐漸成為剛需，所以，在生產汽車的同時，需要考慮到汽車的可靠性以及經濟性。碳纖維復合材料的成本較高，導致無法大面積使用碳纖維復合材料。因此，降低碳纖維成本是目前汽車實現輕量化的重中之重。

1.1 原絲技術

目前，碳纖維一般由三種材料制備而成，分別為：人造絲、瀝青以及聚丙烯腈。由聚丙烯腈得到的碳纖維的綜合性能優越，應用比較普遍，且聚丙烯腈碳纖維成分構成中，原絲的成本大約為50%，由此可見，想要降低碳纖維成本，最直接的辦法就是降低原絲成本。瀝青的資源相對豐富，價格較低，含碳量較高，這就使瀝青碳纖維的獲取成本較低，其發展前景比較廣闊。瀝青碳纖維可以根據其性能的不同，分成通用級別瀝青碳纖維和高性能的瀝青碳纖維。目前，全世界中瀝青碳纖維的主要生產公司來源于日本和美國。瀝青碳纖維的彈性模量高，具有優良的導熱性，但是其抗拉強度以及抗壓強度較差，制備工藝的難度較高，且瀝青的提純成本相對較高。木質素的來源廣泛、價格低、含碳量較高，具有可再生性，其分子結構中的芳香族成分較豐富，受到越來越廣泛的關注。木質素碳纖維的拉伸模量、抗拉強度以及斷裂延伸率均較為優良，但是，木質素中的化學鍵較多，擁有較多的不規則結構，想要成功分解，其條件相對苛刻，另外木質素在化學分解過程中，容易發生焦炭情況，所以，采用木質素制備碳纖維時，還需要解決較多的問題[2]。

除了運用新的原料之外，我們還可以對現有的聚丙烯腈原絲的制備工藝進行改進優化，使其制備成本降低。目前，聚丙烯腈原絲一般會采用溶液紡絲方法制備，使用該方法制備碳纖維，能夠避免使用到具有毒性的化學溶劑，其成本更低，生產效率更高。有研究表明：聚丙烯腈原絲由熔融紡絲制備而來，可以大幅提高紡絲效率，且得到的纖維表面質量更好。雖然熔融紡絲的優勢眾多，但是，制備工藝比較復雜，難度較高，無法有效保障原絲的質量，因此，目前一般會使用溶液紡絲方法來制備聚丙烯腈碳纖維。

1.2 預氧化工藝

預氧化工藝既能夠對碳纖維的質量進行控制，又能夠對碳纖維的產量進行控制。目前，可以通過預處理聚丙烯腈原絲，可以改變預氧化的方法，進而該技能生產碳纖維的過程。我們可以使用化學方法和物理方法來預處理聚丙烯腈原絲。化學方法主要是通過化學改性，使環化溫度降低，將預氧速度進行提升，進而降低成本。物理方法是通過紫外線等方法進行處理。物理方法和化學方法可以使環化反應的激活能降低，進而減少預氧化所需時間。

1.3 大絲束碳纖維技術

大絲束碳纖維的性能較小，屬于通用級別的碳纖維，主要用在一般工業生產中。大絲束碳纖維的制備成本較低，但是，大絲束碳纖維的絲束較大，容易出現聚集情況，導致無法得到良好的展紗效果。另外，展紗過程中，亂紗以及斷紗也比較常見，力學性能的分散性較高，大絲束碳纖維的制造難度因此明顯增加。

2.材料-結構-性能一體化技術

利用傳統的設計、思想很難將碳纖維復合材料的潛能發揮出來。利用材料—結構—性能一體化設計技術，既能夠將零部件數量降低，又能夠使制造過程以及裝配過程得到優化，使材料性能得以充分發揮，是未來復合材料汽車零部件的主要發展方向。

3.高效成型技術

碳纖維復合材料主要應用在航天、航空工業中，其優點顯著，包括：構建纖維體積的含量較高、質量的穩定性良好、成型模具比較簡單等。但是，熱壓罐成型的存在周期相對較長，需要較大的能耗，無法實現大規模工業生產以及高效率生產。液體模塑成型技術和熱壓成型技術與傳統方法相比，效率更高，成本更低、自動化更加容易實現，主要應用在高效成型技術中。

4.多材料連接技術

利用傳統方法將汽車車身相連時，需要頻繁使用電阻點焊工藝，同時，還要聯合粘接、鉚接等工藝方法進行裝配。在汽車零部件中應用碳纖維復合材料時，需要將碳纖維復合材料和鋼鋁合金等材料進行連接。但是，碳纖維復合材料和其他材料相比，各種性能、加工制造方法均存在差異，導致通過傳統的汽車鏈接設計、制造方法無法使汽車上復合材料的連接要求得到滿足，所以，在連接汽車車身時，就需要考慮到復合材料于其他材料之間的性能是否存在差異，進而尋找能夠和碳纖維復合材料相關的多材料連接技術。

4.1 機械連接

機械連接主要是使用螺栓、鉚釘等緊固件實現連接。雖然機械連接中存在開孔產生的應力集中、連接效率較低等特點，但是，其具有抗高溫性、抗蠕變性、連接強度的分散性小、抗剝離性、易拆卸性等。可以連接汽車的連接性要求較高的位置。

4.2 膠接連接

膠接連接就是通過使用膠粘劑連接構件，使其成為不可以拆卸的整體，膠接連接的另加數目較少，結構效率較高，具有抗疲勞性等特點，但是其容易剝離、承載能力較差，容易發生環境退化以及不可拆卸等情況。汽車零部件的使用條件通常狀況下比較惡劣，容易被濕熱等環境因素影響，降低其性能，對碳纖維復合材料和金屬接頭的強度產生影響。

5.回收再利用技術

回收報廢汽車和再利用技術能夠幫助汽車產業起到可持續性發展，回收汽車零部件中的碳纖維復合材料，再次利用，使環保法律法規的重要內容，原始碳纖維的本本高，再生碳纖維的成本較低，經濟效益良好。碳纖維復合材料在汽車上的應用具有廣闊的前景，所以，回收再利用技術的發展是極為必要的，在汽車可持續發展的過程中具有重要的意義。

6.結語

汽車輕量化的實現離不開輕質高強金屬、復合材料以及塑料材料。輕量化潛力巨大，碳纖維復合材料在汽車中的應用范圍也在逐漸增大。碳纖維復合材料在剛被研發出來時，需要較高成本，所以，進應用在F1賽車以及超級跑車上，但是，隨著碳纖維成本的降低，碳纖維復合材料應用在普通汽車上也是屢見不鮮的，使普通汽車的輕量化以及安全性得到較大的提升；目前，碳纖維復合材料汽車零部件的用量逐漸增加，其逐漸向自動化、智能化模式轉變，也再次降低汽車零部件的低成本，實現廣泛輕量化。