碳纖維復合材料汽車構件的設計開發

楊文葉　宋杰　史付磊　李文中　李振興　馬秋

摘 要：碳纖維復合材料是未來最具發展前景的新型輕量化材料，但目前由于成本和技術不足應用范圍受限。因此，開發出低成本、快節奏并且性能優異的碳纖維復合材料汽車構件是需要持續攻堅的難題。本文介紹了碳纖維復合材料的特性、碳纖維鋪層設計的原則、加工和連接工藝，以期對碳纖維復合材料汽車構件的開發提供參考。

關鍵詞：碳纖維復合材料 輕量化 結構設計 加工工藝 連接工藝

Design and Development of Carbon Fiber Composite Material for Automobile Components

Yang Wenye Song Jie Shi Fulei Li Wenzhong Li Zhengxing Ma Qiu

Abstract：Carbon fiber composite materials are the most promising new lightweight materials in the future， but the scope of application is currently limited due to cost and insufficient technology. Therefore， the development of low-cost， fast-paced and excellent performance carbon fiber composite automotive components is a problem that needs to be continuously tackled. This article introduces the characteristics of carbon fiber composite materials， the principles of carbon fiber ply design， processing and connection technology， in order to provide references for the development of carbon fiber composite automotive components.

Key words：carbon fiber composite material， lightweight， structural design， processing technology， joining technology

1 前言

節能減排是汽車工業長期規劃的重點發展戰略之一，也是國際應對低碳出行和綠色能源達成的共識。有研究數據表明，燃油車整車重量降低10%，油耗可降低6%～8%;[1]新能源汽車產業化發展在現有蓄電池儲能技術無法取得根本性突破的條件下，改善車輛續航里程的手段只能是減重。因此，車身輕量化設計已成為產業發展的必然趨勢。當前，汽車輕量化的設計主要從三個維度實現：結構優化設計、采用先進制造工藝、應用新型輕量化材料。碳纖維復合材料是繼高強鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料之后最具發展潛力的新型輕量化材料，相比于鋼制結構可減重50%以上。此外，具有質輕高強、高斷裂韌性、可設計性強、集成化程度高等一系列優點。[2]寶馬i3 2013年款車型的車身碳纖維用量達到49.41%，寶馬i8 2014年款車身碳纖維用量43%，這兩款車也成為碳纖維復合材料在汽車構件大幅度應用的標桿車型。碳纖維在汽車領域應用之初，由于成本高、工藝復雜，僅在跑車和少量的昂貴車型上應用。隨著技術的發展，其他汽企也相繼推出了碳纖維汽車構件應用的車型，如上汽榮威E50的機蓋、一汽紅旗的翼子板等。國內碳纖維汽車構件無法實現大規模量產主要的壁壘在于：一，缺乏碳纖維復合材料汽車構件開發經驗;二，碳纖維構件加工周期長，無法達到量產節拍要求;三，回收再生困難和損壞維護體系不成熟。[3]本文主要介紹了碳纖維復合材料的特性、鋪層設計原則、加工工藝和連接工藝，旨在對碳纖維復合材料在汽車輕量化領域的應用提供參考。

2 碳纖維復合材料汽車構件的開發

2.1 碳纖維復合材料的特性

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量的新型纖維材料，具有明顯的各向異性。[4]碳纖維復合材料由碳纖維和樹脂按照需求層層鋪合而成，其各向力學性能可根據碳纖維的鋪設進行靈活設計。

碳纖維復合材料汽車構件的工程設計需要根據材料的各向承載力參數，進行建模仿真。材料纖維方向的強度和模量主要由纖維排布的方式和纖維的種類決定，層間的性能主要由樹脂的類型和性能決定。因此，碳纖維復合材料的設計需要綜合匹配纖維和樹脂，避免碳纖維層間應力過大導致的零件破壞失效。[5]

碳纖維復合材料汽車構件設計可以充分利用材料的各向異性特點，針對產品的承載力方向、功能和性能要求，進行原材料復合和結構的靈活設計，實現最大幅度的輕量化效果。

2.2 碳纖維復合材料的鋪層設計

碳纖維復合材料的力學性能取決于碳纖維和樹脂的選型、纖維的鋪設方式、纖維含量以及二者相容性等因素。[7]因此，碳纖維的鋪層設計對結構和性能影響至關重量。

碳纖維復合材料的鋪層設計通常需要遵循4項原則：

1.鋪層定向原則，常用的纖維鋪設角度0°方向是為了調整復合材料的抗壓性能， 90°方向是為了調整復合材料的泊松比，±45°方向是為了調整材料抗剪性能。[6]

2.依據載荷設計鋪層取向原則，碳纖維的各向異性表征在于纖維軸線方面的性能最優。因此，碳纖維的鋪設方向要盡量與構件承載的外界載荷方向一致。

3.變厚度設計原則，為了避免厚度突變引起的應力集中，各層臺階差要相等且寬度不小于2.5mm。結構表層采用連續鋪層避免臺階處分層破壞。

4.沖擊載荷處的設計原則，承受外界沖擊的區域需要進行足夠的±45°方向的纖維鋪設來擴散外界沖擊載荷，足夠的0°鋪層來承受局部沖擊載荷。

2.3 碳纖維復合材料的加工工藝

碳纖維復合材料的成型工藝根據汽車構件結構和性能需求的特點選擇匹配，常用的成型工藝有以下4種：

1.纏繞成型，工藝流程如圖1所示，將連續纖維用樹脂膠浸漬后纏繞到芯模上，固化后得到制品，適用于管狀產品成型，纖維紡絲排列易掌控且機械特性優異。

2.模壓成型，工藝流程如圖2所示，將浸漬過樹脂的片狀碳纖維模塑料放入特定溫度的模具中，加壓使塑料均勻地充滿模具型腔，經過一定時間的保壓后固化。這種成型工藝生產的零部件形狀精度高，適用于中、小型品的成型。

3.熱壓罐成型，工藝流程如圖3所示，將預浸料鋪于模具的表面，一定的溫度和壓力作用使樹脂基地熔融流動后固化成型，適用于大型復雜的立方體成型品。

4.樹脂傳遞成型，工藝流程如圖4所示，將碳纖預制板材放置在模具的型腔內閉模，然后將樹脂注入閉合的模腔內，充分浸潤纖維，固化脫模。此種工藝成型品表面平滑性和成色極佳，可成型復雜形狀的制品。

2.4 碳纖維復合材料的連接工藝

碳纖維復合材料構件和金屬構件的機械連接需要進行防電偶腐蝕連接設計，碳纖具有很好的導電性，并且與鋼、鋁等金屬材料均存在較大的電位差，這將導致碳纖維復合材料與金屬材料連接產生嚴重的電化學腐蝕。常用的防電化學主要有3種方法：1）在碳纖維產品與金屬連接處設計一層玻璃纖維防護層;2）緊固件進行必要的濕裝配;3）接觸界面噴漆或膠粘劑防腐隔離。

膠粘是通過膠粘劑將碳纖維構件與車身粘接進行裝配，需要根據兩粘接部件的性能對膠粘劑進行匹配選型。例如某車型的前頂蓋橫梁選用聚氨酯結構膠進行粘接，膠層厚度設計為1.5mm，汽車構件連接安裝區域的搭接長度不得小于20mm;設計過程中進行多輪的CAE仿真分析迭代驗證，直至實物驗證膠粘強度滿足性能要求。

3 結論

由于碳纖維復合材料的高成本、復雜制造工藝和自主開發經驗的不足，導致碳纖維在汽車領域的自主大眾化應用面臨諸多挑戰。但是，碳纖維復合材料具有優異的綜合性能、靈活的可設計性、顯著的輕量化效果，在乘用車構件上的應用仍然是大勢所趨。為盡快實現碳纖維復合材料在汽車構件上的大幅度量產化應用，還需要從碳纖維和樹脂原材料研發、結構設計和性能驗證積累、多材料連接工藝研發，以及后續碳纖維可回收再生技術和零部件售后維護等方面加大研發投入。

參考文獻：

[1]谷禮雙，賈晶. 汽車輕量化設計與碳纖維復合材料的應用[J]. 汽車產品設計與模具開發，2015（15）：12-16.

[2]范子杰，桂良進，蘇瑞意. 汽車輕量化設計的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，，2014（5）：1-6.

[3]王東川，劉啟志，柯楓. 碳纖維增強復合材料在汽車上的應用[J]. 汽車工藝與材料，2005（4）：33-36.

[4]張勝男，劉艷兵.汽車用碳纖維復合材料的結構設計與加工工藝[J].汽車工藝與材料，2018（9）：1-8.

[5]籍龍波，朱學武，丁建鵬. 乘用車碳纖維復合材料研究及應用進展[J].汽車文摘，2020（9）：17-22.

[6]劉昌，楊世文. 碳纖維增強復合材料（CFRP）在汽車業上的應用及面臨困難[J]. 汽車實用技術，2015 （11）：131-133.