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乘用车碳纤维复合材料的应用现状综述

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 177次

尹建伟1,解佳丽2,胡仁其1,杨如松1

(1. 上汽集团股份有限公司乘用车分公司,上海,2018052.同济大学中德学院,上海,201805;)

摘要:随着汽车工业的快速发展,汽车轻量化、乘用安全性与舒适性等在汽车设计中越来越受到重视。碳纤维复合材料因其丰富的种类样式、优越的材料特性及较低的应用成本等优点,在汽车上得到了广泛的应用。本文基于碳纤维复合材料的材料特性,先后描述了碳纤维复合材料应用于车身制造中的三种成型工艺,及其在碳纤维零部件、框架结构及一体化车身上的应用现状及未来发展趋势。

关键词:碳纤维复合材料;车身轻量化;成型工艺;汽车工业;

引言

近年来,由于发展需求,我国对于乘用车平均燃料消耗量的要求日益严格,根据工信部《关于加强乘用车企业平均燃料消耗量管理的通知(征求意见稿)》的要求,其年均百公里耗油量在2020年需降至5.0L,这使得许多汽车企业面临着严峻的挑战,因而以降低油耗为主的新能源电动汽车将成为汽车工业的主要发展趋势,此外,有相关研究表明,汽车油耗与整车质量有关,车重越大,其燃料利用率越低,即油耗及排放越大。另一方面,整车质量越大,其续航能力越差,这意味其消耗的能源越多。因而,汽车轻量化是实现节能减排、高续航能力最行之有效的方法之一。与其他材料相比,碳纤维复合材料具有优异的减重能力,达到同等要求仅需高强度钢材质量的50%,其减重潜力可达60%,因而是未来汽车工业发展的必然趋势。[1]

因而,本文首先阐述了碳纤维复合材料的材料特性,并介绍了三种主要的成型工艺,在此基础上详细介绍了碳纤维复合材料在现阶段的应用情况,旨在揭示碳纤维复合材料应用在汽车工业的现状和前景。

1 碳纤维复合材料概述

碳纤维复合材料的形态主要由其材料的力学性能、成型工艺、产品用途及性价比来决定。根据原料及生产方式的不同,可分为聚丙烯睛(PAN)基碳纤维(强度高)、沥青基碳纤维(模量高)、粘胶基碳纤维等。根据力学性能的不同,可分为超高模量碳纤维(E>450GPa)、高模量碳纤维(E=350-450GPa)、中模量碳纤维(E=200-350GPa)、低模量高强度碳纤维(E<100GPa,抗拉强度大于3.0GPa)、超高强度碳纤维(抗拉强度大于4.5GPa)及通用级碳纤维(E<100GPa,抗拉强度约1GPa)。根据基体材料,可分为树脂基复合材料(CFRP)、陶瓷基复合材料(CMCC/C)和金属基复合材料(MMC)。目前使用最广泛的是树脂基复合材料。

碳纤维增强树脂基复合材料所采用的基体树脂主要分为热固性和热塑性树脂。[2] 热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成,通过固化剂或热作用进行交联、缩聚,形成不熔不溶的交联体。[3] 采用有环氧树脂、双马来酞亚胺树脂、聚酞亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线性高分子聚合物组成,在一定条件下仅发生溶解熔融的物理变化。[2] 常用有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。复合材料在碳纤维的增强作用及树脂基体作用下成为承载外力的整体,通过界面传递载荷至碳纤维,其复合方式直接影响复合材料的技术性能、成型工艺及产品价格等。

2 碳纤维复合材料成型工艺

碳纤维复合材料成型工艺是将原材料转化为结构件的关键工艺,种类繁多且对成品性能影响较大。目前常用的车用碳纤维复合材料加工成型工艺主要有:手糊成型(Hand Laying-up)、喷射成型(Spray Molding)、团状模塑料(Dough Molding Compound, DMC)成型、片状模塑料(Sheet Molding Compound, SMC)成型、层压成型(Lamination Process)、树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding, RTM)、缠绕成型(Winding Process)、反应注射成型(Reaction Injection Molding, RIM)和拉挤成型(Pultrusion Process)等。不同纤维类型成型方式不同,连续纤维增强复合材料的材料成型与制品成型同时完成,再切削、连接加工;随机分布短纤维增强塑料则先制成预混料,再挤压、模塑成型。[4]

手糊及喷射成型污染严重,劳动强度较大,质量难以控制,无法满足汽车工业化生产及绿色环保要求,为降低成本,缩短成型时间,应优先采用模压(Compression Moulding)成型工艺,如长纤维增强热塑性塑料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics, LFT)技术,特别是RTM工艺。[4] 而缠绕工艺则具有赋予制件特殊力学性能的特点,可用于制造压缩天然气罐、液化天然气罐、氢气罐、轴承类等零件。本章主要介绍碳纤维复合材料的成型工艺。

2.1 预浸料袋压/热压罐(Autoclave

此工艺首先根据铺层设计及工艺规范在模具上手工逐层干法铺贴;再制袋密封,使其内部真空负压消除气泡;最后在热压罐中以一定的温度、压力及时间固化成型。主要特点为手工积层,干法操作,易于施工,环境友好,成品表面精度高,孔隙率低,且因采用热压罐加压固化而拥有紧密结合的层间结构及高机械强度,应用广泛,需低温运输及储存。[5]

2.2 真空灌注/固化炉(Infusion

此工艺是将树脂在真空负压下吸入型腔,浸润纤维。主要特点为树脂用量比手糊减少20%,含胶量精确可控,产品无气泡,孔隙率低,厚度均匀,重量轻,均匀施压,成品性能一致,高速高产,可用于底盘,顶板,门板,发罩等部件,同时因其封闭成型而降低了人体损伤、劳动量以及劳动强度。[5]

2.3 树脂传递模塑(RTM

此工艺首先将纤维增强材料或预成坯放至闭模模腔内,将树脂液在压力下注入模腔,浸透纤维或预成型坯,然后固化并脱模成型。主要特点为纤维经预成型及预编织处理后铺放可设计,成品受力合理,闭模操作,无污染,因采用多模多工位机械注射而产率高效;成品双面光洁,尺寸精度高,可做复杂零件及镶件,但因需要树脂灌注设备及多套模具而主要适用于中等至大批量生产方式。[6]


 SEQ \* ARABIC 1 RTM工艺基本原理

RTM技术派生技术为真空辅助树脂传递模塑(VARTM)和树脂浸渍模塑法(SCRIMP)。[7] 该两项技术均利用真空辅助加压浸渍,使纤维增强材浸渍速度快、面积广、更均匀,产品质量稳定提高。真空辅助成型工艺(VARIVacuum Assisted Resin Infusion)是一种在真空状态下排除纤维增强体中的气体,利用树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸渍,并在室温下固化形成纤维增强材料的低成本成型技术。[8] 主要特点为:克服传统方法在较大模具选材上的困难,降低成本,无需热压罐,在室温下固化后,经裁边和表面喷涂后即可在较高温使用,孔隙率更低,性能更好,纤维含量更高。

此外,宝马i3采用的高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)基于RTM工艺,通过采用预成型件、钢模、真空辅助排气、高压注射、高压树脂浸渍及固化工艺,减少了树脂注射次数,提高了预制件的浸渍质量,实现了低成本、短周期(大批量)、高质量的生产目标。

 SEQ \* ARABIC 2 HP-RTM成型工艺

3 碳纤维复合材料典型应用

目前,尽管碳纤维作为汽车材料,价格较贵,但质量轻、强度大且节能。凭借其优良性能,使其在高档、豪华轿车(如奔驰、宝马、奥迪、福特、大众、本田、日产等)的制造中占有重要位置。

碳纤维复合材料在车身制造中的应用主要有三个阶段:零部件、框架结构及一体车身阶段。目前国内的设计生产主要停留在第一阶段。

3.1 碳纤维复合材料零部件

碳纤维复合材料在批量生产的汽车部件应用有限,主要在一些高档汽车的传动轴、刹车片、尾翼和引擎盖中应用广泛。目前,复合材料凭借其低成本、高效率的特性,主要在汽车车身覆盖件、内饰件、结构件和功能件开发与制造中,尤其在新能源汽车研发中具有竞争优势。

3.1.1 车身外覆盖件的典型应用

碳纤维复合材料在车身外覆盖件的应用可实现汽车轻量化,在不同部件中采用的复合材料不同,其典型应用情况见表1

 SEQ \* ARABIC 1 复合材料车身覆盖件应用

汽车制造商

车型

部件实例

材料以及工艺备注

东风雪铁龙

标致

翼子板

 

梅赛德斯

奔驰

车门板

 

宝马

M3M6

车顶篷

 

标致

308RCZ概念车

车顶篷及车身面板

碳纤维/聚碳酸酯(PC

保时捷

Boxster S

发动机罩

预催化树脂薄膜和碳纤维增强材料的交替层,树脂薄膜浸渍技术加工。不使用热压罐,低温固化。

通用

Chevrolet Corvette Z06

发动机罩

碳纤维/环氧树脂

内板为碳纤维SMC和低密度玻璃纤维SMC共混而成

大众

EOS

行李箱盖

 

福特

燃料电池汽车

行李箱盖

 

3.1.2 内外饰件的典型应用

与金属材料相比,碳纤维复合材料有良好的绝缘性,可防止车内电子元件导电;有良好的吸震性,可增强其操纵稳定性及舒适性、降低噪声,其典型应用情况见表2

 SEQ \* ARABIC 2 复合材料内饰件应用

汽车制造商

车型

部件实例

奔驰

57S

乘员舱内装饰件

通用

雪佛兰

底盘内装饰

3.1.3 结构件与功能件的典型应用

复合材料有良好的弹性变形特性,对强烈撞击有较大缓冲作用。目前,复合材料在国内外乘用车结构件与功能件的应用实例日渐增多,其典型应用情况见表3

 SEQ \* ARABIC 3 复合材料结构与功能件应用

汽车制造商

车型

部件实例

材料以及工艺备注

奔驰

SLR McLaren

纵梁

 

戴姆勒克莱斯勒

Dodge Viper

挡板支架系统

掺杂了55%碳纤维碎屑

保时捷

911 Turbo GT

制动盘装置

碳纤维/陶瓷基

3.1.4 新能源汽车应用

NPG/LPG等汽车新能源的开发,极大促进了复合材料气瓶的开发及应用,其市场占有量预计将从目前的60%进一步提高。目前,国内主要研究复合蓄电池,复合材料双极板质子交换膜燃料电池以及氢能源汽车,而碳纤维复合材料将成为未来氢气气瓶的首选材料。

 SEQ \* ARABIC 3 碳纤维气瓶

3.2 碳纤维复合材料的框架结构

碳纤维复合材料的框架结构为复合材料在车身制造中的第二阶段应用,该阶段中为满足车身刚、强度,对于需要承受较大载荷的底盘仍使用传统金属材料,但整车的框架结构则采用复合材料。

3.2.1 车身框架结构应用

BMW i3是宝马公司第一款综合环保技术及功能性创新的量产纯电动车,车身采用量产化CFRP复合碳纤维,底盘采用铝合金,整车质量约1.2吨(含电池单元),比传统电动车轻约300kg。其乘客舱均采用碳纤维材料,是全球最先采用碳纤维车身的量产车型,在达到车身轻量化的同时,延长了车辆续航里程,提高了车辆动态性能以及安全性。BMW i3主要碳纤维复合材料结构部件包括车身框架(图5)、碳纤维车顶(图6)、发动机舱盖和底盘部分(图7)等。[9]

 SEQ \* ARABIC 4 宝马i3

 SEQ \* ARABIC 5  BMW i3 碳纤维车顶和车顶横梁       SEQ \* ARABIC 6 BMW i3 碳纤维复合材料车身框架

 SEQ \* ARABIC 7 BMW i3 碳纤维底盘

碳纤维电动车BMW i3PAN碳纤维原丝先加工转换成可裁剪、叠加的碳纤维面料,再制造成碳纤维软性板材(类似坐垫、地毯),然后按预成型模具形状切割成所需形状,再进行高压树脂传递成型(HP-RTM)。树脂基体采用环氧树脂LY3585和固化剂XB3458,注入压强大于4MPa,制备时间不超过10min

BMW i3车体仅需150个元件,且均通过全自动机械手臂以1.5 mm间隙精密黏接。其驾乘座舱模块(Life Module)的16个碳纤维RTM部件使用可快速硬化的BETAFORCE聚氨酯基胶粘剂结合,胶粘剂应用及部件操作采用173ACC机器人全程自动化。最后该模块再与和金属硬件、屋顶板、玻璃等组件组合,并加入i3驱动模块进行组装。

 SEQ \* ARABIC 8 碳纤维软性板材

 

 SEQ \* ARABIC 9 树脂传递成型前的剪裁处理      SEQ \* ARABIC 10 碳纤维部件与其他金属部件的胶接

3.3 碳纤维复合材料一体化车身

碳纤维复合材料一体化车身为复合材料在车身制造中的第三阶段应用,整车包括车身、车架全部使用复合材料制造。

1981年在F1赛场上, John Barnard设计了全世界第一个一体式碳纤维车架,目前使用一体式碳纤维车架或碳纤维与钢管复合车架的超级跑车日渐增多,如:McLaren F1 Ferrari F50 Ferrari Enzo Carrera GTSLRKoenigsegg CCRMaserati MC12Pagani Zonda FBugatti EB 110SS

 SEQ \* ARABIC 11 法拉利F50一体式车架

11所示F50一体式车架的主要特点为:后悬挂直接连接在引擎及变速箱上,再将整个悬挂结构嵌入车体内,整个车架质量为102kg,抗扭曲度高达3550kgm/degree,悬挂重量极轻但引擎震荡较大。

1992年由通用汽车推出的全车身由碳纤维复合材料制成的概念车Ultralite,整个结构由地板、左右侧部、左右车门和尾板6各部分组成,车体仅重192kg,百公里油耗仅3.5升, 但造价昂贵。

 SEQ \* ARABIC 12 通用概念车Ultralite车身

4 碳纤维复合材料发展趋势

近年来,碳纤维复合材料逐步应用于汽车工业,其应用方向主要有车身内外饰部件、新能源汽车部件和整车以及结构承载部件三大方向,但其价格较贵、原丝质量差、应用基础研究较弱、生产规模小等问题仍使其发展缓慢。因此,降低其生产成本成为进一步发展碳纤维复合材料在汽车上应用的首要目标。随着碳纤维加工工艺技术的研究与发展,碳纤维复合材料将有望取代现有的工程材料。其次,碳纤维及其复合材料的结构设计技术研究、性能指标以及质量控制、相关标准的建立及完善等也是发展碳纤维复合材料的主要任务。此外,碳纤维复合材料的应用范围应不仅仅依靠国家投资而局限于汽车工业、航天和高科技领域,还需要材料工业等相关领域的自身投入及努力,以扩大应用范围,增强在各个领域的巨大吸引力。[10]

5 结束语

当今时代是绿色能源、新型复合材料的时代,性能优越的碳纤维复合材料无疑是可以满足低碳节能要求的首选材料。碳纤维复合材料在电动汽车上的应用,可以有效解决难以同时满足动力技术与节能减排要求的现状,加快电动汽车的发展和普及。此外,通过采用碳纤维复合材料来替代原有的传统车身材料,可以有效减重50%以上,这对于实现汽车轻量化、弥补电动汽车电池比能量质的不足、增大电池安装空间及续航里程等具有十分重要的意义。

与此同时,随着环保意识的提高及相关法律的完善,使得电动汽车成为汽车领域的主要发展趋势,因此,碳纤维复合材料的广泛应用必将在汽车新材料发展中占有重要地位,其材料性能、使用寿命及其回收利用等也将随之展开更加精细的研究。毋庸置疑的是,碳纤维复合材料在电动汽车领域具有广阔的应用前景。

 

参考文献

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[2] 上官倩芡,蔡泖华. 碳纤维及其复合材料的发展及应用.[J]. 上海师范大学学报(自然科学版)2008, 37(03):275-279

[3] 张敏. 碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度关键影响因素研究.[D].山东大学,2010

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[5] 成会明,张名大,杨俊英. 轻量化高性能碳纤维复合材料车体研发关键技术.[J]. 炭素, 1987(03)

[6] 刘晓波,杨颖. 短碳纤维/树脂碳复合材料制造工艺和性能的研究.[J]. 合成纤维, 2013, 42(10):29-34

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[8] 王东川,刘启志,柯枫. 碳纤维增强复合材料在汽车上的应用.[J]. 汽车工艺与材料, 2005(4):33-36

[9] 严成平. 碳纤维及其复合材料在汽车上的应用[M]. 新型汽车工程塑料, 2015

[10] 余黎明. 我国碳纤维行业现状和发展趋势分析.[J]. 化工新材料,2011613-21

 

 

 

 

 

 

Present application of carbon fiber composite material in passenger cars

YIN Jianwei1, XIE Jiali2, HU Renqi1, Yang Rusong1,

(1. SAIC Motor Vehicle Branch Company, Shanghai, 201805; 2. The Sino German Institute of Tongji University, Shanghai, 201805)

Abstract: With the rapid development of automobile industry, lightweight, safety and comfort performance of automobile are more and more taken seriously into the automobile design. The carbon fiber composite material,due to its abundant style, excellent material properties and low-cost, has been widely used in the passenger cars. In this paper, based on the material property, three kinds of molding process of carbon fiber composite applied in automobile body manufacturing was introduced, as well as its application status in carbon fiber parts, frame structure and the integrated body. Furthermore,the development trend of carbon fiber composite was also analyzed.

Key words: carbon fiber composite material; body lighting; molding process; automobile industry;

 

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