碳纤维复合材料——未来汽车轻量化的主力军
By www.carbonfiber.com.cn
现在汽车轻量化更多的靠塑料的应用而实现，伴随着塑料复合材料技术的革新，使得汽车上的部件更轻，同时承压力更好，非常符合未来汽车的发展趋势，而在这其中碳纤维就是未来实现这一目标的重要材料。碳纤维复合材料因其轻质、高强等优异的综合性能，在汽车领域得到越来越广泛的应用。本文重点从碳纤维及其复合材料的应用背景、性能、在汽车领域的应用工艺及关键技术等方面进行介绍，分析碳纤维在汽车领域的应用趋势。
三明治夹心结构
现代的汽车设计有安全、舒适、节能和环保等4项明确要求。减轻结构重量，从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是汽车设计的重要发展方向。汽车结构每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本。若车体减重20%-30%，每车每年CO2排放可减少0.5 T。世界上的各大汽车公司均在制定和执行汽车的轻结构战略计划。如BMW（宝马）等公司明确提出每车要减重100 kg 以上的目标，提高燃油效率，CO2 排放减到7.5 ～ 12g/km 以下，美国进一步提出30 km/L 汽油的里程目标。现在实现汽车的轻量化更多的靠运用塑料复合材料实现，塑料复合材料价格既便宜，承重力抗压力又强，还可实现轻量化目标，在这其中，近些年比较新潮的当属碳纤维，尽管碳纤维的价格比较高，运用还未实现广泛化，但其在汽车轻量化的道路上无疑已经代表了一种趋势，在很多高档车如宝马，等都被成功运用。
碳纤维制造过程
碳纤维
碳纤维（carbon fiber）是纤维状的碳素材料，含碳量在90% 以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5 至8 微米，24K 以下为小丝束。它比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7—9倍，在2000℃以上的高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。碳纤维不仅具有材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。轻质、高强、可设计让碳纤维成为未来汽车轻量化的重要途径。
碳纤维复合材料
碳纤维增强树脂复合材料（CFRP），抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9 倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa 亦高于钢。因此CFRP 的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3) 以上， 而A3 钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3) 左右，其比模量也比钢高。不仅如此，碳纤维增强复合材料还具有复杂部件的可设计性、优异的减震性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能等，在汽车上将迅速得到广泛的应用。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50%。
基于量产的碳纤维复合材料零部件制造工艺
1、预浸料袋压/ 热压罐
该工艺是将碳纤维预先被树脂浸润，制成半固化态材料，过程中纤维和树脂含量是可控的，根据铺层设计和工艺规范在模具上手工逐层干法铺贴；制袋密封，使其内部处于真空并产生负压，消除气泡；送入热压罐，在一定的温度、压力、时间下固化成型。干法操作，易于施工，环境友好。成型制品表面精度高，孔隙率低，品质高，由于采用热压罐加压固化，层间结合紧密，机械强度优。是航空航天应用最广泛的工艺，适合制造汽车承力结构件如B 柱、纵梁等，其材料需要低温运输和储存。
RTM 工艺流程
2、树脂传递模塑(RTM)
该工艺是将纤维经预成型，预编织处理，纤维铺放可设计，制品受力合理。预成型纤维体预先铺放在模具型腔内，合模后通过设备用压力将树脂注入模腔，浸润纤维，固化成型，闭模操作，不污染环境，采用多模，多工位机械注射模式，生产效率较高。需要树脂灌注设备及多套模具，适于中等至大批量生产方式，制品双面光，尺寸精度高，可做结构复杂零件及镶件，如汽车地板、车顶、发动机罩等，是汽车行业应用最广泛的工艺。
3、手糊成型
该工艺是手工把纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型。不需要复杂设备和模具，投资低；生产技术容易掌握，产品不受尺寸形状的限制，适合小批量和大型制件的生产；可与其他材料如金属、木材及塑料泡沫等同时复合制成一体。生产周期长，工作环境差，要求手艺娴熟，适合制作汽车样件或小批量复杂零部件。
碳纤维复合材料在汽车行业的应用
复合材料在汽车上主要可应用于发动机罩、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘等零部件中。
1、主承载车身结构件
为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。
环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性，质轻高强，耐冲击，耐腐蚀，抗疲劳, 材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重，减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。
2、次承力结构件
次承力结构件主要包括：车门，发罩，行李舱门，前后杠，翼子板，扰流板等部件，其结构大都为层合实体结构和复合材料三明治夹心结构。
三明治结构特点是面板选用高强度高模量碳纤维复合材料制作，承受较大的弯曲负荷；芯材选用一定刚度和强度的低密度材料如泡沫、蜂窝等，其抗剪切性能突出，可承受较大的冲击载荷；胶结层将面板和芯材连接在一起，承受剪切应力；由于选用低密度芯材，重量会进一步降低。
应用关键技术
碳纤维复合材料想在汽车上推广，需解决的问题主要有：
设计能力：
碳纤维复合材料可设计性强，零部件集成设计能力、碳纤维复合材料铺层设计能力（包括铺层数量、角度、层间结合方式）等都需要大量的经验积累，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势；
价格降低：
可通过低价位大丝束碳纤维的应用及规模化生产，来降低碳纤维价格。随着各碳纤维厂家纷纷扩产，相信碳纤维价格降低指日可待；
零件加工工序减少：碳纤维通常经过编织- 铺贴- 与树脂浸润- 高温成型，耗费大量劳力且生产效率较低，还需进一步优化工艺或研究新的工艺，缩短加工周期；
材料连接：
碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强度，另外碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性能；
材料回收：
碳纤维复合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，不环保而且资源浪费，需要在回收热固性树脂的同时，最大限度的保持纤维强度，将碳纤维进行回收利用。
汽车行业应用进展
由于碳纤维制造成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，最初仅在一些F1 赛车、超级跑车、小批量车型上有所应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、 GT-R、保时捷911 GT3 承载式车身等。
随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高价值民用轿车上。宝马与德国SGL、日本三菱丽阳成立合资公司，计划13 年量产i3 采用碳纤维车身，并与波音公司联合研究碳纤维循环利用技术；通用公司与日本帝人合作开发热塑性碳纤维复合材料零部件60s 内热冲压成型技术，计划用于2015 年以后上市的面向普通客户的主力车型；奔驰与日本东丽成立合资公司，开发短循环树脂迁移模塑(RTM) 技术，于2012年起为戴姆勒公司轿车提供大批量生产的CFRP 部件；福特与陶氏化学合作，计划2015 年开始在福特斯新车上采用碳纤维零部件，2020 年起大面积使用，福特表示碳纤最大将能够减轻340kg 车重。此外，大众、丰田、日产等也在进行碳纤维零部件的开发。
总结
随着汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用，轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降，碳纤维复合材料零部件的应用会越来越广泛。预计，到2020 年，碳纤维复合材料将成为汽车零部件轻量化的主流材料。
现在汽车轻量化更多的靠塑料的应用而实现，伴随着塑料复合材料技术的革新，使得汽车上的部件更轻，同时承压力更好，非常符合未来汽车的发展趋势，而在这其中碳纤维就是未来实现这一目标的重要材料。碳纤维复合材料因其轻质、高强等优异的综合性能，在汽车领域得到越来越广泛的应用。本文重点从碳纤维及其复合材料的应用背景、性能、在汽车领域的应用工艺及关键技术等方面进行介绍，分析碳纤维在汽车领域的应用趋势。
三明治夹心结构
现代的汽车设计有安全、舒适、节能和环保等4项明确要求。减轻结构重量，从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是汽车设计的重要发展方向。汽车结构每减重10%，燃油消耗可节省7%，大大减少了寿命期内的使用成本。若车体减重20%-30%，每车每年CO2排放可减少0.5 T。世界上的各大汽车公司均在制定和执行汽车的轻结构战略计划。如BMW（宝马）等公司明确提出每车要减重100 kg 以上的目标，提高燃油效率，CO2 排放减到7.5 ～ 12g/km 以下，美国进一步提出30 km/L 汽油的里程目标。现在实现汽车的轻量化更多的靠运用塑料复合材料实现，塑料复合材料价格既便宜，承重力抗压力又强，还可实现轻量化目标，在这其中，近些年比较新潮的当属碳纤维，尽管碳纤维的价格比较高，运用还未实现广泛化，但其在汽车轻量化的道路上无疑已经代表了一种趋势，在很多高档车如宝马，等都被成功运用。
碳纤维制造过程
碳纤维
碳纤维（carbon fiber）是纤维状的碳素材料，含碳量在90% 以上，它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5 至8 微米，24K 以下为小丝束。它比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7—9倍，在2000℃以上的高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。碳纤维不仅具有材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。轻质、高强、可设计让碳纤维成为未来汽车轻量化的重要途径。
碳纤维复合材料
碳纤维增强树脂复合材料（CFRP），抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9 倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa 亦高于钢。因此CFRP 的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3) 以上， 而A3 钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3) 左右，其比模量也比钢高。不仅如此，碳纤维增强复合材料还具有复杂部件的可设计性、优异的减震性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能等，在汽车上将迅速得到广泛的应用。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50%。
基于量产的碳纤维复合材料零部件制造工艺
1、预浸料袋压/ 热压罐
该工艺是将碳纤维预先被树脂浸润，制成半固化态材料，过程中纤维和树脂含量是可控的，根据铺层设计和工艺规范在模具上手工逐层干法铺贴；制袋密封，使其内部处于真空并产生负压，消除气泡；送入热压罐，在一定的温度、压力、时间下固化成型。干法操作，易于施工，环境友好。成型制品表面精度高，孔隙率低，品质高，由于采用热压罐加压固化，层间结合紧密，机械强度优。是航空航天应用最广泛的工艺，适合制造汽车承力结构件如B 柱、纵梁等，其材料需要低温运输和储存。
RTM 工艺流程
2、树脂传递模塑(RTM)
该工艺是将纤维经预成型，预编织处理，纤维铺放可设计，制品受力合理。预成型纤维体预先铺放在模具型腔内，合模后通过设备用压力将树脂注入模腔，浸润纤维，固化成型，闭模操作，不污染环境，采用多模，多工位机械注射模式，生产效率较高。需要树脂灌注设备及多套模具，适于中等至大批量生产方式，制品双面光，尺寸精度高，可做结构复杂零件及镶件，如汽车地板、车顶、发动机罩等，是汽车行业应用最广泛的工艺。
3、手糊成型
该工艺是手工把纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型。不需要复杂设备和模具，投资低；生产技术容易掌握，产品不受尺寸形状的限制，适合小批量和大型制件的生产；可与其他材料如金属、木材及塑料泡沫等同时复合制成一体。生产周期长，工作环境差，要求手艺娴熟，适合制作汽车样件或小批量复杂零部件。
碳纤维复合材料在汽车行业的应用
复合材料在汽车上主要可应用于发动机罩、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘等零部件中。
1、主承载车身结构件
为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。
环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性，质轻高强，耐冲击，耐腐蚀，抗疲劳, 材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重，减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。
2、次承力结构件
次承力结构件主要包括：车门，发罩，行李舱门，前后杠，翼子板，扰流板等部件，其结构大都为层合实体结构和复合材料三明治夹心结构。
三明治结构特点是面板选用高强度高模量碳纤维复合材料制作，承受较大的弯曲负荷；芯材选用一定刚度和强度的低密度材料如泡沫、蜂窝等，其抗剪切性能突出，可承受较大的冲击载荷；胶结层将面板和芯材连接在一起，承受剪切应力；由于选用低密度芯材，重量会进一步降低。
应用关键技术
碳纤维复合材料想在汽车上推广，需解决的问题主要有：
设计能力：
碳纤维复合材料可设计性强，零部件集成设计能力、碳纤维复合材料铺层设计能力（包括铺层数量、角度、层间结合方式）等都需要大量的经验积累，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势；
价格降低：
可通过低价位大丝束碳纤维的应用及规模化生产，来降低碳纤维价格。随着各碳纤维厂家纷纷扩产，相信碳纤维价格降低指日可待；
零件加工工序减少：碳纤维通常经过编织- 铺贴- 与树脂浸润- 高温成型，耗费大量劳力且生产效率较低，还需进一步优化工艺或研究新的工艺，缩短加工周期；
材料连接：
碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强度，另外碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性能；
材料回收：
碳纤维复合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，不环保而且资源浪费，需要在回收热固性树脂的同时，最大限度的保持纤维强度，将碳纤维进行回收利用。
汽车行业应用进展
由于碳纤维制造成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，最初仅在一些F1 赛车、超级跑车、小批量车型上有所应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、 GT-R、保时捷911 GT3 承载式车身等。
随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高价值民用轿车上。宝马与德国SGL、日本三菱丽阳成立合资公司，计划13 年量产i3 采用碳纤维车身，并与波音公司联合研究碳纤维循环利用技术；通用公司与日本帝人合作开发热塑性碳纤维复合材料零部件60s 内热冲压成型技术，计划用于2015 年以后上市的面向普通客户的主力车型；奔驰与日本东丽成立合资公司，开发短循环树脂迁移模塑(RTM) 技术，于2012年起为戴姆勒公司轿车提供大批量生产的CFRP 部件；福特与陶氏化学合作，计划2015 年开始在福特斯新车上采用碳纤维零部件，2020 年起大面积使用，福特表示碳纤最大将能够减轻340kg 车重。此外，大众、丰田、日产等也在进行碳纤维零部件的开发。
总结
随着汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用，轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降，碳纤维复合材料零部件的应用会越来越广泛。预计，到2020 年，碳纤维复合材料将成为汽车零部件轻量化的主流材料。
