【復材資訊】車用碳纖維復合材料性能及成型工藝

碳纖維復合材料（CFRP）具有高強度、高剛度、高斷裂韌性、耐腐蝕、高阻尼等特點，可大幅提高汽車服役壽命、燃油效率和安全舒適性，已被公認為汽車工業(yè)領域最理想的輕量化材料。但由于傳統(tǒng)復合材料成型工藝來源于品種多、批量小、高成本生產(chǎn)的航空工業(yè)，為了滿足車用CFRP 對高效率、低成本、規(guī)模化、自動化制造技術(shù)的迫切需求，國際主流車企結(jié)合車身部件設計靈活、厚薄不均、復雜程度地不同的具體特點，開發(fā)了眾多差異化的新型快速成型工藝，以實現(xiàn)最小碳纖維用量下最大程度地發(fā)揮復合材料功效的目的。

本文通過與高強鋼、鋁合金、鎂合金等其他先進輕質(zhì)材料的對比，介紹了碳纖維復合材料在使用性能上的多樣化特點及顯著優(yōu)勢；并結(jié)合車用碳纖維復合材料部件典型應用案例，分析了當前最具發(fā)展?jié)摿Φ牟町惢焖俪尚凸に嚒?

碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質(zhì)高強、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設計性強、易成型、減振阻尼性能好等一系列優(yōu)點，既能夠滿足部件剛強度、輕量化的設計要求，在車輛安全性上也具有明顯優(yōu)勢。目前，CFRP已成為繼高強鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復合材料后汽車工業(yè)領域最流行、最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p量化新材料。

1 車用CFRP性能

從目前國內(nèi)外輕量化材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看，盡管高強鋼仍是現(xiàn)階段應用最普遍、最成熟的汽車輕量化材料，暫時不會被取代，鋁合金、鎂合金、工程塑料及GFRP等的應用也呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，但CFRP在輕質(zhì)高強高模、抗沖擊性、減震隔音性能、耐蝕性等方面所具有的顯著優(yōu)勢是其他材料不可比擬的。

1.1輕質(zhì)高強高模

CFRP由碳纖維增強相與樹脂基體組成，具有輕質(zhì)、高強、高模的特點。其密度為1.5~2g/cm3，約為高強鋼的1/4、鋁合金的2/3，與GFRP、鎂合金相當。

根據(jù)統(tǒng)計，在不改變部件外形、結(jié)構(gòu)和功能的前提下，采用不同的輕量化材料，鋁合金、鎂合金部件分別比高強鋼部件減重40%和49%，準各向同性CFRP和單向織物CFRP的減重百分比則可達到52%和76%。可見，CFRP的減重效果顯著，如果結(jié)合優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計方案，則可獲得更好的輕量化效果。

CFRP的拉伸強度和拉伸模量受到纖維種類、用量、形態(tài)、鋪層方式以及樹脂等多方面因素的影響，表現(xiàn)不一而足。整體上講，拉伸強度、拉伸模量，特別是比強度和比模量都比金屬材料顯著提高，是CFRP的核心性能優(yōu)勢。

CFRP的比強度、比模量比合金材料高出數(shù)倍，表現(xiàn)突出。特別是連續(xù)纖維CFRP，由于力學性能的各向異性特點突出，沿纖維方向強度最大，而垂直于纖維方向強度最小，屬薄弱環(huán)節(jié)。因此，需要根據(jù)承載特性對纖維取向進行特別設計。

1.2耐沖擊性好且斷裂韌性高

CFRP的高強度、高剛度特點也決定了在造成相同程度的變形甚至斷裂破壞時，CFRP部件能夠比其他材料部件從外界吸收更多的能量。CFRP碰撞過程中的能量吸收率是鋼和鋁合金的4~5倍，即CFRP具有更高的斷裂韌性。一些跑車的最前端的吸能區(qū)采用CFRP尖塔式潰縮柱，其由無數(shù)根碳纖維束編織而成，不僅具有極高的強度，而且當承受正面撞擊時，CFRP潰縮柱能夠通過破碎成無數(shù)細小碎片的方式吸收大量撞擊能量，提高了車輛的安全性。

同時，這種破壞形式類似于鋼化玻璃，能夠有效避免大尺寸CFRP部件可能對人體造成的致命性傷害，進一步提高了乘坐安全性。另外，CFRP部件在柱式撞擊和側(cè)面撞擊中，即使局部承受較重的點式力量也不會凹陷，同樣表現(xiàn)出了較高的碰撞安全性和結(jié)構(gòu)可靠性。而同為復合材料的GFRP部件，由于模量較低、耐疲勞性能較差、吸能性不強等因素，安全性不夠理想。

1.3 減振降噪性能

汽車行駛過程中噪聲來源復雜，根據(jù)來源不同，最主要的4種噪聲分別是車身結(jié)構(gòu)噪聲、輪胎噪聲（胎噪）、發(fā)動機噪聲（機噪）和氣動噪聲。因此，為提升乘坐舒適性，從汽車部件的角度來講，一方面要減少部件自身及部件間的振動，另一方面要實現(xiàn)對外部噪聲的有效隔離。材料的自振頻率與其比模量的平方根成正比，CFRP具有較高的比模量，因此材料本身的自振頻率也相對較高；而車身各部位的振動模態(tài)與部件結(jié)構(gòu)、材料性能和連接摩擦等都有密切關(guān)系。

汽車車身各部位的模態(tài)數(shù)均在40~90Hz，避開了動力總成的頻率段20~28Hz，有效減少了部件的振動，降低了車身結(jié)構(gòu)噪聲。同時，CFRP中樹脂高分子鏈的粘彈性與纖維-樹脂界面間的相互作用也表現(xiàn)出了明顯的阻尼效應，使材料更有效地吸收振動能量，振動迅速衰減。對比相同尺寸、相同形狀的鋁合科技導報中金梁和碳纖維復合材料梁的振動測試結(jié)果，前者需要9s停止振動，而后者只需2.5s。

優(yōu)異的阻尼特性使各種噪聲被更好的隔絕在外，實現(xiàn)了對噪聲的有效屏蔽。當然，CFRP部件表現(xiàn)出的阻尼特性有著非常復雜的機理，車輛減振降噪也是一個浩大的系統(tǒng)工程，需要材料選擇、結(jié)構(gòu)設計、車體密封等多方面的相互配合。

1.4耐腐蝕性能

鋁合金表面在使用時能夠形成一層致密的氧化物薄膜，使其相比于高強鋼和鎂合金具有更強的耐腐蝕性。因此許多情況下，暴露在大氣中的鋁合金不需要進行表面處理就可以使用，而高強鋼和鎂合金需要進行噴漆、電鍍等表面防護。但是鋁合金的耐電化學腐蝕能力較差，耐酸性不如鋼。可以說，傳統(tǒng)的輕量化合金材料的耐腐蝕性各有長短，都不是全能型材料。

而CFRP具有優(yōu)異的耐海水、耐鹽霧、耐機械摩擦等耐候性能，及耐酸堿、耐有機溶劑、耐工業(yè)廢氣等耐化學介質(zhì)性性能，能夠勝任酸雨、鹽霧等惡劣氣候及大氣污染條件下的服役環(huán)境。CFRP較傳統(tǒng)的輕量化金屬材料具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能，這也是選擇碳纖維復合材料制造車身覆蓋件的重要考慮。

除此之外，也要考慮碳纖維復合材料中的高聚物可以在紫外線的作用下，吸收光量子，而引發(fā)氧對材料表面基體樹脂的破壞作用，即發(fā)生光氧老化；在可見光和紅外線的作用下，高聚物也可以吸收能量而放熱，促進氧化反應的進行，即發(fā)生熱養(yǎng)老化。因此，有必要通過改善樹脂基體耐候性、表面涂漆、粘貼保護膜等方式對CFRP進行保護。

2 車用CFRP快速成型工藝

傳統(tǒng)汽車工業(yè)采用鋼板、鋁合金板材制造零部件時，沖壓生產(chǎn)線每分鐘可沖壓零部件10~14個，8h產(chǎn)能可以達到6000個，制造高效快速。而傳統(tǒng)的CFRP成型工藝來源于多品種、小批量、高成本生產(chǎn)的航空航天軍工領域，其普遍采用熱壓罐等小規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，一個常規(guī)環(huán)氧類CFRP部件的完整固化周期通常大于4 h，實施周期長、生產(chǎn)效率低，無法滿足車用CFRP對高效率、低成本、規(guī)?；?、自動化制造技術(shù)的迫切需求。

因此，為實現(xiàn)最小碳纖維用量下最大程度發(fā)揮CFRP功效的目的，國際主流車企結(jié)合車身部件設計靈活、厚薄不均、復雜程度不同的具體特點，在原有常規(guī)復合材料成型工藝基礎上重點開發(fā)了眾多差異化的新型快速成型工藝。

目前，汽車工業(yè)領域最具應用潛力的CFRP成型工藝包括快速RTM 成型工藝、預浸料快速模壓成型工藝、片狀模塑料和長纖維增強熱塑性樹脂復合材料等。

2.1快速RTM成型工藝

RTM成型工藝是最主要的液體模塑成型技術(shù)，它成型周期短、制品纖維含量高、表面光潔度好、尺寸精度高。由于無需使用預浸料和熱壓罐，RTM工藝成本相對較低，在航空工業(yè)領域，被廣泛應用于生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)件。但傳統(tǒng)RTM工藝從纖維鋪放、樹脂注入、浸漬、固化，到最終脫模，總時長在2h以上，難以滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)對快速制造技術(shù)的需求。因此，快速RTM技術(shù)不僅是目前大型復雜結(jié)構(gòu)CFRP部件一體化成型的首選，也是未來車用CFRP成型工藝的發(fā)展方向。高壓RTM是通過增大注射壓力提升注射速度的有效方法。

采用該工藝注射壓力能夠達到幾千兆帕，保證了較高的合模速度和壓制速度，大大縮短部件成型時間，提高了工藝效能。同時，增大壓力能夠促使樹脂快速充滿模腔，提高纖維樹脂浸潤度，減少樹脂注射次數(shù)，促進空氣排出，降低成品孔隙率，從而實現(xiàn)卓越的表面性能。如同時選擇注入低黏度樹脂體系或低黏度反應性混合物料體系，注射速度能夠進一步提高；通過高壓計量技術(shù)對反應物料進行精確計量，也能夠縮短注射時間。

另外，由于CFRP制品結(jié)構(gòu)和性能可設計性強，當HP-RTM應用于大型復雜結(jié)構(gòu)部件的制造時優(yōu)勢更加明顯，不僅可以在5min以內(nèi)實現(xiàn)部件的一體化成型，而且能夠大幅減少零部件和緊固件數(shù)量，簡化連接和裝配，極大減少了生產(chǎn)過程的能源消耗，降低了生產(chǎn)成本。

汽車車身的CFRP 部件大量采用HP-RTM技術(shù)生產(chǎn)，工廠為每臺3000 t液壓機配備2臺HP-RTM注射單元，當自動化生產(chǎn)線將碳纖維預制件準確放入鋼模并閉模后，HP-RTM單元可以借助高壓向模具中注入樹脂，并在5 min內(nèi)完成環(huán)氧樹脂的固化[9]。HP-RTM技術(shù)的使用使CFRP零部件數(shù)量比傳統(tǒng)的金屬零部件數(shù)量減少了2/3，僅約為150個。

2.2 PCM成型工藝

模壓成型是將沖壓后的CFRP半成品預先放入模具，然后加熱加壓使其成型固化的成型方式。其中，熱壓前的成型坯料是能否實現(xiàn)快速制造的關(guān)鍵。

近年來，預浸料因具有精確的纖維、樹脂配比而被越來越廣泛的應用。而PCM成型工藝作為一種理想的CFRP罐外熱壓工藝，不僅能夠大幅縮短成型周期、提高生產(chǎn)效率，具有制品尺寸精度高、表面光潔度好、生產(chǎn)成本相對較低、容易實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)件的一次成型等特點，同時，由于制品內(nèi)纖維取向性好，因此制品的強度、剛度相對較高，已成為車用CFRP的重要成型工藝。

快速固化PCM 成型工藝，采用60kP330和50kWCF這2種大絲束碳纖維的預浸料，希望得到與小絲束CFRP類似的良好加工性、優(yōu)異力學性能及高產(chǎn)能。PCM工藝應用到了汽車后備箱門的制造上，重量僅為鋁合金產(chǎn)品的1/2，而成型周期縮短到約10min，可用于CFRP汽車部件的量產(chǎn)。

熱塑性CFRP預浸料快速熱壓成型工藝，實現(xiàn)了連續(xù)纖維紗/織物薄膜疊層熔融預浸工藝的連續(xù)化作業(yè)，用于奇瑞汽車某車型保險杠的量產(chǎn)，成型效率達到每小時8件，產(chǎn)品質(zhì)量滿足安全碰撞標準。

2.3 其他成型工藝

RTM成型工藝對模具制造精度要求高、模具制作周期長且價格較高，而預浸料的材料加工、運輸成本較高，模具的成本也不低，因此這2種成型工藝前期投入較大。因此，其他的復合材料成型工藝，如片狀模塑料模壓成型工藝、長碳纖維增強熱塑性材料注塑成型工藝也得到了較為廣泛的應用。

2.4 SMC模壓成型工藝

SMC由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩面覆蓋聚乙烯薄膜而制成的片狀模壓料，屬于預浸氈料范圍。SMC成型效率高、產(chǎn)品的表面光潔度好、外形尺寸穩(wěn)定性好，且成型周期短、成本低，適合大批量生產(chǎn)，適合生產(chǎn)截面變化不太大的薄壁制品，在GFRP汽車部件生產(chǎn)領域已得到廣泛應用。

目前，在車用CFRP成型工藝方面，SMC主要用于片狀短切纖維復合材料的生產(chǎn)，由于纖維的非連續(xù)性，制品強度不高，且強度具有面內(nèi)各向同性特點。而碳纖維在樹脂糊中的潤濕性是SMC工藝面臨的重要課題，通過對碳纖維進行必要的表面處理，并采用適當?shù)臐櫇穹稚┠軌蛴行岣咛祭w維在樹脂糊中的潤濕性和均勻性。碳纖維SMC也在汽車工業(yè)領域獲得了不少應用。CFRP主要用于車門和風擋結(jié)構(gòu)的制造。

車的風擋強度較原有車型有較大提升。新型車門在重量下降的前提下強度有所提升，車門下垂量得到了很好的控制。

很多制造商也開展了SMC方面的大量研究，并將CFRP應用于尾門、新能源車電池箱蓋、發(fā)動機罩、后頂蓋、前機艙蓋等汽車外覆蓋件上。

2.5 LFT 注塑成型工藝

除了熱固性樹脂和碳纖維織物、連續(xù)纖維以外，熱塑性樹脂和非連續(xù)碳纖維在汽車領域也有不少應用。LFT成型工藝具有優(yōu)異的成型加工性成型率高、成品率高，且設備相對簡單、工藝成本較低，制品內(nèi)部由于纖維長度較長而形成骨架結(jié)構(gòu)，使得制品具有較好的抗沖擊性和剛度，因此LFT制品可用于受力較大的車體部件。LFT已經(jīng)在汽車車身上獲得了廣泛應用，也是具有很大應用潛力的成型工藝。碳纖維增強尼龍6的LFT復合材料與鋁合金、高強鋼相比，比模量相當、比強度高出50%~250%，在汽車次承力結(jié)構(gòu)件的制造方面具有相當?shù)母偁帯?

3 分析與討論

目前，CFRP已經(jīng)被用于汽車發(fā)動機系統(tǒng)的連桿、搖臂油箱底殼，傳動系統(tǒng)的傳動軸、減速器，制動系統(tǒng)的剎車片，底盤系統(tǒng)的橫縱梁、支架、輪轂、板簧，車身系統(tǒng)的四門兩蓋、散熱器罩、保險杠、底板、門窗框架等部件。應用車型也已經(jīng)從早期的F1賽車、超級跑車、高端車、概念車等定制車型，發(fā)展到標準化量產(chǎn)車型。

如前所述，RTM與PCM 2種成型工藝的初期投入較大，而SMC和LFT是目前GFRP汽車部件常用的成型工藝，因此從硬件條件和現(xiàn)有基礎方面講，后兩者似乎更加便利。但幾種成型工藝的適用部件存在較大差別，RTM和PCM制品由于具有較好的纖維取向，剛強度等力學性能更好，更適合制造鋼制車身上的大型鈑金結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)件，如車身框架、外覆蓋件等；而SMC和LFT制件由于使用非連續(xù)纖維，在力學性能上表現(xiàn)稍弱，更適合生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的小型異形件，但部件厚度可以較大。

因此，在選擇成型工藝時，應當根據(jù)具體服役情況對各個部件性能要求的不同，結(jié)合部件自身的具體外形結(jié)構(gòu)特點，加之成本、已有硬件基礎等方面因素綜合考慮，差異化地采用多種成型工藝進行生產(chǎn)顯得更加可行。

一種超級跑車的CFRP部件就主要采用了3種成型工藝制造：車身主體框架、側(cè)欄及前部艙壁等具有中空結(jié)構(gòu)的骨架采用多軸向織物預浸料模壓成型，獲得較高的強度、剛度及尺寸精度；前部碰撞吸能盒、駕駛室底板、引擎蓋和A柱-平板狀支架等采用RTM工藝成型，并采用真空輔助RTM工藝生產(chǎn)車頂部件，實現(xiàn)大型、多個復雜結(jié)構(gòu)的一體化成型；后部如速度控制尾翼等對強度要求不高的部件采用短切碳纖維增強SMC模壓工藝成型，能夠獲得更好的表面光潔度。

當然，采用差異化成型工藝獲得差異化的部件性能并不是廠商的最終目的，而是要將成果落實到車體輕量化和低成本上。根據(jù)報道，更加成熟的快速CFRP成型工藝、碳纖維自動鋪放、自動展絲技術(shù)、織物定型技術(shù)、自動化連續(xù)成型技術(shù)，以及夾芯結(jié)構(gòu)的規(guī)?；瘧?，將進一步滿足復雜汽車部件的性能要求，使汽車部件的品質(zhì)和生產(chǎn)成本得到改善。

4 結(jié)論

隨著一些車型的相繼量產(chǎn)，CFRP作為先進輕量化材料越來越受到人們的廣泛關(guān)注。國際主流車企開發(fā)并發(fā)展了適用于高性能碳纖維的HP-RTM、PCM、SMC、LFT等眾多差異化的新型快速成型工藝，并取得了良好的效果。當然，CFRP在汽車領域的應用，不僅僅是材料加工成型的簡單過程，而是涉及輕量化材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及、快速成型工藝、部件連接技術(shù)、碰撞安全性測試，甚至碳纖維回收再利用技術(shù)的“一條龍”系統(tǒng)工程，因此，CFRP輕量化應用的實現(xiàn)需要各環(huán)節(jié)相關(guān)技術(shù)齊頭并進，共同發(fā)展。