碳纖維樹脂基復(fù)合材料在車輛制造中的應(yīng)用

佟猛

摘要：碳纖維樹脂基復(fù)合材料，作為一種新型的復(fù)合材料，有著強度高、重量輕、耐疲勞、耐腐蝕等傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)良特性。將碳纖維樹脂基復(fù)合材料用于車輛制造，不僅可以極大減輕同等級別車輛重量，還能提升車輛能耗經(jīng)濟性。文章從車輛零部件裝配技術(shù)、材料力學(xué)特性、車輛能耗經(jīng)濟型以及車身制造發(fā)展趨勢出發(fā)，對碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用于車輛制造進行了深度的探索。

關(guān)鍵詞：碳纖維樹脂基復(fù)合材料；車輛制造；材料

碳纖維樹脂基復(fù)合材料是在碳纖維材料和樹脂材料基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型材料的統(tǒng)稱，通常是將碳纖維與環(huán)氧樹脂等樹脂基材復(fù)合而成。該材料同時繼承了碳纖維材料重量輕、強度高、耐疲勞、耐腐蝕以及樹脂基材料制造方便、不同配方適用不同場合的可變特性。碳纖維樹脂基復(fù)合材料同傳統(tǒng)金屬材料相比，質(zhì)量可減輕20%～80%。如果能將此類新型材料應(yīng)用于車輛制造，不僅可以減輕車輛重量，提升燃料經(jīng)濟性，還能很大程度上增強車身力學(xué)性能，增強車輛安全性。

1 碳纖維樹脂基復(fù)合材料主要連接技術(shù)

1.1 機械連接

機械連接是車輛制造技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)之一，是指將不同機械部件運用螺栓或鉚釘?shù)倪B接為一個整體的連接技術(shù)。碳纖維樹脂基復(fù)合材料運用此技術(shù)進行連接時，連接可靠簡便，連接效果方便檢驗，但此種連接技術(shù)往往需要對復(fù)合材料進行打孔，這將會造成應(yīng)力集中，同時，還存在金屬材料與碳纖維樹脂基復(fù)合材料接觸面出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險。

1.2 膠粘連接

膠粘連接的好處在于，連接件在連接前無需打孔，這就避免了因打孔而出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，膠粘工藝性好，膠粘表面光滑，外觀美觀，由于膠粘面有一層粘合劑層，相互連接的兩個部分是彼此分離的，不會出現(xiàn)機械連接時發(fā)生的電化學(xué)腐蝕風(fēng)險。但是，膠粘之前需要對工件表面進行特殊的處理，另外膠粘好的固件難以檢驗?zāi)z粘強度。但對于碳纖維樹脂基復(fù)合材料而言，膠粘連接是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)之一。

2 用于汽車的應(yīng)用優(yōu)勢

汽車材料的選擇在汽車的設(shè)計制造過程中十分的重要，我們往往要考慮許多的因素，這其中最為主要的有材質(zhì)的穩(wěn)定性、力學(xué)性能、質(zhì)量、可加工性等。任何一個因素的改變都會對汽車的外形、性能、銷量、用戶的駕駛體驗帶來極大的影響。近年來，碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（CarbonFiber Reinforced Polymers，CFRP）漸漸地進入了人們的視野，逐漸運用到了汽車的制造中。為何他會如此受汽車行業(yè)的追捧，主要是因為他與其他材料相比具有以下優(yōu)勢。

2.1 綜合力學(xué)性能優(yōu)異

車用CFRP與普通的碳鋼相比其密度僅為碳鋼的，甚至比鋁合金還要輕。雖然其密度小質(zhì)量輕，但他卻有著非同一般的力學(xué)性能，抗拉強度比鋼材要強3-4倍，同時，與鋼材相比其疲勞強度特性也較為優(yōu)越，可以達(dá)到抗拉強度的70%～80%。在振動阻尼特性方面，CFRP 2s便可以停止振動，而鋁合金等其他的傳統(tǒng)材料則需要10s甚至更長的時間。

2.2 可設(shè)計性強

碳纖維復(fù)合材料具有較強的可設(shè)計性?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品的特性通過改變纖維的排列方式和構(gòu)造形式從而靈活選擇基體材料。如果想要充分發(fā)揮材料的各向異性，則可以將纖維按照材料的受力方向進行排布。如此改變還可以達(dá)到減輕重量節(jié)約材料的目的。

2.3 可實現(xiàn)一體化制造

隨著3D打印的出現(xiàn)，一體化制造逐漸登上了市場舞臺，在汽車制造領(lǐng)域一體化制造也成了一種發(fā)展趨勢。復(fù)合材料在外形的塑造方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，易于制造成曲面等。一體化制造不論在制造工序還是周期上都比傳統(tǒng)制造要更占優(yōu)勢。采用一體化制造我們不僅可以減少模具的使用，還在后期的裝配過程中節(jié)約了時間和成本。一體化制造的運用使產(chǎn)品整體性更強，避免后期裝配焊接產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中的問題從而增強了產(chǎn)品的強度。

2.4 吸能抗沖擊性強

CFRP具有一定的黏彈性，較好的吸能抗沖擊性能使得基體與碳纖維之間的微小運動可以更好地吸收外界對車體產(chǎn)生的沖擊力，另外，在劇烈的碰撞過程中，經(jīng)特殊編制的CFRP會碎裂成小的顆粒，通過這種方式從而吸收外界碰撞產(chǎn)生的能量，并且采用CFRP所吸收的能量比金屬要高4～5倍。所以，采用這種材料可以更大限度地提高汽車的安全性。

2.5 耐腐蝕性好

碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，具有很好的耐腐蝕的能力使用壽命也比普通的材料要長很多，壽命通常比鋼材長2～3倍。用其制造的零部件不需要進行表面的防氧化、防腐蝕處理。

2.6 高溫性能好

碳纖維在400℃的高溫下仍然可以保持較為穩(wěn)定的物理特性，當(dāng)溫度達(dá)到1 000℃時仍然沒有什么變化。

2.7 抗疲勞性能好

在疲勞裂紋的擴展方面CFRP有著很好的阻礙性，其抗疲勞特性最高可以達(dá)到80%。實驗表明，CFRP材料在經(jīng)過數(shù)百萬次的抗疲勞試驗過后仍然具有較高的強度，可以達(dá)到70%。然而傳統(tǒng)的材料像鋼材和鋁材只能達(dá)到40%左右。因此，較好的抗疲勞特性也使CFRP材料在市場上很受歡迎。

3 應(yīng)用于新能源乘用車是的經(jīng)濟性方面影響

使用碳纖維可以有效減輕整車質(zhì)量，整車質(zhì)量的減輕在生成生活中節(jié)約能源，節(jié)約成本開支方面具有十分重要的作用。

A 級車型的車身減重100kg時經(jīng)濟性影響分析如下。

（1）以1臺續(xù)駛300 km、裝電量45 kW·h的乘用車“每減重100 kg，增加8%左右的續(xù)駛里程”計算，同樣的續(xù)駛里程可以減少3.6 kW·h的裝電量，節(jié)約電池費用約為0.6萬元。

（2）以行駛40萬km生命周期、電費平均按照0.9元/kWh計算，整車生命周期內(nèi)可節(jié)約電費400 000/100×1.2×0.9=0.432萬元（按100 km節(jié)省1.2 kW·h電量計算）。

（3）以5萬輛的整車生產(chǎn)規(guī)模為例，所節(jié)約的工藝投資、設(shè)備投資折算到電動汽車的經(jīng)濟當(dāng)量中，每臺車中的攤銷約節(jié)約2 000元。

（4）因為工藝精簡，人員成本至少節(jié)約1 000元/臺。每臺車可平均節(jié)約成本：0.6+0.432+0.2+0.1=1.332萬元。

由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，由于炭纖維材料的應(yīng)用，車身質(zhì)量的減輕獲得了很大的經(jīng)濟效益。但是經(jīng)濟成本的節(jié)約卻不足以彌補炭纖維材料使用本身帶來的成本，因此這對碳纖維車身具體的投入使用帶來了巨大的阻力。因此碳纖維車身的推廣需要從其他方面入手，比如工藝和設(shè)備等方面。只有真正地將碳纖維車身運用投入量化生產(chǎn)，被行業(yè)和社會所接受才能真正地降低生產(chǎn)成本，真正地帶來經(jīng)濟效益，再考慮鋁合金對車身質(zhì)量減輕的疊加效應(yīng)更會帶來更大的經(jīng)濟效果。

4 碳纖維復(fù)合材料用于車身的發(fā)展趨勢

由于碳纖維復(fù)合材料教于傳統(tǒng)材料無法替代的優(yōu)點和性能，碳纖維材料越來越受到廣大汽車制造商的喜愛和歡迎。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，碳纖維在汽車制造領(lǐng)域的使用量每年的漲幅超過了30%，預(yù)計在2020年將會超過2.3萬t。碳纖維增強復(fù)合材料目前在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍主要包括車身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件和車身上的裝飾件。例如，碳纖維復(fù)合材料制造車身結(jié)構(gòu)件已經(jīng)運用到BMW公司己開發(fā)的多種車型中，這是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造的重要標(biāo)志，引領(lǐng)這碳纖維復(fù)合材料運用于汽車領(lǐng)域的發(fā)展。與此同時，為了滿足快速發(fā)展的寶馬i系列電動汽車以及其他車型的需求，BMW公司還與德國SGL公司進一步合作，投資1億歐元研發(fā)低成本碳纖維，并將每年的碳纖維產(chǎn)量3 000 t提高到9 000 t。

5 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比具有獨特的性能，在汽車領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但是碳纖維增復(fù)合材料在應(yīng)用的同時也存在一定的缺陷。為了是碳纖維復(fù)合材料能夠有更好的開發(fā)應(yīng)用推廣，還需要從多個方面研究，要改善材料的研發(fā)工藝，不斷降低碳纖維材料的研發(fā)成本，不斷提高碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，精準(zhǔn)控制工藝提高材料的固化速度，從而推動碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域有更為廣闊的應(yīng)用前景。