汽車用碳纖維復(fù)合材料加工成型工藝研究進(jìn)展

竺鋁濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司，腈綸部 200540)

近代復(fù)合材料的發(fā)展是從1932年玻璃纖維增強(qiáng)塑料問世開始的。20世紀(jì)60年代末，高性能碳纖維作為增強(qiáng)材料實現(xiàn)了初步商業(yè)化，以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的高性能樹脂基復(fù)合材料因此應(yīng)運而生［1］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)由作為增強(qiáng)材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成，早期的碳纖維復(fù)合材料主要用于軍事領(lǐng)域。隨著材料性能、成型工藝的提高及價格成本的下降，碳纖維復(fù)合材料被越來越多的應(yīng)用到一般工業(yè)和體育休閑等領(lǐng)域。

在全球節(jié)能和環(huán)保趨勢的推動下，汽車的油耗問題越來越引起重視，輕量化設(shè)計成為汽車節(jié)能減排的有效途徑，而碳纖維復(fù)合材料的材料性能及發(fā)展趨勢正順應(yīng)了汽車工業(yè)的發(fā)展需求。碳纖維復(fù)合材料比鋼鐵輕50%，比鋁材輕30%，減重效果明顯［2］，因此不少汽車廠家在汽車制造和改裝過程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料［3］。隨著新能源汽車的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車的生產(chǎn)制造和性能的不斷提高與所用材料密切相關(guān)。復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)，從開始的一般零部件到結(jié)構(gòu)件、功能件，應(yīng)用越來越廣泛。在歐美國家，車輛中復(fù)合材料的用量約占本國復(fù)合材料總產(chǎn)量的三分之一，并呈增長態(tài)勢。

復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用主要包括以下幾類:結(jié)構(gòu)件、車身及車身部件、發(fā)動機(jī)蓋下部件、車內(nèi)裝飾部件及其他(見表1)［4］。

表1 復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用形式

與其他材料相比，碳纖維具有比強(qiáng)度和比模量高、制件力學(xué)性能優(yōu)異等特點。碳纖維復(fù)合材料的密度一般不超過2 g/cm3，而鋼的密度為7.8 g/cm3，用碳纖維復(fù)合材料制作汽車零部件能有效減輕汽車整體質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。據(jù)估計，汽車在整體結(jié)構(gòu)上每減重10%，即可減少燃油消耗約7%。

碳纖維復(fù)合材料不但是制造汽車車身和底盤等主要結(jié)構(gòu)的最輕材料，也是制作高強(qiáng)度承力結(jié)構(gòu)的理想材料，碳纖維復(fù)合材料用于車身和底盤能使整車減重40%～60%。與玻璃纖維復(fù)合材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和模量，而質(zhì)量要小25%左右。

碳纖維復(fù)合材料還具有可設(shè)計性強(qiáng)、制件安全性好及可實現(xiàn)零部件一體化等一系列優(yōu)良性能。用碳纖維復(fù)合材料制造的汽車傳動軸，除具有高阻尼特性和減少震動、降低噪聲而使乘坐舒適外，還具有吸收沖擊能和提高安全性的優(yōu)點。此外，由于碳纖維復(fù)合材料的低密度和高比模量綜合效應(yīng)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到10 000 r/min。同樣原理，用碳纖維復(fù)合材料制造的發(fā)動機(jī)部件和傳動系統(tǒng)部件具有減震吸能和降低噪聲的功能，用其制成的保險杠等防撞系統(tǒng)則具有吸收沖擊能的功能［5］。

在成型過程中，按設(shè)計要求可用模具先形成所需形狀，再固化成型，所制結(jié)構(gòu)件不但整體性好，而且減少了零部件的數(shù)量及接頭等緊固件，節(jié)省了原材料、工時和模具費用，降低了制造成本，縮短了生產(chǎn)周期。

2 車用碳纖維復(fù)合材料加工成型工藝

成型工藝是將原材料轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵工藝步驟，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用離不開成型工藝的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料的加工成型工藝很多，不同的成型加工技術(shù)對制品的性能會帶來較大的影響。目前常用的車用碳纖維復(fù)合材料加工成型工藝主要有:手糊成型(Hand Laying－up)、噴射成型(Spray Moulding)、團(tuán)狀模塑料(Dough Molding Compound，DMC)成型、片狀模塑料(Sheet MoldingCompound，SMC)成 型、層 壓 成 型(Lamination Process)、樹脂傳遞模塑成型(Resin Transfer Molding，RTM)、纏 繞 成 型 (Winding Process)、反應(yīng)注射成型(Reaction Injection Molding，RIM)和拉擠成型(Pultrusion Process)等。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料成型一般與制品的成型同時完成，再輔以少量的切削加工和連接即成成品。隨機(jī)分布短纖維增強(qiáng)塑料可先制成各種形式的預(yù)混料，然后進(jìn)行擠壓、模塑成型［6］。

在制造工藝方面，現(xiàn)有的復(fù)合材料加工成型工藝原則上均適用于碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)上的應(yīng)用［7］。早期車用部件的生產(chǎn)采用手糊工藝和噴射成型工藝，但手糊和噴射工藝(開模模塑)嚴(yán)重污染環(huán)境，勞動強(qiáng)度大，制品的質(zhì)量難以控制，主要用于生產(chǎn)汽車零件中形狀簡單的部件，難以滿足汽車工業(yè)化生產(chǎn)和環(huán)保的要求［6］。

汽車生產(chǎn)具有量大時、面廣的特點，碳纖維復(fù)合材料用于生產(chǎn)汽車零部件應(yīng)特別注意低成本的快速成型方法，汽車工業(yè)應(yīng)優(yōu)先采用模壓(Compression Moulding)成型工藝，如長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics，LFT)技術(shù)，特別是新興的RTM工藝，是世界上公認(rèn)的低成本復(fù)合材料成型技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展很快，并已在汽車工業(yè)上廣泛采用。纏繞工藝能夠賦予制件特別的力學(xué)性能，因而被用于制造瓶罐、軸承類等零件［7］。

3 主要成型工藝的特點

RTM成型工藝始于20世紀(jì)50年代，是為了克服手糊工藝的缺點而發(fā)展起來的一種成型技術(shù)，基本原理是將纖維增強(qiáng)材料預(yù)先鋪設(shè)在封閉的模腔內(nèi)，鎖緊模具，用壓力將樹脂膠液注入模腔，浸透增強(qiáng)材料后固化，然后脫模成型。RTM成型工藝的主要特點為閉模操作、無污染、成型壓力低、增強(qiáng)材料可按設(shè)計要求鋪設(shè)、制品兩面光潔及能制成形狀復(fù)雜的大型制品等。該技術(shù)研發(fā)時間短，適于產(chǎn)品更新，已逐漸取代手糊工藝成為汽車零部件的重要成型方法［6］。RTM工藝設(shè)備投資少，適用于小批量、多品種的汽車結(jié)構(gòu)件，如發(fā)動機(jī)水箱、隔熱罩、發(fā)動機(jī)罩等。

RIM和增強(qiáng)樹脂反應(yīng)注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding，RRIM)2種工藝技術(shù)于20世紀(jì)70年代研究成功，進(jìn)一步改善了手糊工藝，提高了制品表面質(zhì)量，現(xiàn)已大量用于汽車的零件生產(chǎn)。RRIM是利用高壓沖擊來混合2種單體物料及短纖維增強(qiáng)材料，并將其注射到模腔內(nèi)，經(jīng)快速固化反應(yīng)形成制品的一種成型方法。如果在工藝中不使用短纖維增強(qiáng)材料，則稱為RIM工藝，而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的方法則稱為結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(Structure Reaction Injection Molding，SRIM)工藝。RRIM 工藝的特點是:制品表面質(zhì)量好、成型周期短、生產(chǎn)成本低、可以生產(chǎn)大尺寸部件。RRIM制品用于制作汽車保險杠、儀表盤，高強(qiáng)度RRIM制品還可以用作汽車的結(jié)構(gòu)材料、承載材料［6］。

到了20世紀(jì)80年代，SMC成型工藝和散狀模塑料(Bulk Molding Compounds，BMC)成型工藝成為工業(yè)化生產(chǎn)車用部件的主要工藝，在車輛制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。SMC、DMC和BMC是3種重要的熱固性樹脂基復(fù)合材料，它們經(jīng)常被用作模壓復(fù)合材料制品的半成品［6］。

SMC成型工藝是將SMC片材按制品尺寸、形狀及厚度等要求裁剪，然后將多層片材疊合后放入金屬模具中進(jìn)行加熱、加壓成型的方法。該工藝成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定性好，適于大批量生產(chǎn)，性價比較高。SMC工藝的成功開發(fā)和機(jī)械化模壓技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)合材料在汽車工業(yè)上的用量年增長率達(dá)到25%。SMC已被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)罩、導(dǎo)風(fēng)罩、氣門罩殼、水箱部件、發(fā)動機(jī)隔音板、加熱蓋板、氣缸蓋、進(jìn)氣支管、出水口外殼、水泵和燃料泵等汽車制件［8］。但SMC工藝具有產(chǎn)品不可回收、易污染環(huán)境且一次性投資高于對應(yīng)的鋼制件等缺點，所以SMC工藝在早期只在跑車或大型車體結(jié)構(gòu)上得到應(yīng)用。為了充分發(fā)揮復(fù)合材料的減重特性，目前已將碳纖維引入SMC組分中以取代玻璃纖維。荷蘭帝斯曼(DSM)公司研制出的碳纖維片狀模塑料(CSMC)，已成功應(yīng)用于汽車的亞結(jié)構(gòu)部件中［6］。

1951年，美國專利局公開了第1個拉擠成型工藝專利，標(biāo)志著拉擠成型技術(shù)的面世。拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)碳纖維絲束、帶或布等，在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長度不限的型材。拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點是生產(chǎn)過程可完全實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高。拉擠成型制品中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)80%，浸膠在張力下進(jìn)行，能充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，產(chǎn)品強(qiáng)度高，其制成品縱、橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整，可以滿足制品的不同力學(xué)性能要求。該工藝適合于生產(chǎn)各種截面形狀的型材，如工字型、角型、槽型、異型截面管材以及上述截面構(gòu)成的組合截面型材。

纏繞成型工藝是將經(jīng)過樹脂膠液浸漬的連續(xù)纖維或布帶按一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化、脫模成為復(fù)合材料制品的工藝。碳纖維纏繞成型可充分發(fā)揮其高比強(qiáng)度、高比模量以及低密度的特點，可用于制造汽車用壓縮天然氣罐、液化天然氣罐、氫氣罐以及傳動軸、單片式彈簧等制品。車載燃料氣瓶要求安全可靠、質(zhì)量小，碳纖維輕質(zhì)氣瓶不僅滿足了安全要求，而且降低了車輛負(fù)載，相應(yīng)降低了汽車油耗。

由于世界各國環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴(yán)格，促使汽車越來越多地采用可回收利用的先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料抗沖擊性更好，且可回收利用，于是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Glass Mat reinforced Thermoplastics，GMT)和 LFT越來越多地應(yīng)用于汽車工業(yè)，特別是LFT，已成為熱塑性塑料市場增長最快的品種之一，市場需求年增長率達(dá)10%～15%。LFT制件內(nèi)存在相互纏結(jié)的纖維骨架結(jié)構(gòu)，因此具有較好的抗沖擊性和剛性，現(xiàn)已成為國外熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)熱點，主要用來制造受力較強(qiáng)的部件。LFT新的應(yīng)用領(lǐng)域包括車身下部外板、前端組件和連門面板等。同時，在汽車材料中還有用短切纖維與連續(xù)纖維相混雜的LFT。在實際應(yīng)用中要根據(jù)物體的實際受力狀況及工藝來選擇長纖維與短纖維的比例。這種組合既保持了連續(xù)纖維較高的物理性能，又兼容了短纖維的各向同性，大大提高了LFT作為結(jié)構(gòu)材料的實用性，特別適于制造汽車的保險杠、加強(qiáng)梁及支撐架等功能性結(jié)構(gòu)件［4］。

4 工業(yè)化應(yīng)用中存在的問題［7］

在復(fù)合材料成型工藝方面，現(xiàn)有的工藝原則上均可用于汽車工業(yè)，但是除考慮制件的力學(xué)性能外，工藝的成型效率和制造成本同樣影響著復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用。

復(fù)合材料技術(shù)涉及材料、設(shè)計和工藝3個方面，這3個方面相互影響，缺一不可。碳纖維復(fù)合材料經(jīng)過40多年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域。

除了成本因素外，復(fù)合材料的生產(chǎn)和制造不同于金屬材料，無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇還是工藝制造均缺乏經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，也缺少新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。另外，復(fù)合材料的回收利用是制約碳纖維復(fù)合材料在汽車上大規(guī)模應(yīng)用的一個很大瓶頸:與金屬材料不同，報廢后的復(fù)合材料制件無論是采用粉碎、焚燒還是掩埋處理都會對環(huán)境產(chǎn)生影響。只有解決了回收利用問題，才能為復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用掃清障礙。

5 結(jié)束語

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一，雖然目前許多問題有待解決，但隨著碳纖維價格的下降、復(fù)合材料成型設(shè)備和工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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