碳纖維復(fù)合材料特性及其在汽車單體殼上的應(yīng)用

侯雅男

（大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧大連，116024）

碳纖維復(fù)合材料特性及其在汽車單體殼上的應(yīng)用

侯雅男

（大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧大連，116024）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）性能卓越，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用前景可觀。首先，以剛度、柔度和各向異性為典型，介紹了CFRP的性能，并從真空輔助成型和熱壓罐成型兩種方法闡述了CFRP的制備技術(shù)。其次，以單體殼為例，對CFRP在汽車中的應(yīng)用展開了論述，從宏觀上把握了單體殼的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)難點(diǎn)。分析表明：CFRP有助于汽車輕量化，促進(jìn)節(jié)能減排、降低油耗；將單體殼推廣到民用車領(lǐng)域還受到安全、舒適度、智能設(shè)備適應(yīng)性等瓶頸的制約，迫切渴望技術(shù)創(chuàng)新和資金投入。碳纖維復(fù)合材料在單體殼上的應(yīng)用，將推動(dòng)汽車史上的第二次科技革命。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）；汽車；輕量化；單體殼；科技革命

引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP，以下簡稱碳纖維）具有高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、輕質(zhì)量、高阻尼、強(qiáng)導(dǎo)電性、耐熱、耐沖擊、強(qiáng)可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航天、體育、發(fā)電、汽車等領(lǐng)域。

隨著汽車普及率的提高，尾氣污染也愈發(fā)嚴(yán)重。新能源汽車可起到汽車輕量化的作用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低油耗的途徑之一。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求汽車的重量于2025年減重25%，油耗降低至5L/km，為新材料，尤其是碳纖維材料的應(yīng)用提供了可行之路。

1 CFRP性能及制備

碳纖維復(fù)合材料是以樹脂、陶瓷、金屬以及碳等材料作為基體，以碳纖維布作為增強(qiáng)體制成的結(jié)構(gòu)材料，分別稱為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以及C/C復(fù)合材料[1-4]。在碳纖維復(fù)合材料中，碳纖維起到增強(qiáng)作用，樹脂等基體起到復(fù)合材料成型的作用。

1.1 性能

碳纖維含碳量一般高達(dá)95%，是一種高剛度，同時(shí)又高柔度的各向異性新型纖維材料。

與金屬相比，其鋼度是鋁鎂等金屬的10倍，但其質(zhì)量卻是金屬的三分之一以下。由此可見，碳纖維是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、節(jié)能減排必不可少的新興材料。碳纖維的耐沖擊性好，當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)發(fā)生形變，基體和碳纖維通過本身與其間的摩擦力來吸收沖擊。但超出極限時(shí)，會(huì)像鋼化玻璃一樣破碎，形變不可修復(fù)，這也是其被廣泛應(yīng)用的困難之一。

碳纖維還有一個(gè)金屬材料所不具備的優(yōu)勢，即柔軟可加工性。利用真空輔助成型工藝（RTM）等，可以制成各種形狀的碳纖維件，同時(shí)不再需要螺栓、螺釘?shù)染o固件，并省去打孔、沖壓等工序，實(shí)現(xiàn)零件的一體化。從這方面來看，碳纖維將帶動(dòng)汽車史上的第二次科技革命。

碳纖維的各向異性具體表現(xiàn)為：當(dāng)碳纖維復(fù)合材料的受力方向與纖維方向一致時(shí)，碳纖維起主導(dǎo)作用，承擔(dān)較大部分的力；當(dāng)受力方向垂直于纖維方向時(shí)，抗拉強(qiáng)度由基體（樹脂、陶瓷等）決定，強(qiáng)度減小且遜于纖維。利用上述特性，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)受力情況確定材料厚度、用量等，減少材料耗費(fèi)。

1.2 制備

目前碳纖維的制備方法較少，較為普遍的是手糊和RTM，除此還有熱壓罐成型、滴灌成型等方法。上述方法只適合少量中小件的制作，尚不適合汽車零件的量產(chǎn)[5]。

現(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，日本東麗碳纖維公司采用快速成型固化劑開發(fā)了高速RTM成型法，并通過其研制了碳纖維概念車，另外還有稱作BPH的全新固化劑預(yù)成型法、熱壓罐成型法等，為碳纖維在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

RTM是利用真空泵抽出空氣抽進(jìn)樹脂，真空泵將樹脂抽滿整個(gè)碳纖件，樹脂在室溫下干透。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便，制作成本較低，但是精度不高，不適合曲面碳纖件的制作，所以不能在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

熱壓罐成型是利用熱壓罐里面的高溫高壓幫助預(yù)浸碳纖布維持真空和高溫的方法進(jìn)行制備的。預(yù)浸碳纖布與模具的貼合度高、精度高，可以制作復(fù)雜的曲面碳纖件，但制作效率低，不適合大件的量化生產(chǎn)。

我國的碳纖維制備技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新能力較弱，提高碳纖維質(zhì)量、制備技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化的研究力度，非常重要。

2 CFRP的應(yīng)用——以單體殼汽車為例

CFRP的高性能使其在航空、體育、武器、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域都有運(yùn)用，常見的有高爾夫球桿、曲棍球棍、自行車車架等。在汽車上主要應(yīng)用于傳動(dòng)軸、輪轂、剎車片、尾翼、引擎蓋，剎車片，離合片等，但一般用于高端車，造價(jià)較高。

2.1 CFRP應(yīng)用于汽車的優(yōu)劣性

碳纖維應(yīng)用在汽車上可以減輕汽車質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，另外其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，能夠使零部件一體化，并減少工序。20世紀(jì)70年代末，福特公司將其應(yīng)用在汽車上的輕量化研究取得了較好的效果。碳纖維還應(yīng)用于車身上，如現(xiàn)在已經(jīng)量產(chǎn)的寶馬i3、i8、7系、5系。2015年，江蘇生產(chǎn)了我國的首輛碳纖維新能源動(dòng)車，但是還未量產(chǎn)化。碳纖維在汽車上的應(yīng)用將是汽車領(lǐng)域的革命性變革。

碳纖維雖然有著高性能，但因其生產(chǎn)成本高，質(zhì)量不穩(wěn)定，制作周期長，以及鋪層角度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，限制了其在汽車領(lǐng)域的發(fā)展。除了量產(chǎn)困難，維修和回收利用、性能的長期穩(wěn)定性、耐久性和耐破壞能力也是亟待解決的問題。另外，成型工藝、性能指標(biāo)、質(zhì)量控制等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的建立與完善也是保證其應(yīng)用安全的必要條件之一。

2.2 單體殼應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維最先應(yīng)用于航空領(lǐng)域，之后逐漸發(fā)展或即將發(fā)展到賽車和民用車等其它領(lǐng)域。在賽車領(lǐng)域的應(yīng)用之一是單體殼，乃賽車的承載式車身，具有很輕的質(zhì)量和很高的強(qiáng)度，可提高賽車的加速性能和扭轉(zhuǎn)性能，能夠很好地緩和沖擊，保證駕駛員安全。圖1所示為一款使用單體殼材料作為車身的新型賽車。

圖1 一款使用單體殼材料作為車身的新型賽車

1984年，邁凱倫引進(jìn)F1領(lǐng)域的第一輛碳纖維單體殼，從此碳纖維單體殼便作為賽車輕量化和保護(hù)車手的必要設(shè)備。單體殼由碳纖維和蜂窩鋁或芳綸蜂窩夾層制成，采用三明治（Sandwich）結(jié)構(gòu)，上下兩層碳纖維，中間夾有夾層，可以在保證一定強(qiáng)度和剛度的情況下節(jié)省碳纖維材料，降低成本。制備采用熱壓罐成型工藝。目前國內(nèi)的FSAE（中國大學(xué)生方程式汽車大賽）中已有三個(gè)大學(xué)研制應(yīng)用了單體殼，分別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)和廈門理工大學(xué)。他們采用碳纖維單體殼來代替原來笨重的桁架式鋼管結(jié)構(gòu)，車重減輕了將近一半多。

單體殼的應(yīng)用是汽車輕量化的必經(jīng)之路。它集車身和車架于一體，又采用比重較小的碳纖維材料，能夠使零部件一體化，大大減輕了車重。車重減輕，油耗減小，汽車扭轉(zhuǎn)力矩增加，則整體性能提高，所以單體殼是未來汽車的發(fā)展趨勢。

2.3 單體殼應(yīng)用難題

由于我國碳纖維技術(shù)尚不成熟，單體殼的設(shè)計(jì)與制作也存在相當(dāng)大的困難。單體殼在民用車上的應(yīng)用將是未來的趨勢。單體殼目前僅應(yīng)用于賽車領(lǐng)域，因?yàn)橘愜嚱Y(jié)構(gòu)相對簡單，而民用車不僅要考慮速度和安全性能，還要考慮舒適性以及電子設(shè)備的利用等方面。將單體殼應(yīng)用在民用車上，還有很長的路要走。

從單體殼的設(shè)計(jì)方面，要根據(jù)車身的受力方向來設(shè)計(jì)確定碳纖維的厚度、結(jié)構(gòu)和鋪層角度等。由于碳纖維打孔易產(chǎn)生裂紋，懸架的安裝點(diǎn)要進(jìn)行預(yù)埋處理。單體殼設(shè)計(jì)與制作的困難還遠(yuǎn)不止這些，因?yàn)橘愜囶I(lǐng)域的碳纖維單體殼是經(jīng)過多次分析和實(shí)踐才取得的成果，將其發(fā)展運(yùn)用到民用車中還需要更多的探索與試驗(yàn)。

3 結(jié)束語

通過以上的分析可知，碳纖維單體殼有著很大的發(fā)展前景，但是這個(gè)過程是漫長且艱辛的。迫切需要提高碳纖維生產(chǎn)效率和質(zhì)量，努力提高制備技術(shù)，克服一切困難，最終推進(jìn)單體殼在汽車等領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

[1]王東川, 劉啟志, 柯楓. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料, 2005(4): 33-36.

[2]翟瑞龍. 高性能纖維為汽車瘦身. 中國石化報(bào)[N/OL]. (2016-06-28) [2016-10-21]. http://enews.sinopecnews.com.cn/zgshb/ html/2016-06/28/content_732830.htm.

[3]張婧, 于今, 熊磊, 等. 車用碳纖維復(fù)合材料性能及成型工藝[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2016(8): 26-30.

[4]曹永友, 李青青, 王強(qiáng). 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的新進(jìn)展[J]. 汽車工藝與材料, 2008(10): 54-57.

[5]徐海瀾, 張科峰. 碳纖維復(fù)合材料在汽車后下部防護(hù)裝置中的應(yīng)用探討[J]. 客車技術(shù)與研究, 2016, 38(3): 44-47, 59.

Characteristics of Carbon Fibre Reinforced Polymer and its Applications on Monocoque for Automobile

HOU Ya-nan
(School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning,116024, China)

Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) has excellent performance and promising application prospects in automotive field. Firstly, the stiffness, flexibility and anisotropy are taken as typical examples to illustrate the performance of CFRP, and the preparation technology of CFRP is discussed from two methods namely vacuum assisted molding and autoclave molding. Secondly, the application of CFRP in automobile is discussed from an example of monocoque, to grasp its application status and technical difficulties through a macro view. The analyses show that CFRP contributes to the lightweight of automobile, the promotion on energy conservation, and the reduction on fuel consumption; extension of monocoque to civil automobiles is subject to bottlenecks of safety, comfort, and adaptability on smart devices, which is eager for technological innovation and capital investment. The application of CFRP by means of monocoque will trend to promote the second technological innovation in the history of the automobile.

Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP); Automobile; Lightweight; Monocoque; Technological Innovation

U214.9+9

A

2095-8412 (2016) 06-1293-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.065

侯雅男(1995-)，女 ，大連理工大學(xué)車輛工程（英語強(qiáng)化）14級本科生，曾參與兩年方程式賽車的設(shè)計(jì)與制作，在校參加創(chuàng)新項(xiàng)目，曾在科創(chuàng)比賽獲得二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)。

E-mail: 986845814@qq.com