碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟(jì)性分析

劉頔，朱成

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟(jì)性分析

劉頔，朱成

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

汽車輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少能源消耗。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源乘用車對(duì)輕量化的要求更為迫切。分析了碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身的生產(chǎn)工藝、連接技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性，總結(jié)了未來碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于車身制造的發(fā)展趨勢(shì)。

新能源乘用車；輕量化；碳纖維；經(jīng)濟(jì)性

碳纖維一般會(huì)與環(huán)氧樹脂結(jié)合成復(fù)合材料使用，這種復(fù)合材料繼承了碳纖維本身較強(qiáng)的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞強(qiáng)度和吸能抗震性等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，繼承了環(huán)氧樹脂配方設(shè)計(jì)靈活多樣、應(yīng)用針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比，碳纖維復(fù)合材料減重效果可達(dá)到20%～40%，與鋼類金屬件相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果甚至可達(dá)到60%～80%.使用碳纖維復(fù)合材料，不僅減輕了整車質(zhì)量，還在一定程度上影響和改變了汽車制造工藝。

1 工藝類型

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP），是指將碳纖維作為增強(qiáng)相與熱塑性或熱固性的樹脂材料復(fù)合而成的材料。CFRP復(fù)合材料的制造技術(shù)主要包括預(yù)浸成形和液體成形工藝，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料工藝類型對(duì)比分析如表1所示。

表1 碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料工藝類型對(duì)比分析

2 汽車部件連接裝配技術(shù)

復(fù)合材料汽車部件之間的組合裝配及復(fù)合材料部件與金屬構(gòu)件間的連接是不可避免的問題。復(fù)合材料呈各向異性，層間強(qiáng)度比較低，延展性小，使得復(fù)合材料連接部位的設(shè)計(jì)和分析比金屬?gòu)?fù)雜得多，汽車行業(yè)傳統(tǒng)金屬零部件之間的連接方式也不適用于復(fù)合材料的連接，因此，了解和改進(jìn)汽車復(fù)合材料的連接和固定方式，并合理選擇是至關(guān)重要的。

由于開孔打斷纖維的連續(xù)性，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。復(fù)合材料連接部位通常是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，保證連接強(qiáng)度是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。復(fù)合材料連接方式主要分為三大類，即膠接連接、機(jī)械連接以及兩者的混合連接。對(duì)于熱塑性復(fù)合材料，還有焊接技術(shù)。復(fù)合材料連接技術(shù)設(shè)計(jì)需要根據(jù)構(gòu)件的具體使用情況和設(shè)計(jì)要求來確定。

2.1 膠接連接

與機(jī)械連接相比，膠接技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是無開孔引起的應(yīng)力集中，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，抗疲勞，減振和絕緣性能好，外觀平整光滑，黏結(jié)工藝簡(jiǎn)單，無電化學(xué)腐蝕問題等。但是，膠接技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，比如膠接質(zhì)量控制困難，膠接強(qiáng)度分散性比較大，缺少可靠的檢驗(yàn)方法，黏結(jié)面的表面處理和黏結(jié)工藝要求嚴(yán)格等。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料車身，膠接是主要的連接方式。

2.2 機(jī)械連接

機(jī)械連接一般使用的是鉚釘和螺栓，是最常用的一種連接方式。機(jī)械連接的主要優(yōu)點(diǎn)是連接可靠性高，維修或更換中可重復(fù)拆卸和裝配，不需要處理表面，對(duì)環(huán)境的影響比較小等。機(jī)械連接的主要缺點(diǎn)是會(huì)增加質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，金屬與復(fù)合材料接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕等問題。鉚釘連接和螺栓連接的對(duì)比情況如圖1所示。

圖1 機(jī)械連接——鉚釘連接和螺栓連接對(duì)比

2.3 混合連接

為了提高連接的安全性和完整性，在一些重要的連接部位，通常同時(shí)采用膠接和機(jī)械連接的混合連接方式，充分利用2種連接方式的優(yōu)點(diǎn)，確保連接部位有足夠的強(qiáng)度和較高的可靠性。

2.4 焊接

焊接技術(shù)主要應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料部件，其基本原理是，加熱熔融熱塑性復(fù)合材料表面的樹脂，然后搭接加壓，使之接成一體。焊接主要有超聲波焊接、電感應(yīng)焊接和電阻焊接3種方式。焊接的優(yōu)點(diǎn)是連接效果好且周期短，無需表面處理，連接強(qiáng)度高，應(yīng)力小等；不足之處是不易拆卸，需要加入導(dǎo)電性材料或金屬絲等。此外，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型過程中，可以在纖維預(yù)成型體中預(yù)埋金屬連接件，成型后復(fù)合材料與金屬預(yù)埋件成為一體，復(fù)合材料部件間可以通過金屬預(yù)埋件連接，以避免機(jī)加工損傷復(fù)合材料。

3 用于汽車的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在選擇汽車材料時(shí)需要考慮一系列因素，比如力學(xué)性能、輕量化、材料穩(wěn)定性、材料的可設(shè)計(jì)性和可加工性等。每一個(gè)因素都會(huì)對(duì)汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、使用等產(chǎn)生不可忽視的影響。近年來，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP）以其獨(dú)有的性能特點(diǎn)，成為頗受人們關(guān)注的汽車新材料。與其他汽車材料相比，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有以下優(yōu)勢(shì)。

3.1 綜合力學(xué)性能優(yōu)異

車用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的密度為1.5～2 g/cm3，僅為普通碳鋼的1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3左右，但碳纖維復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度是鋼材的3～4倍。鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30%～50%，而CFRP可達(dá)70%～80%.同時(shí)，CFRP還具有比輕金屬更好的振動(dòng)阻尼特性，比如輕合金需要9 s才能停止震動(dòng)，而碳纖維復(fù)合材料2 s就能停止，比強(qiáng)度和比模量高。

3.2 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可依據(jù)使用性能要求合理選擇基體材料，設(shè)計(jì)纖維的排列方式和復(fù)合材料的構(gòu)造形式，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。例如，將碳纖維按照受力方向排布，可充分發(fā)揮復(fù)合材料強(qiáng)度的各項(xiàng)異性，從而達(dá)到節(jié)約材料和減輕質(zhì)量的目的。對(duì)于要求具有耐腐蝕性能的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)，可選用耐腐蝕性能好的基體材料。

3.3 可實(shí)現(xiàn)一體化制造

模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合材料在成型時(shí)易于制成各種形狀的曲面，實(shí)現(xiàn)一體化制造汽車零部件產(chǎn)品。一體化成型制造不僅可以減少零部件的數(shù)量和模具數(shù)量，減少零部件連接等工序，還可以極大地縮短生產(chǎn)周期。例如，如果汽車前端模塊采用碳纖維復(fù)合材料制作，可實(shí)現(xiàn)整體一體化成型，避免金屬制件的后續(xù)拼焊和后續(xù)加工產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，在保障產(chǎn)品精度和提高性能的同時(shí)，減輕汽車零部件質(zhì)量，降低制造成本。

3.4 吸能抗沖擊性強(qiáng)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有一定的黏彈性，并且碳纖維與基體之間有微小的局部相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可產(chǎn)生界面摩擦力。在黏彈性和界面摩擦力的協(xié)同作用下，CFRP制件具有更好的吸能抗沖擊性能。另一方面，經(jīng)特殊編織的碳纖維復(fù)合材料碰撞吸能結(jié)構(gòu)在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量的撞擊能量，其能量吸收能力比金屬材料高4～5倍，能有效提高車輛安全性，保障成員安全。

3.5 耐腐蝕性好

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，具有優(yōu)異的耐酸堿性能，用其制造的汽車零部件無需進(jìn)行表面防腐處理，其耐候性和耐老化性能較好，壽命一般為鋼材的2～3倍。

3.6 高溫性能好

碳纖維在400℃以下性能保持非常穩(wěn)定，在1 000℃時(shí)仍無太大變化。

3.7 抗疲勞性能好

碳纖維增強(qiáng)材料因纖維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用，其抗疲勞性能可達(dá)70%～80%.碳纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制成的復(fù)合材料經(jīng)應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗(yàn)后，其強(qiáng)度保留率仍有60%，而鋼材和鋁材分別為40%和30%，玻璃鋼只有20%～25%.因此，碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能適合廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

4 用于新能源乘用車的經(jīng)濟(jì)性分析

由于碳纖維的引用，車身可減重50%以上，以典型A級(jí)車型的車身減重100 kg為例，整車輕量化的意義非常明顯，可從以下幾個(gè)方面略加闡述：①對(duì)于1臺(tái)續(xù)駛300 km、裝電量45 kW·h的乘用車來說，以行業(yè)專家“每減重100 kg，增加8%左右的續(xù)駛里程”計(jì)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(fèi)用約為0.6萬元；②以行駛40萬公里生命周期、電費(fèi)平均按照0.9元/kW·h計(jì)算，整車生命周期內(nèi)可節(jié)約電費(fèi)400 000/100×1.2×0.9＝0.432萬元（按100 km節(jié)省1.2kW·h電量計(jì)算）；③因?yàn)樘祭w維材料的應(yīng)用，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(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量中，每臺(tái)車中的攤銷約節(jié)約2 000元；④因?yàn)楣に嚲?jiǎn)，人員成本至少節(jié)約1 000元/臺(tái)。

以上數(shù)項(xiàng)合計(jì)，每臺(tái)車可平均節(jié)約0.6＋0.432＋0.2＋0.1＝1.332萬元成本，但這些費(fèi)用不足以沖減因?yàn)樘祭w維的引入所帶來的材料本身成本的增加。由此可見，碳纖維車身的應(yīng)用目前仍存在較大的問題。如果要推廣輕量化車身，只能從降低工藝和設(shè)備的投入方面入手。

如果汽車實(shí)現(xiàn)碳纖維車身量產(chǎn)，碳纖維材料本身的成本也會(huì)大幅度下降，整個(gè)行業(yè)效應(yīng)也相當(dāng)巨大，經(jīng)濟(jì)效益也將越發(fā)明顯。這些僅僅是從碳纖維的角度分析的，如果再考慮鋁合金車身減重達(dá)50 kg的因素，按同樣的道理正向疊加，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)不言自明。

5 用于車身的發(fā)展趨勢(shì)

鑒于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)，這類材料逐漸受到了汽車制造商的青睞。據(jù)估計(jì)，在汽車領(lǐng)域，碳纖維使用量正以年均34%的速度增長(zhǎng)，到2020年將達(dá)到2.3萬噸。圖2為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于車身的發(fā)展路線圖。

當(dāng)前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要應(yīng)用于車身覆蓋件、車身上的裝飾件和結(jié)構(gòu)件上。例如，寶馬公司已在其開發(fā)的多種車型中大量采用碳纖維復(fù)合材料制造車身結(jié)構(gòu)件，這已經(jīng)成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造的重要時(shí)刻。同時(shí)，寶馬公司還與德國(guó)西格里公司（SGL）進(jìn)一步合作，投資1億歐元研發(fā)低成本碳纖維，并將碳纖維產(chǎn)量從每年3 000 t提高到9 000 t，用以滿足不斷增長(zhǎng)的寶馬i系列電動(dòng)汽車以及其他車型的需求。

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于車身的發(fā)展路線圖

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)成為未來汽車新材料的重要發(fā)展方向。然而，這種材料要想在汽車領(lǐng)域推廣應(yīng)用，還需要從以下幾方面入手開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研發(fā)：①進(jìn)一步尋求更低成本的碳纖維先驅(qū)體；②研發(fā)碳纖維制造新工藝，比如先驅(qū)體材料的穩(wěn)定化技術(shù)；③優(yōu)化碳纖維制造工藝參數(shù)或采用納米碳纖維，以進(jìn)一步提高CFRP復(fù)合材料的性能；④研發(fā)快捷、有效的CFRP制件成型制造技術(shù)，比如成型快速固化技術(shù)、復(fù)合材料流動(dòng)性控制技術(shù)等；⑤利用計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)（CAE）遴選不同的碳纖維復(fù)合材料，并優(yōu)化成型工藝參數(shù)。

［1］俞璦權(quán)，盧朕.碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用［J］.上海汽車，2013（7）：48-52.

［2］新材料探路者.碳纖維在汽車輕量化中的成本分析［EB/OL］.［2017-03-25］.http://www.cnautonews.com/qclbj/201703/t20170325_529236.htm.

［3］蔣鼎豐.復(fù)合材料與汽車（五）［J］.汽車與配件，2009（45）：44-46.

U463.326

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.005

2095－6835（2018）02－0005－03

劉頔（1981—），女，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事車身結(jié)構(gòu)、新能源汽車方面的研究。

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