隨著汽車輕量化時(shí)代的到來，越來越多的輕量化材料不斷地出現(xiàn)在汽車行業(yè)內(nèi)，從應(yīng)用廣泛的PP、PC、PA、ABS等，再到近年火熱的碳纖維復(fù)合材料。世界對于汽車輕量化的探索從未止步，那么今天小編整理了一篇關(guān)于車用碳纖維復(fù)合材料的知識，讓我們一起了解下吧。

一、碳纖維復(fù)合材料概念

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以碳纖維、織物、纖維氈等為增強(qiáng)體，樹脂、金屬、陶瓷等為基體的復(fù)合材料的總稱。常見的有樹脂基碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、陶瓷基碳纖維復(fù)合材料（CMC）和金屬基碳纖維復(fù)合材料（MMC）。車用碳纖維復(fù)合材料主要以樹脂基復(fù)合材料為主。

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能

1、力學(xué)性能

碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高，模量大，密度小，具有較高的比強(qiáng)度和比模量。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料在高強(qiáng)度和高模量的基礎(chǔ)上質(zhì)量也較輕，有明顯的密度優(yōu)勢。相同構(gòu)件使用碳纖維復(fù)合材料與鋁合金材料相比，可減重50%；與鋼材相比，減重可達(dá)70%。下表為碳纖維復(fù)合材料與常見金屬材料力學(xué)性能對比：

表 碳纖維復(fù)合材料與常見金屬材料力學(xué)性能對比

2、熱力學(xué)性能

碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體保護(hù)下），2000℃仍有強(qiáng)度，液氮下也不脆斷。同時(shí)，其熱膨脹系數(shù)小，比熱容高，能儲存大量的熱能，抗熱沖擊和熱摩擦的性能優(yōu)異。

3、耐腐蝕性

碳纖維復(fù)合材料具有較高的耐腐蝕性，除了能被強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對它的作用很小。相較于鋼材和合金材料，碳纖維復(fù)合材料作為汽車材料的安全性和耐久性更好。以下是碳纖維復(fù)合材料與常見金屬材料的韌性、耐高溫性和耐腐蝕性能比較：

表 碳纖維復(fù)合材料與常見金屬材料的韌性、耐高溫性和耐腐蝕性能比較

二、常見基體和增強(qiáng)體材料

在復(fù)合材料中，碳纖維增強(qiáng)體是承載外力的主體；樹脂基體則通過界面層，以剪切應(yīng)力的形式向碳纖維體傳遞應(yīng)力載荷。同時(shí)，樹脂基體還起到保護(hù)碳纖維增強(qiáng)體，免受外界損傷的作用。

1. 樹脂基體

復(fù)合材料的樹脂基體在選擇時(shí)要考慮其強(qiáng)度、剛度、耐疲勞性、使用溫度、耐濕熱老化性等方面。常用樹脂基體分為以下兩大類：

 1)熱固性樹脂

如：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂等。熱固性樹脂在加工成型后，聚合物分子內(nèi)形成不溶不熔的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。熱固性樹脂基材料強(qiáng)度高，是目前碳纖維復(fù)合材料使用較多的一類樹脂。但其高溫不熔，加工難度大，不易回收利用。

圖 環(huán)氧樹脂顆粒

2)熱塑性樹脂

如：乙烯基樹脂、尼龍、聚四氟乙烯樹脂等。熱塑性樹脂可在一定的溫度下熔融，降溫后塑化成型。具有較好的韌性和可加工性，同時(shí)材料可以回收利用，使用成本低。熱塑性碳纖維復(fù)合材料備受汽車材料界的喜愛，新型高性能熱塑性樹脂正逐步替代傳統(tǒng)熱固性樹脂，成為車用碳纖維復(fù)合材料的基體。

圖 聚四氟乙烯樹脂顆粒

2. 增強(qiáng)體

增強(qiáng)體材料是碳纖維復(fù)合材料的另一個(gè)重要組成部分。不同形式的增強(qiáng)體制成的復(fù)合材料各項(xiàng)性能也有所不同。在選擇增強(qiáng)體材料時(shí)應(yīng)考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能要求、樹脂基體和增強(qiáng)體的界面相容性、生產(chǎn)工藝要求等因素。理論上，碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)體形式有三種：碳纖維、碳纖維織物和碳纖維氈。在汽車材料領(lǐng)域的應(yīng)用中多以纖維增強(qiáng)體形式存在。纖維增強(qiáng)體又可分為短切碳纖維、連續(xù)碳纖維和混雜纖維三類。

1)短切碳纖維

一般指20mm以下的碳纖維增強(qiáng)體。短切碳纖維作為增強(qiáng)材料時(shí)與樹脂基體的浸潤較好，結(jié)合牢固，復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度較高。但短切碳纖維在鋪設(shè)過程的均勻度難控制，易導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的各向異性較大。

2)連續(xù)碳纖維

一般指40mm以上的碳纖維長絲增強(qiáng)體。連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)材料可有效提高復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和韌性，但其加工過程要比短切碳纖維困難。

3)混雜纖維

混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指在同一基體中有兩種或者兩種以上的纖維增強(qiáng)體。通過改變各纖維的組分、含量和結(jié)構(gòu)可得到不同性能的復(fù)合材料。

 圖 碳纖維材料

三、成型方法

隨著碳纖維復(fù)合材料的廣泛使用，其加工方法也在不斷地推陳出新。從傳統(tǒng)勞動密集型的手糊成型到現(xiàn)在機(jī)械化程度較高的噴射成型、注射成型等，碳纖復(fù)材的成型方法在向著高質(zhì)量、高效率、低成本的方向發(fā)展。常見成型方法及特點(diǎn)：

1. 手糊成型

手工糊制，工藝簡便、投資低廉、適用面廣。但產(chǎn)品質(zhì)地疏松密度低、強(qiáng)度不高，而且主要依賴于人工，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率很低。

2. 纏繞成型

纖維能保持連續(xù)完整，一般適用于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)體。機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，勞動強(qiáng)度小。產(chǎn)品不需機(jī)械加工，但設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，工藝質(zhì)量不易控制。

3. 注射成型

分為反應(yīng)注射成型（RIM）和增強(qiáng)反應(yīng)注射成型（RRIM）。具有生產(chǎn)效率高、能耗低的特點(diǎn)，可用作短切碳纖維或片狀增強(qiáng)體材料的復(fù)合。

4. 樹脂傳遞模塑成型（RTM）

生產(chǎn)周期短、無污染、勞動成本低，產(chǎn)品尺寸可精確控制，可用來制造工藝較為復(fù)雜的大型高品質(zhì)產(chǎn)品。

圖 生產(chǎn)車間碳纖維架

四、碳纖復(fù)材應(yīng)用難題

1.成本高

從碳纖維的生產(chǎn)到其復(fù)合材料的制備都伴隨著高成本的投入。相較于鋼材、鋁材等金屬材料，碳纖維復(fù)合材料的成本要高出20%。

2.生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、無法量產(chǎn)

傳統(tǒng)的金屬材料只需幾十秒便可成型，而碳纖維復(fù)合材料的樹脂成型需要數(shù)個(gè)小時(shí)時(shí)間。較長的生產(chǎn)周期導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

3.產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)難度大、缺少成熟數(shù)據(jù)庫

碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)還不夠成熟，從樹脂基體、增強(qiáng)體的選擇，到連接點(diǎn)的選擇、連接部位力學(xué)分布以及復(fù)合工藝都缺少成熟的數(shù)據(jù)支撐，新產(chǎn)品的開發(fā)難度較大。

4.連接和回收技術(shù)難題

碳纖復(fù)材表面打孔會造成其強(qiáng)度損失，故而連接使用時(shí)不適合傳統(tǒng)的鉚接和螺接。目前常用的方式是使用膠黏劑進(jìn)行粘黏，但這種方法耐久性不好，易老化。

五、創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用

1.高壓樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（HP-RTM），縮短生產(chǎn)周期

采用高壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樹脂基體的高壓注射、高壓浸漬和高壓固化。即，高壓狀態(tài)下使樹脂基體快速填充模腔，加速樹脂與增強(qiáng)體之間的浸潤，同時(shí)加速樹脂反應(yīng)系統(tǒng)，縮短固化周期。 寶馬與西格里合作開發(fā)了固化時(shí)間為2 min及5 min的環(huán)氧樹脂，采用HP-RTM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“一分鐘循環(huán)周期”。

2.使用熱塑性基體預(yù)浸料，縮短生產(chǎn)周期，基體可熱熔重復(fù)利用，降低成本

由于熱固性樹脂材料的熱穩(wěn)定性好，目前碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體多采用熱固性樹脂，熱塑性樹脂使用較少。但熱塑性樹脂的成型工藝時(shí)間短，具有可再加工性和可回收再利用的特點(diǎn)，可縮短復(fù)合材料的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。目前通用汽車公司與帝人公司在聯(lián)合開發(fā)聚丙烯和聚酰胺兩種樹脂與碳纖維的復(fù)合成型技術(shù)。

3.碳纖/玻纖混雜加工成型技術(shù)

針對碳纖維復(fù)合材料的抗沖擊性和斷裂韌性差的缺點(diǎn)，將碳纖維和玻璃纖維混雜使用，共同作為增強(qiáng)材料，達(dá)到性能互補(bǔ)的作用。戴姆勒公司和克萊斯勒公司采用重疊加料，混合使用碳纖維和玻璃纖維，縮減了零件數(shù)量，減輕重量，提高剛度達(dá)到22%。

4.新型增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)——三維立體織物

三維立體織物具有優(yōu)異的三維空間，在與樹脂復(fù)合時(shí)可達(dá)到良好的浸潤效果。這種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)也從根本上解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料復(fù)合層間剪切強(qiáng)度低，易分層的問題。

六、總結(jié)

近年來，在國內(nèi)外專家學(xué)者不斷地努力研究下，碳纖維由于其優(yōu)良的性能已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到了汽車領(lǐng)域，相信在不久的將來碳纖維復(fù)合材料會更多的出現(xiàn)在中低端的車型中，而不再是高端車型的專屬。

素材來自于中國汽車材料網(wǎng) 作者：付正婷，艾邦高分子整理。

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