汽車碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)部件的輕量化關鍵技術(shù)分析

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化已成為提高汽車燃油經(jīng)濟性、降低排放和增強操控性能的重要手段。碳纖維復合材料作為一種輕質(zhì)、高強度的材料，在汽車輕量化領域具有廣泛的應用前景。本文將探討汽車輕量化領域用碳纖維復合材料的關鍵技術(shù)，包括材料制備、結(jié)構(gòu)設計、工藝優(yōu)化等方面。

碳纖維復合材料的制備技術(shù)

碳纖維復合材料的制備過程涉及多個環(huán)節(jié)，包括原材料選擇、預處理、成型和固化等。首先，選用高質(zhì)量的碳纖維和樹脂作為原材料，保證復合材料的性能。其次，對碳纖維進行預處理，如表面氧化、電解等，以提高碳纖維與樹脂的黏附性。然后，通過適當?shù)某尚凸に嚕缡趾?、模壓、噴射等，將碳纖維和樹脂結(jié)合在一起。最后，進行固化處理，使復合材料達到預定的性能要求。

在制備過程中，需要注意控制各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、時間等，以保證復合材料的性能穩(wěn)定。此外，為了提高生產(chǎn)效率，還可以采用自動化、智能化等技術(shù)手段，實現(xiàn)碳纖維復合材料的快速制備。

碳纖維輪轂體

新能源汽車比傳統(tǒng)汽車更注重車體的輕量化，除了碳纖維汽車內(nèi)飾件和一些簡單的結(jié)構(gòu)件外，碳纖維復合材料還可以作為汽車輪轂體材料。

碳纖維復合材料在汽車輕量化領域的應用設計

碳纖維復合材料在汽車輕量化領域的應用設計需要考慮多個因素，包括部件的功能需求、結(jié)構(gòu)形式、制造工藝等。首先，根據(jù)汽車的具體需求，確定使用碳纖維復合材料的部件類型和數(shù)量。其次，針對每個部件，進行結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化其形狀、尺寸和連接方式，以提高部件的承載能力和抗疲勞性能。同時，還需要考慮部件的制造工藝性，確保碳纖維復合材料能夠順利地進行成型和固化。

碳纖維外殼體

碳纖維后視鏡外殼是新能源汽車應用碳纖維復合材料的最常見形式之一，主要取其質(zhì)感時尚、輕便堅固的優(yōu)點，作為國內(nèi)新能源汽車特約零部件合作商，智上新材料計劃在2023年前將碳纖維后視鏡的產(chǎn)能擴大3倍，以滿足國內(nèi)日益增長的新能源車市場需求。

在結(jié)構(gòu)設計過程中，可以運用有限元分析、優(yōu)化設計等方法，對碳纖維復合材料的性能進行預測和優(yōu)化。此外，還可以借鑒其他領域的應用經(jīng)驗，結(jié)合汽車的實際需求，創(chuàng)新性地設計新型碳纖維復合材料部件。

碳纖維一體化骨架體

采用碳纖維復合材料制作汽車量具是因為其比金屬量具更輕、更容易操作，除此之外，碳纖維復合材料還可以作為大型零部件中的支撐件，在減少單位面積上的質(zhì)量的同時，還能反過來增加零部件的載荷量。

碳纖維復合材料的工藝優(yōu)化技術(shù)

工藝優(yōu)化是提高碳纖維復合材料性能和生產(chǎn)效率的關鍵環(huán)節(jié)。首先，需要針對碳纖維復合材料的制備過程進行精細化控制，如精確控制樹脂的浸漬量、固化溫度和時間等，以提高復合材料的性能穩(wěn)定性。其次，通過改進成型工藝，如采用先進的模具設計和制造技術(shù)，提高碳纖維復合材料的成型精度和表面質(zhì)量。此外，還可以采用先進的自動化和智能化技術(shù)，提高碳纖維復合材料的制備效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

在工藝優(yōu)化過程中，還需要充分考慮碳纖維復合材料的可持續(xù)性和環(huán)保性。例如，通過采用環(huán)保型樹脂和回收利用碳纖維廢料等方式，降低碳纖維復合材料制備過程中的環(huán)境污染和資源消耗。

碳纖維在汽車框架中應用

最近幾年來，由于行業(yè)驅(qū)動以及設備制造商尋求推進其CFRP集成等因素驅(qū)動，CFRP已經(jīng)出現(xiàn)由高級乘用轎車向中型車輛發(fā)展的趨勢。如下圖所示：

汽車行業(yè)正在快速發(fā)展，而未來主要驅(qū)動因素取決于：

立法-全球政府日益設嚴格的（零）排放目標；

環(huán)境-社會責任正在影響買方的決定；

運營成本-石油燃料價格正在增加擁有成本；

電動動力總成-范圍是電動汽車銷售的最大障礙之一，質(zhì)量越輕，范圍越大；

安全性-強度，剛度和撞擊時改善的能量吸收；

設計自由-嵌入式傳感器，功能改進，以及多種材料集成；

駕駛經(jīng)驗-消費者要求增加連接性，自動駕駛。

汽車行業(yè)發(fā)展趨勢對碳纖維復合材料提出了挑戰(zhàn)：

成本-是大量采用CFRP的最大障礙；

產(chǎn)能-擴大規(guī)模需要大量資金；

循環(huán)次數(shù)-需要CFRP的超低循環(huán)時間才能滿足生產(chǎn)率要求；

質(zhì)量保證-可重復，低PPM故障等級；

可回收性-報廢/再利用是許多國家/地區(qū)的法規(guī)要求；

集成-多材料解決方案將需要金屬和塑料之間的有效兼容性；

數(shù)據(jù)庫體系-汽車工程師需要良好的材料數(shù)據(jù)來支持零件設計。

針對上述CFRP在汽車工業(yè)領域應用面臨挑戰(zhàn)，主要解決方案包括：

材料解決方案-CFRP不能適合所有組件，而是在正確的位置使用正確的材料；

制造設計-培訓汽車工程師如何針對CFRP與金屬進行設計；

材料創(chuàng)新-降低成本至關重要，價格差異必須與價值差異相匹配；

工藝創(chuàng)新-要實現(xiàn)時間/轉(zhuǎn)換成本目標，需要重大技術(shù)進步；

穩(wěn)健供應鏈-能夠跨多個零件（T1/T2/T3）供應>200,000個單位。

汽車用碳纖維復合材料關鍵技術(shù)

針對碳纖維復合材料進行設計，而不能落入金屬材料的套路中，這意味著需要：減少零件數(shù)量/簡化設計、增加曲率和拔模角度、樹脂流動設計/低循環(huán)時間、考慮粘接要求和零件集成、盡量減少浪費并在可能的情況下進行設計、為零件選擇正確的處理方法、協(xié)作以改善結(jié)果。

關鍵技術(shù)一：TP成型技術(shù)及應用

將CFRTP與注塑成型相結(jié)合，可以提高組件強度，剛度和功能性的結(jié)構(gòu)，而且能夠以合理的成本生產(chǎn)大量產(chǎn)品，該技術(shù)主要適用于非結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)零件–非底盤，副車架等，生命周期可回收優(yōu)勢。

關鍵技術(shù)二：HP（hot press）-RTM&LCM技術(shù)及應用

該技術(shù)曾被視為所有汽車應用的首選解決方案，然而事實證明它更適合于汽車主要結(jié)構(gòu)部件，例如底板，電池盒，支撐柱和車頂結(jié)構(gòu)；成本仍然是該技術(shù)獲得廣泛應用的最大障礙。

目前，一些新的重大項目仍然采用該技術(shù)，通常選擇液體壓縮模塑，在該技術(shù)中良好的設計和預成形工藝對可行性至關重要，比較適合大批量生產(chǎn)。

關鍵技術(shù)三：熱壓成型技術(shù)及應用

該技術(shù)最廣泛使用的方法是與大型預浸料相結(jié)合，具有良好的視覺效果，適用于非結(jié)構(gòu)、半結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)零件，常用的增強材料類型包括單向預浸料、編織物、NCF等，但是面臨著批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

關鍵技術(shù)四：SMC技術(shù)及應用

近年來，片狀模塑材料（SMC）獲得了廣泛的關注，并且在未來十年內(nèi)有可能成為汽車用CFRP主要技術(shù)，其優(yōu)勢在于快速成型和低成本，但缺點也比較明顯，機械性能較低，因此主要適合一些對強度要求不高零部件，典型代表為豐田普銳斯。

關鍵技術(shù)五：ATP技術(shù)

Tape placement技術(shù)是新興技術(shù)，但由于具有精確的材料放置創(chuàng)造出優(yōu)化的零件、極低浪費、節(jié)省成本、無需預成型、柔性樹脂系統(tǒng)等優(yōu)勢，應用前景十分廣泛，但其主要缺點在于成型速度較慢。

汽車工業(yè)碳纖維復合材料的新技術(shù)

隨著汽車工業(yè)發(fā)展，為了汽車用碳纖維復合材料發(fā)展趨勢包括：低成本碳纖維，例如Oak Ridge的300/600K大絲束碳纖維；改善纖維上漿的化學性能，實現(xiàn)界面粘合和樹脂相容性；

更快的固化周期；實現(xiàn)材料標準化等等。

此外，Sigmatex公司也提出一點碳纖維織物的發(fā)展，下面將結(jié)合該公司研發(fā)新技術(shù)進行闡述。

碳纖維材料新技術(shù)一：可視碳技術(shù)

可視碳是當今CFRP汽車市場主要細分市場之一，該技術(shù)主要源自于消費者和設計師都對碳纖維斜紋編織物感到厭倦，因此，希望通過更具創(chuàng)意的設計來提高人們的興趣（如下圖所示）。

碳纖維材料新技術(shù)二：超低重量UD膠帶

主要包括纖維鋪展技術(shù)、大批量高速率制備技術(shù)、面積重量40–200gsm、膠帶寬度18–120mm、自動化鋪帶技術(shù)，并可提供高強型/中模型等纖維材料。

碳纖維材料新技術(shù)三：平幅針織物

Sigmatex開發(fā)的一種新穎的編織工藝，能夠生產(chǎn)平織物：覆蓋系數(shù)提高、經(jīng)紗和緯紗都“鋪開”并平放（無捻）、高強型和中模型碳纖維均可用、面積重量從195-280gsm；由于增加了纖維排列和絲束分布，提供了改進的機械性能，并具由一定美觀性。

總結(jié)

盡管碳纖維復合材料在汽車輕量化領域具有廣泛的應用前景，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，碳纖維復合材料的成本較高，限制了其在汽車領域的廣泛應用。為了降低成本，可以通過優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率、擴大生產(chǎn)規(guī)模等方式實現(xiàn)。