汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的輕量化關(guān)鍵技術(shù)分析

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化已成為提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放和增強(qiáng)操控性能的重要手段。碳纖維復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料，在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文將探討汽車(chē)輕量化領(lǐng)域用碳纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)，包括材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等方面。

碳纖維復(fù)合材料的制備技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料的制備過(guò)程涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，包括原材料選擇、預(yù)處理、成型和固化等。首先，選用高質(zhì)量的碳纖維和樹(shù)脂作為原材料，保證復(fù)合材料的性能。其次，對(duì)碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，如表面氧化、電解等，以提高碳纖維與樹(shù)脂的黏附性。然后，通過(guò)適當(dāng)?shù)某尚凸に?，如手糊、模壓、噴射等，將碳纖維和樹(shù)脂結(jié)合在一起。最后，進(jìn)行固化處理，使復(fù)合材料達(dá)到預(yù)定的性能要求。

在制備過(guò)程中，需要注意控制各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、時(shí)間等，以保證復(fù)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(dòng)化、智能化等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的快速制備。

碳纖維輪轂體

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

碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)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(chē)的具體需求，確定使用碳纖維復(fù)合材料的部件類(lèi)型和數(shù)量。其次，針對(duì)每個(gè)部件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)，還需要考慮部件的制造工藝性，確保碳纖維復(fù)合材料能夠順利地進(jìn)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(chē)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的最常見(jiàn)形式之一，主要取其質(zhì)感時(shí)尚、輕便堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，作為國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)特約零部件合作商，智上新材料計(jì)劃在2023年前將碳纖維后視鏡的產(chǎn)能擴(kuò)大3倍，以滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的新能源車(chē)市場(chǎng)需求。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以運(yùn)用有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。此外，還可以借鑒其他領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合汽車(chē)的實(shí)際需求，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)新型碳纖維復(fù)合材料部件。

碳纖維一體化骨架體

采用碳纖維復(fù)合材料制作汽車(chē)量具是因?yàn)槠浔冉饘倭烤吒p、更容易操作，除此之外，碳纖維復(fù)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(shí)，還能反過(guò)來(lái)增加零部件的載荷量。

碳纖維復(fù)合材料的工藝優(yōu)化技術(shù)

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

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

碳纖維在汽車(chē)框架中應(yīng)用

最近幾年來(lái)，由于行業(yè)驅(qū)動(dòng)以及設(shè)備制造商尋求推進(jìn)其CFRP集成等因素驅(qū)動(dòng)，CFRP已經(jīng)出現(xiàn)由高級(jí)乘用轎車(chē)向中型車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)。如下圖所示：

汽車(chē)行業(yè)正在快速發(fā)展，而未來(lái)主要驅(qū)動(dòng)因素取決于：

立法-全球政府日益設(shè)嚴(yán)格的（零）排放目標(biāo)；

環(huán)境-社會(huì)責(zé)任正在影響買(mǎi)方的決定；

運(yùn)營(yíng)成本-石油燃料價(jià)格正在增加擁有成本；

電動(dòng)動(dòng)力總成-范圍是電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售的最大障礙之一，質(zhì)量越輕，范圍越大；

安全性-強(qiáng)度，剛度和撞擊時(shí)改善的能量吸收；

設(shè)計(jì)自由-嵌入式傳感器，功能改進(jìn)，以及多種材料集成；

駕駛經(jīng)驗(yàn)-消費(fèi)者要求增加連接性，自動(dòng)駕駛。

汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)碳纖維復(fù)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(kuò)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(shí)間才能滿足生產(chǎn)率要求；

質(zhì)量保證-可重復(fù)，低PPM故障等級(jí)；

可回收性-報(bào)廢/再利用是許多國(guó)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(kù)體系-汽車(chē)工程師需要良好的材料數(shù)據(jù)來(lái)支持零件設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述CFRP在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(shè)計(jì)-培訓(xùn)汽車(chē)工程師如何針對(duì)CFRP與金屬進(jìn)行設(shè)計(jì)；

材料創(chuàng)新-降低成本至關(guān)重要，價(jià)格差異必須與價(jià)值差異相匹配；

工藝創(chuàng)新-要實(shí)現(xiàn)時(shí)間/轉(zhuǎn)換成本目標(biāo)，需要重大技術(shù)進(jìn)步；

穩(wěn)健供應(yīng)鏈-能夠跨多個(gè)零件（T1/T2/T3）供應(yīng)>200,000個(gè)單位。

汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、增加曲率和拔模角度、樹(shù)脂流動(dòng)設(shè)計(jì)/低循環(huán)時(shí)間、考慮粘接要求和零件集成、盡量減少浪費(fèi)并在可能的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)、為零件選擇正確的處理方法、協(xié)作以改善結(jié)果。

關(guān)鍵技術(shù)一：TP成型技術(shù)及應(yīng)用

將CFRTP與注塑成型相結(jié)合，可以提高組件強(qiáng)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(pán)，副車(chē)架等，生命周期可回收優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵技術(shù)二：HP（hot press）-RTM&LCM技術(shù)及應(yīng)用

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

目前，一些新的重大項(xiàng)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(shè)計(jì)和預(yù)成形工藝對(duì)可行性至關(guān)重要，比較適合大批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)三：熱壓成型技術(shù)及應(yīng)用

該技術(shù)最廣泛使用的方法是與大型預(yù)浸料相結(jié)合，具有良好的視覺(jué)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(qiáng)材料類(lèi)型包括單向預(yù)浸料、編織物、NCF等，但是面臨著批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵技術(shù)四：SMC技術(shù)及應(yīng)用

近年來(lái)，片狀模塑材料（SMC）獲得了廣泛的關(guān)注，并且在未來(lái)十年內(nèi)有可能成為汽車(chē)用CFRP主要技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于快速成型和低成本，但缺點(diǎn)也比較明顯，機(jī)械性能較低，因此主要適合一些對(duì)強(qiáng)度要求不高零部件，典型代表為豐田普銳斯。

關(guān)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(fèi)、節(jié)省成本、無(wú)需預(yù)成型、柔性樹(shù)脂系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣泛，但其主要缺點(diǎn)在于成型速度較慢。

汽車(chē)工業(yè)碳纖維復(fù)合材料的新技術(shù)

隨著汽車(chē)工業(yè)發(fā)展，為了汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)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(xué)性能，實(shí)現(xiàn)界面粘合和樹(shù)脂相容性；

更快的固化周期；實(shí)現(xiàn)材料標(biāo)準(zhǔn)化等等。

此外，Sigmatex公司也提出一點(diǎn)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(jìn)行闡述。

碳纖維材料新技術(shù)一：可視碳技術(shù)

可視碳是當(dāng)今CFRP汽車(chē)市場(chǎng)主要細(xì)分市場(chǎng)之一，該技術(shù)主要源自于消費(fèi)者和設(shè)計(jì)師都對(duì)碳纖維斜紋編織物感到厭倦，因此，希望通過(guò)更具創(chuàng)意的設(shè)計(jì)來(lái)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(dòng)化鋪帶技術(shù)，并可提供高強(qiáng)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(kāi)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(kāi)”并平放（無(wú)捻）、高強(qiáng)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(jìn)的機(jī)械性能，并具由一定美觀性。

總結(jié)

盡管碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，碳纖維復(fù)合材料的成本較高，限制了其在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。為了降低成本，可以通過(guò)優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模等方式實(shí)現(xiàn)。