碳纤维树脂基复合材料在车辆制造中的应用

碳纤维树脂基复合材料在车辆制造中的应用

宋庆祥

山东格瑞德集团有限公司山东省德州市253000

摘要：碳纤维树脂基复合材料是在碳纤维材料和树脂材料基础上发展而来的新型材料的统称，通常是将碳纤维与环氧树脂等树脂基材复合而成。该材料同时继承了碳纤维材料重量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀以及树脂基材料制造方便、不同配方适用不同场合的可变特性。碳纤维树脂基复合材料同传统金属材料相比，质量可减轻20%～80%。如果能将此类新型材料应用于车辆制造，不仅可以减轻车辆重量，提升燃料经济性，还能很大程度上增强车身力学性能，增强车辆安全性。

关键词：碳纤维树脂基复合材料;车辆制造;应用

1碳纤维树脂基复合材料主要连接技术

1.1机械连接

机械连接是车辆制造技术中应用最为广泛的连接技术之一，是指将不同机械部件运用螺栓或铆钉的连接为一个整体的连接技术。碳纤维树脂基复合材料运用此技术进行连接时，连接可靠简便，连接效果方便检验，但此种连接技术往往需要对复合材料进行打孔，这将会造成应力集中，同时，还存在金属材料与碳纤维树脂基复合材料接触面出现电化学腐蚀的风险。

1.2胶粘连接

胶粘连接的好处在于，连接件在连接前无需打孔，这就避免了因打孔而出现的应力集中现象。同时，胶粘工艺性好，胶粘表面光滑，外观美观，由于胶粘面有一层粘合剂层，相互连接的两个部分是彼此分离的，不会出现机械连接时发生的电化学腐蚀风险。但是，胶粘之前需要对工件表面进行特殊的处理，另外胶粘好的固件难以检验胶粘强度。但对于碳纤维树脂基复合材料而言，胶粘连接是当前应用最为广泛的连接技术之一。

2用于汽车的应用优势

2.1综合力学性能优异

车用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的密度为1.5～2g/cm3,仅为普通碳钢的1/4～1/5,甚至比铝合金还要轻。虽然其密度小质量轻，但他却有着非同一般的力学性能，抗拉强度比钢材要强3～4倍，同时，与钢材相比其疲劳强度特性也较为优越，可以达到抗拉强度的70%～80%。在振动阻尼特性方面，CFRP2s便可以停止振动，而铝合金等其他的传统材料则需要10s甚至更长的时间。

2.2可设计性强

碳纤维复合材料具有较强的可设计性。可以根据产品的特性通过改变纤维的排列方式和构造形式从而灵活选择基体材料。如果想要充分发挥材料的各向异性，则可以将纤维按照材料的受力方向进行排布。如此改变还可以达到减轻重量节约材料的目的。

2.3可实现一体化制造

随着3D打印的出现，一体化制造逐渐登上了市场舞台，在汽车制造领域一体化制造也成了一种发展趋势。复合材料在外形的塑造方面有着得天独厚的优势，易于制造成曲面等。一体化制造不论在制造工序还是周期上都比传统制造要更占优势。采用一体化制造我们不仅可以减少模具的使用，还在后期的装配过程中节约了时间和成本。一体化制造的运用使产品整体性更强，避免后期装配焊接产生的局部应力集中的问题从而增强了产品的强度。

2.4吸能抗冲击性强

CFRP具有一定的黏弹性，较好的吸能抗冲击性能使得基体与碳纤维之间的微小运动可以更好地吸收外界对车体产生的冲击力，另外，在剧烈的碰撞过程中，经特殊编制的CFRP会碎裂成小的颗粒，通过这种方式从而吸收外界碰撞产生的能量，并且采用CFRP所吸收的能量比金属要高4～5倍。所以，采用这种材料可以更大限度地提高汽车的安全性。

2.5耐腐蚀性好

碳纤维增强聚合物基复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成，具有很好的耐腐蚀的能力使用寿命也比普通的材料要长很多，寿命通常比钢材长2～3倍。用其制造的零部件不需要进行表面的防氧化、防腐蚀处理。

2.6柔韧性好

碳素波纹管造型呈特殊螺纹状，可以弯曲自如的绕过障碍物，方便施工。

2.7抗疲劳性能好

在疲劳裂纹的扩展方面CFRP有着很好的阻碍性，其抗疲劳特性最高可以达到80%。实验表明，CFRP材料在经过数百万次的抗疲劳试验过后仍然具有较高的强度，可以达到70%。然而传统的材料像钢材和铝材只能达到40%左右。因此，较好的抗疲劳特性也使CFRP材料在市场上很受欢迎。

3应用于新能源乘用车是的经济性方面影响

使用碳纤维可以有效减轻整车质量，整车质量的减轻在生成生活中节约能源，节约成本开支方面具有十分重要的作用。A级车型的车身减重100kg时经济性影响分析如下。（1）以1台续驶300km、装电量45kW·h的乘用车“每减重100kg，增加8%左右的续驶里程”计算，同样的续驶里程可以减少3.6kW·h的装电量，节约电池费用约为0.6万元。（2）以行驶40万km生命周期、电费平均按照0.9元/kW·h计算，整车生命周期内可节约电费400000/100×1.2×0.9＝0.432万元（按100km节省1.2kW·h电量计算）。（3）以5万辆的整车生产规模为例，所节约的工艺投资、设备投资折算到电动汽车的经济当量中，每台车中的摊销约节约2000元。（4）因为工艺精简，人员成本至少节约1000元/台。每台车可平均节约成本：0.6＋0.432＋0.2＋0.1＝1.332万元。由以上数据统计来看，由于炭纤维材料的应用，车身质量的减轻获得了很大的经济效益。但是经济成本的节约却不足以弥补炭纤维材料使用本身带来的成本，因此这对碳纤维车身具体的投入使用带来了巨大的阻力。因此碳纤维车身的推广需要从其他方面入手，比如工艺和设备等方面。只有真正地将碳纤维车身运用投入量化生产，被行业和社会所接受才能真正地降低生产成本，真正地带来经济效益，再考虑铝合金对车身质量减轻的叠加效应更会带来更大的经济效果。

4碳纤维复合材料用于车身的发展趋势

由于碳纤维复合材料教于传统材料无法替代的优点和性能，碳纤维材料越来越受到广大汽车制造商的喜爱和欢迎。相关数据显示，碳纤维在汽车制造领域的使用量每年的涨幅超过了30%，预计在2020年将会超过2.3万t。碳纤维增强复合材料目前在汽车领域的应用范围主要包括车身覆盖件、结构件和车身上的装饰件。例如，碳纤维复合材料制造车身结构件已经运用到BMW公司已开发的多种车型中，这是碳纤维复合材料应用于汽车制造的重要标志，引领这碳纤维复合材料运用于汽车领域的发展。与此同时，为了满足快速发展的宝马i系列电动汽车以及其他车型的需求，BMW公司还与德国SGL公司进一步合作，投资1亿欧元研发低成本碳纤维，并将每年的碳纤维产量3000t提高到9000t。

5结论

碳纤维复合材料与传统金属材料相比具有独特的性能，在汽车领域具有很好的应用前景，但是碳纤维增复合材料在应用的同时也存在一定的缺陷。为了使碳纤维复合材料能够有更好的开发应用推广，还需要从多个方面研究，要改善材料的研发工艺，不断降低碳纤维材料的研发成本，不断提高碳纤维复合材料的综合性能，精准控制工艺提高材料的固化速度，从而推动碳纤维复合材料在汽车领域有更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]张豫坤,牛宏校,邓晨兴.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究[J].当代化工研究,2017(06):66-67.

[2]王翠翠.氧化石墨烯对碳纤维表面修饰及其树脂基复合材料性能[D].济南大学,2017.

[3]吴晓春.碳纤维增强树脂基复合材料微波固化变形预测[D].南京航空航天大学,2017.

[4]王从科,董方旭,赵付宝,凡丽梅,张霞,郑素萍.碳纤维树脂基复合材料内部缺陷X射线成像检测的仿真[J].玻璃钢/复合材料,2017(02):82-87.