车用碳纤维复合材料性能及成型工艺摘要.PDFVIP

科技导报2016，34（8） 车用碳纤维复合材料性能及成型工艺车用碳纤维复合材料性能及成型工艺 张婧，于今，熊磊，孙巍 中国复合材料集团有限公司，北京 100036 摘要摘要 碳纤维复合材料（CFRP）具有高强度、高刚度、高断裂韧性、耐腐蚀、高阻尼等特点，可大幅提高汽车服役寿命、燃油效率 和安全舒适性，已被公认为汽车工业领域最理想的轻量化材料。但由于传统复合材料成型工艺来源于品种多、批量小、高成本生 产的航空工业，为了满足车用CFRP对高效率、低成本、规模化、自动化制造技术的迫切需求，国际主流车企结合车身部件设计灵 活、厚薄不均、复杂程度地不同的具体特点，开发了众多差异化的新型快速成型工艺，以实现最小碳纤维用量下最大程度地发挥 复合材料功效的目的。本文通过与高强钢、铝合金、镁合金等其他先进轻质材料的对比，介绍了碳纤维复合材料在使用性能上的 多样化特点及显著优势；并结合车用碳纤维复合材料部件典型应用案例，分析了当前最具发展潜力的差异化快速成型工艺。 关键词关键词 车用碳纤维复合材料；使用性能；快速成型工艺；轻量化材料 随着中国工业化、城镇化脚步的不断推进和人类节能环 在不改变部件外形、结构和功能的前提下，采用不同的轻量 保意识的不断增强，汽车工业发展与能源、环境之间的矛盾 化材料，铝合金、镁合金部件分别比高强钢部件减重40%和 愈演愈烈，而人类对更加节能、环保和安全的新型汽车的需 49%，准各向同性CFRP和单向织物CFRP的减重百分比则可 求越来越迫切。汽车轻量化技术是在保证零部件使用性能 达到52%和76%（图1）。可见，CFRP的减重效果显著，如果 和行驶安全性的前提下，实现整车减重的手段，也是提高燃 结合优化结构设计方案，则可获得更好的轻量化效果。 油效率、减少尾气排放最直接的方式。 碳纤维增强树脂基复合材料（carbonfiberreinforced plastics,CFRP）具有轻质高强、高断裂韧性、耐腐蚀、可设计 性强、易成型、减振阻尼性能好等一系列优点，既能够满足部 件刚强度、轻量化的设计要求，在车辆安全性上也具有明显 优势。目前，CFRP已成为继高强钢、铝合金、镁合金、工程塑 料和玻璃纤维复合材料（glassfiberreinforcedplastics，GFRP） 后汽车工业领域最流行、最具发展潜力的轻量化新材料。 1 车用CFRP性能 从目前国内外轻量化材料的现状和发展趋势来看，尽管 高强钢仍是现阶段应用最普遍、最成熟的汽车轻量化材料， 图1 奥迪公司对不同轻量化材料、相同功能部件的重量比较 暂时不会被取代，铝合金、镁合金、工程塑料及GFRP等的应 Fig. 1 Comparisonamongcomponentswithdifferent 用也呈现逐渐增长的趋势，但CFRP在轻质高强高模、抗冲击 lightweightmaterialsfromAudi 性、减震隔音性能、耐蚀性等方面所具有的显著优势是其他 材料不可比拟的。 CFRP的拉伸强度和拉伸模量受到纤维种类、用量、形 1.1 轻质高强高模 态、铺层方式以及树脂等多方面因素的影响，表现不一而 CFRP由碳纤维增强相与树脂基体组成，具有轻质、高 足。整体上讲，拉伸强度、拉伸模量，特别是比强度和比模量 3 强、高模的特点。其密度为1.5~2 g/cm ，约为高强钢的1/4、铝 都比金属材料显著提高，是CFRP的核心性能优势。表1列 [1] [2]