碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟性分析

劉頔，朱成

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身輕量化及經(jīng)濟性分析

劉頔，朱成

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100070）

汽車輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少能源消耗。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源乘用車對輕量化的要求更為迫切。分析了碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料用于新能源乘用車車身的生產(chǎn)工藝、連接技術(shù)及其經(jīng)濟性，總結(jié)了未來碳纖維增強復(fù)合材料用于車身制造的發(fā)展趨勢。

新能源乘用車；輕量化；碳纖維；經(jīng)濟性

碳纖維一般會與環(huán)氧樹脂結(jié)合成復(fù)合材料使用，這種復(fù)合材料繼承了碳纖維本身較強的比強度、比模量、耐疲勞強度和吸能抗震性等一系列優(yōu)點，同時，繼承了環(huán)氧樹脂配方設(shè)計靈活多樣、應(yīng)用針對性強等特點。與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比，碳纖維復(fù)合材料減重效果可達到20%～40%，與鋼類金屬件相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果甚至可達到60%～80%.使用碳纖維復(fù)合材料，不僅減輕了整車質(zhì)量，還在一定程度上影響和改變了汽車制造工藝。

1 工藝類型

碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP），是指將碳纖維作為增強相與熱塑性或熱固性的樹脂材料復(fù)合而成的材料。CFRP復(fù)合材料的制造技術(shù)主要包括預(yù)浸成形和液體成形工藝，碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料工藝類型對比分析如表1所示。

表1 碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料工藝類型對比分析

2 汽車部件連接裝配技術(shù)

復(fù)合材料汽車部件之間的組合裝配及復(fù)合材料部件與金屬構(gòu)件間的連接是不可避免的問題。復(fù)合材料呈各向異性，層間強度比較低，延展性小，使得復(fù)合材料連接部位的設(shè)計和分析比金屬復(fù)雜得多，汽車行業(yè)傳統(tǒng)金屬零部件之間的連接方式也不適用于復(fù)合材料的連接，因此，了解和改進汽車復(fù)合材料的連接和固定方式，并合理選擇是至關(guān)重要的。

由于開孔打斷纖維的連續(xù)性，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。復(fù)合材料連接部位通常是整個結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，保證連接強度是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵。復(fù)合材料連接方式主要分為三大類，即膠接連接、機械連接以及兩者的混合連接。對于熱塑性復(fù)合材料，還有焊接技術(shù)。復(fù)合材料連接技術(shù)設(shè)計需要根據(jù)構(gòu)件的具體使用情況和設(shè)計要求來確定。

2.1 膠接連接

與機械連接相比，膠接技術(shù)的主要優(yōu)點是無開孔引起的應(yīng)力集中，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，抗疲勞，減振和絕緣性能好，外觀平整光滑，黏結(jié)工藝簡單，無電化學(xué)腐蝕問題等。但是，膠接技術(shù)也存在一些缺點，比如膠接質(zhì)量控制困難，膠接強度分散性比較大，缺少可靠的檢驗方法，黏結(jié)面的表面處理和黏結(jié)工藝要求嚴格等。對于碳纖維復(fù)合材料車身，膠接是主要的連接方式。

2.2 機械連接

機械連接一般使用的是鉚釘和螺栓，是最常用的一種連接方式。機械連接的主要優(yōu)點是連接可靠性高，維修或更換中可重復(fù)拆卸和裝配，不需要處理表面，對環(huán)境的影響比較小等。機械連接的主要缺點是會增加質(zhì)量，會導(dǎo)致應(yīng)力集中，金屬與復(fù)合材料接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕等問題。鉚釘連接和螺栓連接的對比情況如圖1所示。

圖1 機械連接——鉚釘連接和螺栓連接對比

2.3 混合連接

為了提高連接的安全性和完整性，在一些重要的連接部位，通常同時采用膠接和機械連接的混合連接方式，充分利用2種連接方式的優(yōu)點，確保連接部位有足夠的強度和較高的可靠性。

2.4 焊接

焊接技術(shù)主要應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料部件，其基本原理是，加熱熔融熱塑性復(fù)合材料表面的樹脂，然后搭接加壓，使之接成一體。焊接主要有超聲波焊接、電感應(yīng)焊接和電阻焊接3種方式。焊接的優(yōu)點是連接效果好且周期短，無需表面處理，連接強度高，應(yīng)力小等；不足之處是不易拆卸，需要加入導(dǎo)電性材料或金屬絲等。此外，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型過程中，可以在纖維預(yù)成型體中預(yù)埋金屬連接件，成型后復(fù)合材料與金屬預(yù)埋件成為一體，復(fù)合材料部件間可以通過金屬預(yù)埋件連接，以避免機加工損傷復(fù)合材料。

3 用于汽車的應(yīng)用優(yōu)勢

在選擇汽車材料時需要考慮一系列因素，比如力學(xué)性能、輕量化、材料穩(wěn)定性、材料的可設(shè)計性和可加工性等。每一個因素都會對汽車的設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、使用等產(chǎn)生不可忽視的影響。近年來，碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP）以其獨有的性能特點，成為頗受人們關(guān)注的汽車新材料。與其他汽車材料相比，碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有以下優(yōu)勢。

3.1 綜合力學(xué)性能優(yōu)異

車用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的密度為1.5～2 g/cm3，僅為普通碳鋼的1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3左右，但碳纖維復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于金屬材料，其抗拉強度是鋼材的3～4倍。鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30%～50%，而CFRP可達70%～80%.同時，CFRP還具有比輕金屬更好的振動阻尼特性，比如輕合金需要9 s才能停止震動，而碳纖維復(fù)合材料2 s就能停止，比強度和比模量高。

3.2 可設(shè)計性強

碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計性強，可依據(jù)使用性能要求合理選擇基體材料，設(shè)計纖維的排列方式和復(fù)合材料的構(gòu)造形式，靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計。例如，將碳纖維按照受力方向排布，可充分發(fā)揮復(fù)合材料強度的各項異性，從而達到節(jié)約材料和減輕質(zhì)量的目的。對于要求具有耐腐蝕性能的產(chǎn)品，在設(shè)計時，可選用耐腐蝕性能好的基體材料。

3.3 可實現(xiàn)一體化制造

模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢。復(fù)合材料在成型時易于制成各種形狀的曲面，實現(xiàn)一體化制造汽車零部件產(chǎn)品。一體化成型制造不僅可以減少零部件的數(shù)量和模具數(shù)量，減少零部件連接等工序，還可以極大地縮短生產(chǎn)周期。例如，如果汽車前端模塊采用碳纖維復(fù)合材料制作，可實現(xiàn)整體一體化成型，避免金屬制件的后續(xù)拼焊和后續(xù)加工產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，在保障產(chǎn)品精度和提高性能的同時，減輕汽車零部件質(zhì)量，降低制造成本。

3.4 吸能抗沖擊性強

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有一定的黏彈性，并且碳纖維與基體之間有微小的局部相對運動，可產(chǎn)生界面摩擦力。在黏彈性和界面摩擦力的協(xié)同作用下，CFRP制件具有更好的吸能抗沖擊性能。另一方面，經(jīng)特殊編織的碳纖維復(fù)合材料碰撞吸能結(jié)構(gòu)在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量的撞擊能量，其能量吸收能力比金屬材料高4～5倍，能有效提高車輛安全性，保障成員安全。

3.5 耐腐蝕性好

碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，具有優(yōu)異的耐酸堿性能，用其制造的汽車零部件無需進行表面防腐處理，其耐候性和耐老化性能較好，壽命一般為鋼材的2～3倍。

3.6 高溫性能好

碳纖維在400℃以下性能保持非常穩(wěn)定，在1 000℃時仍無太大變化。

3.7 抗疲勞性能好

碳纖維增強材料因纖維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用，其抗疲勞性能可達70%～80%.碳纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制成的復(fù)合材料經(jīng)應(yīng)力疲勞數(shù)百萬次的循環(huán)試驗后，其強度保留率仍有60%，而鋼材和鋁材分別為40%和30%，玻璃鋼只有20%～25%.因此，碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能適合廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

4 用于新能源乘用車的經(jīng)濟性分析

由于碳纖維的引用，車身可減重50%以上，以典型A級車型的車身減重100 kg為例，整車輕量化的意義非常明顯，可從以下幾個方面略加闡述：①對于1臺續(xù)駛300 km、裝電量45 kW·h的乘用車來說，以行業(yè)專家“每減重100 kg，增加8%左右的續(xù)駛里程”計算，同樣的續(xù)駛里程可以減少3.6 kW·h的裝電量，節(jié)約電池費用約為0.6萬元；②以行駛40萬公里生命周期、電費平均按照0.9元/kW·h計算，整車生命周期內(nèi)可節(jié)約電費400 000/100×1.2×0.9＝0.432萬元（按100 km節(jié)省1.2kW·h電量計算）；③因為碳纖維材料的應(yīng)用，以5萬輛的整車生產(chǎn)規(guī)模為例，所節(jié)約的工藝投資、設(shè)備投資折算到電動汽車的經(jīng)濟當(dāng)量中，每臺車中的攤銷約節(jié)約2 000元；④因為工藝精簡，人員成本至少節(jié)約1 000元/臺。

以上數(shù)項合計，每臺車可平均節(jié)約0.6＋0.432＋0.2＋0.1＝1.332萬元成本，但這些費用不足以沖減因為碳纖維的引入所帶來的材料本身成本的增加。由此可見，碳纖維車身的應(yīng)用目前仍存在較大的問題。如果要推廣輕量化車身，只能從降低工藝和設(shè)備的投入方面入手。

如果汽車實現(xiàn)碳纖維車身量產(chǎn)，碳纖維材料本身的成本也會大幅度下降，整個行業(yè)效應(yīng)也相當(dāng)巨大，經(jīng)濟效益也將越發(fā)明顯。這些僅僅是從碳纖維的角度分析的，如果再考慮鋁合金車身減重達50 kg的因素，按同樣的道理正向疊加，經(jīng)濟效應(yīng)不言自明。

5 用于車身的發(fā)展趨勢

鑒于碳纖維增強復(fù)合材料的特點，這類材料逐漸受到了汽車制造商的青睞。據(jù)估計，在汽車領(lǐng)域，碳纖維使用量正以年均34%的速度增長，到2020年將達到2.3萬噸。圖2為碳纖維增強復(fù)合材料用于車身的發(fā)展路線圖。

當(dāng)前，碳纖維增強復(fù)合材料的主要應(yīng)用于車身覆蓋件、車身上的裝飾件和結(jié)構(gòu)件上。例如，寶馬公司已在其開發(fā)的多種車型中大量采用碳纖維復(fù)合材料制造車身結(jié)構(gòu)件，這已經(jīng)成為碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造的重要時刻。同時，寶馬公司還與德國西格里公司（SGL）進一步合作，投資1億歐元研發(fā)低成本碳纖維，并將碳纖維產(chǎn)量從每年3 000 t提高到9 000 t，用以滿足不斷增長的寶馬i系列電動汽車以及其他車型的需求。

圖2 碳纖維增強復(fù)合材料用于車身的發(fā)展路線圖

6 結(jié)束語

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）以其獨特的性能優(yōu)勢成為未來汽車新材料的重要發(fā)展方向。然而，這種材料要想在汽車領(lǐng)域推廣應(yīng)用，還需要從以下幾方面入手開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研發(fā)：①進一步尋求更低成本的碳纖維先驅(qū)體；②研發(fā)碳纖維制造新工藝，比如先驅(qū)體材料的穩(wěn)定化技術(shù)；③優(yōu)化碳纖維制造工藝參數(shù)或采用納米碳纖維，以進一步提高CFRP復(fù)合材料的性能；④研發(fā)快捷、有效的CFRP制件成型制造技術(shù)，比如成型快速固化技術(shù)、復(fù)合材料流動性控制技術(shù)等；⑤利用計算機仿真分析技術(shù)（CAE）遴選不同的碳纖維復(fù)合材料，并優(yōu)化成型工藝參數(shù)。

［1］俞璦權(quán)，盧朕.碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用［J］.上海汽車，2013（7）：48-52.

［2］新材料探路者.碳纖維在汽車輕量化中的成本分析［EB/OL］.［2017-03-25］.http://www.cnautonews.com/qclbj/201703/t20170325_529236.htm.

［3］蔣鼎豐.復(fù)合材料與汽車（五）［J］.汽車與配件，2009（45）：44-46.

U463.326

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.005

2095－6835（2018）02－0005－03

劉頔（1981—），女，吉林長春人，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事車身結(jié)構(gòu)、新能源汽車方面的研究。

白潔〕