碳纖維復(fù)合材料及其連接技術(shù)在汽車白車身的應(yīng)用

楊洪期 王金培 馮楊 高海東

摘要：隨著碳中和和碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，如何實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的節(jié)能減排，成為汽車行業(yè)的熱點(diǎn)和話題。輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。介紹了碳纖維復(fù)合材料在汽車白車身上的應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)連接技術(shù)。

關(guān)鍵詞：等離子釬焊；焊接設(shè)備；白車身

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源危機(jī)越來越嚴(yán)重。減少能源消耗和排放，成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。當(dāng)前，一輛汽車半數(shù)以上是鑄鐵或鋼，塑料件約占11%，鋁合金約占9%，橡膠約占7%，玻璃約占3%。鎂、鈦、銅和鋅合金共同約占1%，油漆、電纜和表面材料等約占13.5%，如下圖1所示[1]。

為解決能源效率問題，研究人員提出了觀點(diǎn)——車身不同部位用不同的輕量化材料來減輕汽車整備質(zhì)量。每減重10kg，能耗和碳排放就減少1g/km。

碳纖維作為增強(qiáng)材料和樹脂基體復(fù)合而成的復(fù)合材料，優(yōu)勢明顯。例如：低密度，高比強(qiáng)，高比模，耐疲勞性能好，耐腐蝕性能好，可設(shè)計(jì)性以及強(qiáng)減震。 碳纖維復(fù)合材料可使車身質(zhì)量至少降低60%，續(xù)駛里程提高25%以上，既降低了整車的質(zhì)量及油耗，又不失輕便、靈巧。

但新材料的應(yīng)用需要開發(fā)新的加工工藝、連接工藝來滿足裝配的需求，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出了不少具備工業(yè)化的連接技術(shù)。

隨著碳纖維加工成本的降低和連接技術(shù)的成熟，必將推動(dòng)碳纖維在汽車行業(yè)的應(yīng)用迅速可持續(xù)發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料在白車身的應(yīng)用

隨著汽車的發(fā)展，車身尺寸不斷增大，安全系數(shù)不斷提高，配置越來越豐富，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。這種情況下，要保持合理的車重，選擇合適的材料至關(guān)重要。可以說，輕量化材料的選擇，真正體現(xiàn)了汽車品牌之間的研發(fā)核心技術(shù)差距。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求，又實(shí)現(xiàn)了汽車的輕量化。碳纖維不但能達(dá)到節(jié)能減排的全球性需求，也能解決消費(fèi)者所關(guān)心的節(jié)能省油問題。

碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用之初，由于成本高、工藝復(fù)雜，僅在跑車和少量的昂貴車型上應(yīng)用。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維在汽車車身上的應(yīng)用越來越多。寶馬i3 2013款車型的車身碳纖維用量達(dá)到了49.41%，寶馬i8 2014款車身碳纖維用量為43%，這兩款車也成為碳纖維復(fù)合材料在汽車構(gòu)件大幅度應(yīng)用的標(biāo)桿車型。2018年，瑞典豪華品牌Polestar推出了Polestar1，該車上車身全部采用碳纖維復(fù)合材料，極大降低了整車的整備質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)車企也相繼推出了碳纖維汽車構(gòu)件應(yīng)用的車型，如上汽榮威 E50的機(jī)蓋、一汽紅旗的翼子板、奇瑞艾瑞澤7的前保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒等[2]。

1. 優(yōu)勢

（1）減重? ? CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的密度為1.45～1.6g/cm3，不到鋼密度的25%，比鋁還要輕，CFRP的使用可使汽車整備質(zhì)量減少30%～60%。CFRP由于其優(yōu)異的強(qiáng)度、剛度以及輕量化的特點(diǎn)，對(duì)提高燃料利用率、減少CO2排放具有重要意義，在汽車行業(yè)得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3]。根據(jù)之前研究，如果用CFRP替代鋼件的話，汽車整備質(zhì)量可減少60%，燃料利用率提高30%，CO2排放量減少20%。此外，車身結(jié)構(gòu)的減重還可以使得底盤、齒輪和剎車等結(jié)構(gòu)減重。

（2）零部件的集成/減少? ? 如果大量使用碳纖維零件，不僅能夠減重，還能顯著減少車身零件數(shù)量。歐洲汽車研究學(xué)會(huì)的研究表明復(fù)雜形狀的碳纖維和連接技術(shù)可將車身零件數(shù)量減少30%左右。零件數(shù)量的減少也會(huì)使得生產(chǎn)工具和連接設(shè)備減少。當(dāng)前車身設(shè)計(jì)和汽車制造還處于一個(gè)將零部件焊接到一起的階段，但ACA的研究表明車身結(jié)構(gòu)使用一體成型的碳纖維結(jié)構(gòu)件，最多可減少70%的工具和設(shè)備投入。

（3）良好的抗沖擊性和能量吸收能力? ?碳纖維復(fù)合材料具有良好的能量吸收能力。在碰撞時(shí)，熱塑性復(fù)合材料吸能量為250kJ，熱固性復(fù)合材料的吸能量為 120kJ/kg左右，而鋼只有20kJ/kg。此外，碳纖維復(fù)合材料振動(dòng)衰減系數(shù)大，吸振能力強(qiáng)，可減少振動(dòng)和噪聲[4]。

（4）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的造型? ?大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件都可以用碳纖維復(fù)合材料制作，且形狀不受限制，這是金屬材料所無法具備的。此外，和傳統(tǒng)的纖維相比，CFRP可用于有外露面的結(jié)構(gòu)件。

2. 劣勢

（1）高成本? ? 目前，成本是影響碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)批量應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。雖然，世界各國的科學(xué)家都在努力降低碳纖維量產(chǎn)的成本，但目前和鋼車身相比，碳纖維車身的成本是其15倍左右[5]。目前工業(yè)生產(chǎn)中，碳纖維前驅(qū)體來源受限，造成了碳纖維的高成本。而目前科學(xué)家也在研究可替代的前驅(qū)體和加工技術(shù)，從而降低碳纖維批量生產(chǎn)的成本。

（2）復(fù)雜且低效的生產(chǎn)工藝及技術(shù)? ?目前碳纖維復(fù)合材料普遍采用熱壓罐成型技術(shù)制備零件，具有質(zhì)量穩(wěn)定、成型模具簡單、纖維體積含量高等優(yōu)點(diǎn)，但存在周期長、能耗大等缺點(diǎn)，很難適應(yīng)汽車工業(yè)的規(guī)模應(yīng)用。

采用片狀模塑料的碳纖維，由于其表面的噴涂氣孔（高溫噴涂中輕微的氣體溢出造成的針孔）很難消除，所以也是個(gè)難題。

（3）可回收性低? ?碳纖維復(fù)合材料會(huì)分解為不同的樹脂，而回收大量不同的樹脂會(huì)增加拆卸成本，進(jìn)而降低材料的回收價(jià)值。此外，這些數(shù)值大多是不可回收利用的，反而是通過填埋處理，這會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大影響。

表1是不同材料的虛擬能源，可以看出，和其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料是較高的，因此碳纖維的回收消耗的能源也是需要考慮的[6]。

碳纖維復(fù)合材料連接技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料獨(dú)特的力學(xué)、物理化學(xué)性能及加工工藝等，金屬材料常見的連接技術(shù)很難應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的連接。目前碳纖維復(fù)合材料的連接技術(shù)主要有機(jī)械連接、膠結(jié)、焊接和混合連接技術(shù)等[7]。

1.機(jī)械連接

碳纖維的機(jī)械連接通常指通過鉚接或螺栓將不同的碳纖維部件連接成一個(gè)整體。

采用機(jī)械連接時(shí)，需對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行打孔。采用機(jī)械連接具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）連接簡單可靠，方便檢查質(zhì)量。

2）可重復(fù)進(jìn)行拆卸和安裝。

3）可避免膠接固化后產(chǎn)能的殘余應(yīng)力。

4）對(duì)被連接的零件厚度要求沒有特別限制。

但也存在以下缺點(diǎn)：

1）預(yù)打孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔四周的應(yīng)力集中，降低連接性能。

2）由于緊固件的使用，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)零件的質(zhì)量增加。

3）緊固件和復(fù)合材料接觸可能會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

4）緊固件易疲勞，造成結(jié)構(gòu)失效。

5）預(yù)制孔時(shí)會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生不同程度的損傷。

2.膠接

膠接，即使用結(jié)構(gòu)膠將不同的零件連接成一個(gè)不可拆卸的整體。膠接目前廣泛應(yīng)用于CFRP和其他材料的連接，膠接需表面處理，且需要較長的固化時(shí)間。

然而膠接接頭的強(qiáng)度對(duì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)膠的性能比較敏感，在嚴(yán)酷的環(huán)境下，接頭強(qiáng)度會(huì)極具降低，尤其在潮濕條件下。

通常，由于CFRP和金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以粘接完成后，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力，接頭的強(qiáng)度也會(huì)受影響。

有研究表明，使用超聲波輔助涂膠技術(shù)，接頭的強(qiáng)度最高可提高52%，但接頭強(qiáng)度會(huì)受振動(dòng)時(shí)間和和位置的影響[7]。

由于表面的清潔度、粗糙度和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)等因素直接影響最終的粘接強(qiáng)度，故在粘接前對(duì)碳纖維表面需進(jìn)行預(yù)處理，以提高粘接的強(qiáng)度，常用的表面處理方式有三種：溶劑脫脂法、物理打磨法和化學(xué)處理法。溶劑脫脂法主要用于去除表面污染物和改善表面潤濕性。物理打磨法用于提高表面粗糙度、增大實(shí)際接觸面積和改善表面潤濕性。化學(xué)處理用于改善表面內(nèi)聚強(qiáng)度、改變表面活性和改變表面自由能。

3.焊接

焊接，即通過加熱，將不同的母材連接成一個(gè)整體的加工技術(shù)。對(duì)于碳纖維材料，由于只有熱塑性材料能熔化且二次成形，故碳纖維的焊接技術(shù)僅適用于熱塑性碳纖維復(fù)合材料。碳纖維的焊接即通過熱源，將碳纖維材料的界面融化，在零件中間形成焊縫，實(shí)現(xiàn)不同材料的焊接。

目前熱塑性碳纖維復(fù)核材料焊接技術(shù)主要有超聲波焊接、感應(yīng)焊接、電阻焊和激光焊等。

4.混合連接

混合連接是采用最少兩種連接方式將兩個(gè)或者多個(gè)部件連接到一起。通常是將機(jī)械連接和膠接同時(shí)使用，如螺栓聯(lián)接和膠接、鉚接和膠接。如能保證部件受力時(shí)，兩種連接技術(shù)的接頭同時(shí)受力，同步變形，可明顯起到組織或者延緩接頭的損傷，提高抗沖擊、抗疲勞和抗拉性能。但混合連接也會(huì)使得成本增加，結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加以及孔應(yīng)力集中等問題。

不同連接技術(shù)對(duì)比見表2，碳纖維復(fù)合材料的連接技術(shù)，要綜合各方面因素，根據(jù)實(shí)際情況確定。通常，需要承受大的集中載荷，對(duì)可靠性要求較高時(shí)，優(yōu)先考慮機(jī)械連接方式。對(duì)于承受均布載荷或承受剪切應(yīng)力時(shí)，優(yōu)先考慮膠接。而混合連接多用于要求多余度連接的部件，如中等厚度板的連接。

結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)且剛度高和抗沖擊能力好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。但也存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、可回收性差等缺點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)度，如果能將以上問題解決，相信碳纖維在汽車行業(yè)會(huì)得到批量應(yīng)用，也會(huì)助推連接技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Hovorun T. P.，Berladir K.V.，Pererva V.I.，et al.Modern materials for automotive industry[J]. Journal of engineering sciences，2017，4（2）：8-18.

[2] 彭孟娜，馬建偉.碳纖維及其在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].合成纖維工業(yè)，2018，41（01）：53-57.

[3] 趙艷榮，胡平，梁繼才，等.碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].合成樹脂及塑料，2015，32（5）：95-98.

[4] Ahmad H ， Markina A A ， Porotnikov M V ， et al. A review of carbon fiber materials in automotive industry[J]. IOP conference series： materials science and engineering，2020，971（3）：7-11.

[5] 冶存良，李紅娟. 汽車輕量化進(jìn)程中碳纖維復(fù)合材料（CFRP）技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 時(shí)代汽車，2018（11）：2.

[6] Howarth J，Mareddy S， Mativenga P T. Energy intensity and environmental analysis of mechanical recycling of carbon fibre composite[J]. Journal of cleaner production，2014，81（7）：46-50.

[7] Zhang D W，Qi Z，F(xiàn)an X，et al. Review on joining process of carbon fiber-reinforced polymer and metal：applications and outlook[J]. Rare metal materials and engineering，2019，48（1）：44-54.

[8] 王輝，郝旭飛，華林，等. 超聲振動(dòng)輔助碳纖維復(fù)合材料膠接研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016， 44（5）：6.