碳纖維復合材料在汽車結構件中的應用研究進展

摘 要 碳纖維增強復合材料（CFRP）有輕質、高比強度、高比模量等優異的力學性能，在汽車輕量化領域擁有巨大的應用潛力。本文從復合材料輪轂、板簧、傳動軸等汽車結構件的研究進展、工藝制備等方面，闡述了CFRP在汽車輕量化領域中的應用，展望了CFRP在汽車工業中的應用前景和發展瓶頸。

關鍵詞 汽車輕量化；CFRP；板簧；輪轂；傳動軸；前后地板

Application Research Progress of CFRP in Automobile Structure Parts

YU Jinghui

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.，Harbin 150028）

ABSTRACT Carbon fiber reinforced plastic（CFRP）has great application potential in the field of automobile lightweight due to its excellent mechanical properties such as density，specific strength and specific modulus. The application of CFRP in the field of automobile lightweight was described from the aspects of automobile structure parts such as spring， wheel hub， transmission shafts etc，and process manufacturing etc. The application prospect of CFRP and development bottleneck in automobile industry was forecasted.

KEYWORDS automobile lightweight；CFRP；spring；wheel hubs；transmission shafts；front and rear floor

1 引言

隨著全球能源匱乏和環保問題的凸現，汽車作為世界上應用最廣的運輸工具，其輕量化問題受到了越來越多的重視。汽車輕量化可使燃油車減少荷重，提高能源有效利用率。數據表明，燃油汽車重量減小10%，油耗可降低6%-8%，排放可降低5 %-6%，同樣對電動汽車飽受爭議的續航里程也有一定的積極作用[1]。

樹脂基復合材料由于具有高比強度、比剛度以及可設計性、輕量化的特點，在軌道交通、航空航天等領域應用越來越廣泛。碳纖維復合材料（CFRP）密度約為1.6 g/cm3，約是鋼的1/4，具有優異的機械性能，環境耐候性，尺寸穩定性，可設計性，高吸能效率。與輕質鋁鎂合金材料相比，碳纖維復合材料制備的汽車結構件不需鍛壓和焊接，采用模壓和粘結工藝，節約了模具、夾具、生產線等投資，降低了綜合生產成本。根據英國材料系統實驗室的一項研究結論，當汽車產量低于2萬輛時，采用RTM工藝生產的CFRP車身的總體成本低于金屬車身，這說明CFRP不僅具有先進生產工藝的技術優勢，同時兼有小批量生產成本低的經濟優勢[2]。另外，CFRP制成的車身部件在輕量化效果方面比鋁合金部件可減重30%以上，比同類鋼制零件減重60 %以上。因此，開發CFRP汽車部件具有很強的競爭優勢。

2 汽車用復合材料結構件

碳纖維開發應用時間早，生產技術日漸成熟，目前不再局限于軍工、航空航天等領域，已發展至日常生活領域。我國碳纖維復合材料在汽車領域的應用研究相較于發達國家起步較晚，處于應用推廣階段。近年來，伴隨著碳纖維生產技術的不斷提高，生產規模的不斷擴大，自主品牌汽車的強勢崛起，為我國車用碳纖維復合材料的發展夯實了基礎[3]。

2014年，奇瑞汽車與國內科研院所聯合研發了一款插電式混合動力汽車艾瑞澤7，這是國內首款采用碳纖維復合材料打造車身的量產車型，車身重量為218 kg，比金屬車身輕48%。2015年，江蘇奧新研發的新能源汽車E25A級車在鹽城生產下線，車身客艙采用全碳纖維制造，較老款車型實現 50%減重。另外，通過優化集成零件模塊的方式，將汽車零部件的數量減少到現有汽車零部件的40%。2016年以來，北汽集團先后成功研發碳纖維復合材料發動機罩、車身功能件等，并將碳纖維復合材料發動機罩應用在新款SUV上，實現相應部件減重50%。在“十三五”開局之年，長安汽車響應國家號召，依托“新能源汽車”重大科技專項“輕量化純電動汽車集成開發技術”項目，于2020年4月成功試制下線首款具有自主知識產權的碳纖維/鋁合金混合結構車身，為碳纖維在純電動轎車上的規模化應用提供強有力的支撐。

碳纖維復合材料在汽車輕量化設計中有很大的應用潛力，目前已應用在汽車結構件中[4-5]，包括板簧、輪轂、傳動軸、前地板后板體、保險杠等部件。

2.1 碳纖維復合材料輪轂

碳纖維復合材料輪轂相比鋁合金、鎂合金輪轂質量更輕，具有振動阻尼特性、降低噪聲、抗疲勞性能、損傷后易修理、便于整體成型等特點[6]。由于碳纖維復合材料價格昂貴，一般用于賽車。碳纖維復合材料可在保證安全的前提下減輕輪轂重量。汽車輪轂是汽車啟動的關鍵部分，轉動慣量與輪轂質量M和輪轂垂直半徑R關聯如公式（1）所示[7]。

I=∑M·R2（1）

當轉動慣量I不變時，輪轂質量M降低，可加大輪轂的垂直半徑尺寸。輪轂尺寸擴大，為輪轂安放剎車和汽車防爆裝置提供了空間，同時為輪轂、輪輻的造型設計創造了更大的可能性。也可以進一步優化輪轂、輪輻的結構，提升了輪轂造型的美觀度，更易于實現高檔豪華汽車輪轂的私人個性化定制。碳纖維輪轂采用表面噴涂的處理技術，使整體輪轂具有酷炫、絕佳的視覺效果，同時能滿足復雜多變的造型。碳纖維輪轂在不同車輛中的構型如圖1所示。

輪轂成型可以采用預浸料鋪放金屬對模工藝、熱壓釜加壓工藝成型。成型時在模具組件內，將活動的圓臺形模具塊放置到下模具中定位，在模具下模腔內鋪放預浸料或預成型坯，直至鋪滿；將中間圓臺形模具塊抽出，通過上模具對模加壓或熱壓釜加壓，保證輪轂截面尺寸。

碳纖維輪轂能保證車輛行駛中最大限度地降低車輪的徑向慣性力，具有結構尺寸穩定性好、設計性強、整體成型等特點，但由于其制造成本高等原因，主要運用于價格昂貴的賽車、跑車上，批量生產具有挑戰性，還在逐步完善工藝和設計[8-9]。

2.2 復合材料板簧

板簧是汽車懸架系統中主要總成之一，是汽車車架系統中關鍵的承力構件。復合材料板簧已經在通用、福特、沃爾沃、戴姆勒-克萊斯勒、依維柯、康沃斯、彼得比爾特、國際卡車公司等全球主機廠商的產品上得到大量應用。國內在過去的20年中，部分院校、研究院所對復合材料板簧進行了探索性的研究[10]。復合材料板簧中的纖維材料主要為E-玻纖、S-玻纖、玄武巖纖維或碳纖維。圖2為等截面、變截面復合材料板簧。

隨著復合材料成型工藝的不斷發展和完善，復合材料板簧的工藝制備也經歷了手糊、模壓成型、纏繞成型、拉擠成型、高壓RTM[11]等不同階段。

（1）手糊工藝

早期的復合材料板簧是由手糊工藝制備的，該工藝相對簡單，且對設備要求最低，但制品質量穩定性差，生產效率低，不能夠適應工業化的大規模生產；

（2）模壓工藝

將纖維/樹脂制備成預浸料或預浸布，并在金屬模具中鋪放，通過緊固件或壓機對制品加壓，產品表面光滑，產品質量穩定，制品尺寸精確；但模壓工藝機械程度化低，投入較高。使用模壓成型工藝參數如熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力等可通過DSC法、DMA法等測試確定。國內的哈玻院、長客、中車等都對復合材料板簧開展了金屬對模工藝的研究。

（3）纏繞工藝

對于橫置板簧等變截面的板簧結構形式，可以采用纏繞工藝實現，該工藝生產效率較高且工藝過程便于控制，制品中的增強纖維含量最高可達80%，由于纖維是連續的，因此纖維纏繞成型制品的強度疲勞性能較好；但纏繞成型制品存在層間結合力較弱，橫向強度低，樹脂流失過多的現象，該工藝對制造設備的性能也有較高要求，因此不適宜批量生產。

（4）拉擠工藝

20世紀70年代，通用公司利用拉擠成型工藝制備出了復合材料板簧，但是由于該工藝無法生產變截面復合材料板簧且存在制品橫向力學性能較差、設備資金投入過大等問題，導致研究人員對該工藝制備復合材料板簧的探索和改進越來越少。目前針對復合材料板簧等小曲率制品，開發了曲線拉擠設備和方法，生產效率高，表面質量好，適合于工業批量生產。

（5）高壓樹脂傳遞模塑成型工藝

該工藝按照復合材料板簧的尺寸裁剪大小，鋪放在模具內并抽真空得到預成型坯，然后將低黏度的樹脂和固化劑液體混合，在利用高壓注入閉合的模腔內浸漬纖維，通過相應的溫度和壓力固化成型。該種工藝孔隙率低（0%-0.5%），加工周期短，但對樹脂的流動性、黏度等性能要求較高。德國的本特勒-西格里汽車公司采用RTM工藝開發了一款玻璃纖維/聚氨酯復合材料板簧。

近年來，國內外學者對RTM工藝用樹脂開展了流變特性、黏度、樹脂改性的性能研究和工藝過程進行監測[12]。戴福洪[13]等通過PAM-RTM軟件模擬了樹脂注射過程樹脂流動有限元峰值場和壓力場。Danisman[14]等對RTM樹脂充模過程采用多點電壓傳感器、熱電偶傳感器、面積傳感器等進行檢測。隨著對RTM用樹脂體系的深入研究和改性，高壓RTM工藝用于復合材料板簧成型日趨成熟。北汽海華汽車部件有限公司在山東博山建立了年產20萬條板簧的高壓RTM工藝生產線。

2.3 碳纖維傳動軸

傳動軸是傳遞發動機動力的關鍵零部件，為保證設計性能和輕量化目標，選擇比剛度高的碳纖維可以減輕重量、減小振動、降低傳動系統的制造成本、減少燃料耗損。傳動軸的性能設計包括軸體彎曲剛度、扭轉剛度、模態分析、臨界轉速等。復合材料傳動扭矩的最大剪應力如公式（2）所示。

式中， Tmax為最大扭矩，[τ]為許用剪應力，Wn抗扭截面模量。復合材料傳動軸按照薄壁管設計[15]，如公式（3）所示。

式中，e為鋪層厚度，r為外表半徑，[τ]為首層失效剪切強度，Fs為安全系數。

通過強度計算發現，復合材料層合結構首層失效強度的大小與45°鋪層所占的比例密切，45°鋪層所占的比例越高，首層失效強度越低，固有頻率降低，但抗扭剛度越高，同時層間剪應力越低，90°鋪層放在最內和最外層，有利于降低材料強度失效，可以提高抗扭承載能力。

目前軸類零件比較典型的成型工藝是濕法纏繞工藝，在張力控制下直接將纖維集束浸膠纏繞到芯模上。該方法為成本低、產品致密，纖維排列平行度好、纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；缺點為樹脂浪費大、操作環境差、含膠量及成品質量不易控制、可供濕法纏繞的樹脂品種較少。另有報道，國內某公司[16]采用拉繞工藝生產薄壁管，生產效率高且可持續生產，產品質量均勻，針對復合材料傳動軸基本以0°、90°、45°為主鋪層的特點，實現了快速穩定生產。

2.4 復合材料地板

復合材料地板作為車廂底板重要承力結構件，對其進行輕量化設計具有重要的工程價值。國內某汽車公司采用碳纖維復合材料對汽車地板進行設計，滿足強度和剛度性能要求，減重效果明顯[17]，驗證了復合材料在汽車前地板上設計應用的可行性。目前車輛前后地板多采用鋁合金，前后地板與車門兩側的支撐件及座椅下的支承板間采用焊接方式連接，與骨架和橫梁在搭邊和翻邊處采用膠鉚連接，裝配關系，中間凸起部分為手剎區，用來裝配手剎裝置，為保證手剎區剛度，兩邊焊接了兩根鋼制加強筋條，如圖3所示。

將碳纖維應用于前后地板，要保證手剎區和腳踩區的剛度。按照等剛度設計原則，采用比鋁合金模量高的連續碳纖維進行主剛度區域的成型和承載。鑒于在成型過程中纖維可能發生屈曲而導致性能削弱，先采用Fibersim軟件進行鋪覆性設計，在邊、角、圓等處補強設計，主要承載區域采用連續碳纖維成型，補強區域采用短切玻纖復合材料增強，復合材料前后地板整體結構設計如圖4所示。

碳纖維復合材料前后地板鋪層次序優化基于序列排列搜索算法[17]，以每一個子鋪層的鋪層次序作為優化變量、地板柔度最小為優化目標。此階段優化中考慮減少層間應力以及鋪層便利性，增加額外制造約束包括相同角度層相鄰鋪覆不超過2層、±45°鋪層作為最外鋪層。地板經過結構、鋪覆性設計、鋪層順序優化后，相比于原來的金屬前后地板質量減輕了49.98%，一階模態頻率值均高出原始模態頻率30%以上，更好地規避了外界激勵引發的共振頻率。通過對 碳纖維復合材料前后地板的優化設計，彎曲和扭轉剛度也得到顯著提升，使得車身整體彎扭剛度更高，被動安全性能提高。

另外，德國BMW駕駛員底座支架也采用了碳纖維復合材料，提高剛度的同時減重62%；德國大眾汽車公司采用長玻纖增強聚丙烯復合材料后，汽車進氣管的質量降低了15%，同時提供了良好的阻尼性；戴姆勒福萊納車型的擋泥板和保險杠采用了30%長纖維增強PP材料，輕量化的同時增強了力學性能；日本豐田公司在渦輪增壓器壓氣機葉輪的制造中使用碳纖維復合材料替代鋁合金，這不僅使葉輪重量降低48%，而且使得轉子的轉動慣量減小，提高了轉子加速性能。

3 應用瓶頸

碳纖維復合材料在汽車領域的應用主要集中在賽車、超級跑車等高端車型，經濟型轎車的應用相對較少。隨著碳纖維元素的加入，汽車充滿了科技感，但加工制造成本高、生產工藝復雜、回收再利用困難等限制了碳纖維在汽車輕量化領域的大規模應用。

3.1 成本高

碳纖維汽車結構件較鋼、鋁合金制品成本高出幾倍甚至十幾倍，雖然在減重方面有著獨特的優勢，但是在研究初期的復合材料制品成本讓普通車型望而卻步。

3.2 連接困難

相比金屬結構焊接，復合材料連接一直是業內的難題之一。復合材料結構件多選用膠結+螺接的形式，如轉動軸等少數結構件可以預埋金屬端頭共成型，其它均是在損傷結構件本體的前提下進行部件連接，容易在連接部位造成應力集中、疲勞裂紋擴展等缺陷。

3.3 生產效率

復合材料制品的工藝摸索一直沒有停止，包括手糊、模壓、纏繞、拉繞、真空輔助、VRTM等工藝探索，生產效率和制品質量逐步提升，但是和發展成熟的金屬制品鍛、沖、焊等相比，復合材料制品生產效率一直不能同步于同類金屬制品。

3.4 結構設計

現有汽車復合材料結構件的應用基本是在原汽車部件上直接等代替換，設計時并未考慮連接問題，需要各汽車主機廠和復合材料業內人員共同設計、共同研究開發，充分發揮CFRP的優勢，避免汽車行業不涉及復合材料設計、復合材料設計人員不關注汽車結構的尷尬現象。

3.5 回收再生

復合材料結構件大都是熱固性材料，無法回收再利用，只能用焚燒、填埋的方法，且對環境造成污染。而熱分解工藝是目前國內僅有的一種可用于工業生產的碳纖維復合材料。在熱解回收工藝中，將碳纖維置于缺氧條件處加熱至450 ℃-700 ℃，使聚合物基體分解成低質量分子，而碳纖維則保持不動，從而達到再生利用的目的，但同時會極大的增加復合材料使用的成本。這需要增加對熱塑性結構件、可分解性樹脂等研究的力度，讓CFRP成為綠色產業。

4 結語

為了實現節能減排目標，在汽車上應用碳纖維復合材料已是業內共識。由于碳纖維復合材料的優異性能，被應用于汽車輪轂、發動機部件、傳動軸、地板等結構件部件，實現整車減重30 %以上，但加工制造成本高、生產工藝復雜、回收再利用困難等限制了碳纖維在汽車輕量化領域的大規模應用。隨著碳纖維價格的不斷下降和應用技術的不斷成熟，碳纖維復合材料將逐步取代輕合金材料，成為車用材料的中流砥柱。

參 考 文 獻

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通訊作者：于敬暉，女，本科，工程師。研究方向為復合材料成型工藝。E-mail：hrbfrp@126.com