碳纖維複合材料車身技術五大應用難點

隨著整車輕量化科技的進步，複合材料以及輕質鋁材將會越來越多的出現在汽車的車身成型技術中。同等質量下強度更高、重量更輕的碳纖維複合材料從眼下來看無疑是一個非常靠譜的選擇。

正如之前的文章里講到的那樣，碳纖維單體殼車身技術擁有輕量化、高扭轉剛度、高整合度以及高安全性等四大優勢，是一種非常理想的車身結構材料形式。可為何其擁有如此多的技術優勢卻遲遲沒有在汽車市場中實現普及呢？原因就在於該技術所存在的短板同樣不少。

第一大短板是成本。對於整車製造企業而言，傳統汽車的車身成型工藝包括鋼板裁切、衝壓、焊接三個過程，而在這三個過程當中，除了焊接以外，作為原材料的鋼板或者鋁板在整個過程中所承受的均是物理變形，且由於在整個過程中並未加入其它原料，所以傳統車身成型工藝的產出和輸入並沒有帶來材料物理特性的改變。換句話說，焊接完成之後的車身鋼板還是鋼板，並沒有因為變成車身了就成為了另一種物質，可換做碳纖維單體殼車身則完全不一樣。

碳纖維複合材料的基材可分為碳纖維預浸布和碳纖維干布兩種，二者的區別就在於前者已經完成了樹脂浸入的預處理，在成型過程中不需要樹脂的加入，而後者則需要在成型工藝時加入樹脂。出於成型精度的考慮，碳纖維單體殼車身都採用了碳纖維預浸布作為基材。

整個碳纖維單體殼車身的製作工藝包含碳纖維絲織布、預浸布、裁剪預浸布、鋪層、固化等幾個步驟。這一系列的步驟中涉及到既有原材料的物理變化又有材料內部的分子結構變化，也就是說碳纖維單體殼車身成型工藝的產出和輸入在原材料特性上已經不再是同一物品，而這直接導致了碳纖維單體殼車身的原材料成本會比金屬材料還要貴，特別是預浸布的成本。

以HRT車隊為例，其所使用的碳纖維樹脂預浸布售價超過400元每平方米，且由於預先浸入了樹脂，所以預浸布對於保存環境有著極高的要求，需要低溫保存，否則將會因為樹脂將會變質，因此購買後的儲存成本亦十分高昂。

另外是模具成本。碳纖維單體殼的成型技術與大部分的複合材料成型技術類似，採用的是熱塑成型，具體點說採用的是真空熱壓成型。就模具本身而言，熱塑成型的模具複雜度就要遠遠高於冷壓模具，自然成本也是居高不下。

第二大短板是碳纖維單體殼車身結構設計複雜。一般來說，框架式的車身在設計時，只需要對車身整體進行結構設計，因為金屬材料有著各項同性的材料特性。顧名思義，各項同性的意思就是指物體內部的物理、化學等性質不會因為方向的不同而有所變化，即某一物體在不同的方向所測出的性能數值完全相同。就比如說同一塊鋼板，性能放在哪都是一樣的。那麼在設計過程中，金屬材料只需要考慮一個方向就可以。以常用的楊氏模量、泊松比、剪切模量等參數來看，只需要運用一次就可以完成計算。但是碳纖維複合材料就不是這麼個情況，碳纖維複合材料的特性是各項異性。

在不同的方向上碳纖維複合材料會呈現出不同的材料性能，如果更細緻一點來看的話，碳纖維複合材料的特性叫正交各項異性，也就是順著碳纖維的方向上強度更大，而其他方向則很弱。如果把碳纖維複合材料放到三維空間來看的話，那麼每一個代表物體剛度的參數就需要計算三個方向，相當於設計工作量提升了三倍。

與此同時，由於碳纖維複合材料的結構形式更加複雜，所以破壞失效形式也就更加多樣化。根據HRT車隊的內部設計資料顯示，碳纖維複合材料的破壞一般包括以下幾種形式：

1.對衝擊的敏感，特別是對低速衝擊非常敏感。

2.損傷擴展不明顯，幾乎沒有材料的屈服階段。簡單點說就是破壞不留預警時間。

3.靜強度和疲勞強度的分散性均高於金屬，也就是說材料性能的批次均衡性較差。

這些特點也就導致了碳纖維單體殼車身在設計過程中需要考慮的變數要遠遠高於傳統的車身。

第三大短板是成型要求高，這一點會在以後的文章中詳細闡述。

第四大短板是變形幾乎無法修復。這也是碳纖維單體殼車身無法大規模鋪開的重要因素。

由於碳纖維複合材料並不具備金屬材料的延展性，所以一旦出現了由外力導致的形變，也就意味著碳纖維單體殼車身內部的碳纖維已經出現了斷裂或者是層間樹脂脫層。而斷裂的碳纖維以及脫層的樹脂是無論如何也不可能接起來的，那麼碳纖維單體殼車身只能報廢。相比之下，到是裂紋還比較好辦，重新補上幾層碳纖維還能對付。

第五大短板是碳纖維材料的壽命短。當然了，碳纖維本身是沒有問題的，問題是出在作為複合材料基體樹脂上。樹脂如果通俗點說就是塑料，耐久性要弱於金屬。光老化、高低溫、酸鹼性都會加速其老化過程，繼而產生髮黃、龜裂、發脆等等問題。這個道理和咱們總會遇到的普通塑料零件的老化是一樣的。

與此同時，碳纖維材料還無法降解只可回收，此種原因主要與其元素構成有關。碳纖維是含碳量在95%以上的高強度和高模量纖維材料，舉個不恰當的例子，其成分與石墨有點像，而石墨的穩定性中學化學就學過，所以碳纖維複合材料也只能回收利用而不能通過自然界降解。

來源：車雲網