【技術帖】車用碳纖維複合材料（1）——詳解碳纖維複合材料分類與成型工藝

06-07

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車用碳纖維複合材料二----詳解碳纖維複合材料

碳纖維複合材料及其優異性能1什麼是碳纖維複合材料？

碳纖維增強複合材料是指以碳纖維、織物、纖維氈等為增強體，樹脂、金屬、陶瓷等為基體的複合材料的總稱。常見的有樹脂基碳纖維複合材料（CFRP）、陶瓷基碳纖維複合材料（CMC）和金屬基碳纖維複合材料（MMC），車用碳纖維複合材料主要以樹脂基複合材料為主。

2碳纖維複合材料的優異性能

（1）力學性能：

碳纖維複合材料拉伸強度高，模量大，密度小，具有較高的比強度和比模量。與傳統金屬材料相比，碳纖維複合材料在高強度和高模量的基礎上質量也較輕，有明顯的密度優勢。相同構件使用碳纖維複合材料與鋁合金材料相比，可減重50%；與鋼材相比，減重可達70%。下表為碳纖維複合材料與常見金屬材料力學性能對比：

（2）熱力學性能：

碳纖維複合材料的耐高低溫性能好。在隔絕空氣（惰性氣體保護下），2000℃仍有強度，液氮下也不脆斷。同時，其熱膨脹係數小，比熱容高，能儲存大量的熱能，抗熱衝擊和熱摩擦的性能優異。

（3）耐腐蝕性：

碳纖維複合材料具有較高的耐腐蝕性，除了能被強氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸鹼對它的作用很小。相較於鋼材和合金材料，碳纖維複合材料作為汽車材料的安全性和耐久性更好。以下是碳纖維複合材料與常見金屬材料的韌性、耐高溫性和耐腐蝕性能比較：

常見基體和增強體材料

在複合材料中，碳纖維增強體是承載外力的主體；樹脂基體則通過界面層，以剪切應力的形式向碳纖維體傳遞應力載荷。同時，樹脂基體還起到保護碳纖維增強體，免受外界損傷的作用。

1樹脂基體：

複合材料的樹脂基體在選擇時要考慮其強度、剛度、耐疲勞性、使用溫度、耐濕熱老化性等方面。常用樹脂基體分為以下兩大類：

熱固性樹脂：如，環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺樹脂等。熱固性樹脂在加工成型後，聚合物分子內形成不溶不熔的三維網狀結構。熱固性樹脂基材料強度高，是目前碳纖維複合材料使用較多的一類樹脂。但其高溫不熔，加工難度大，不易回收利用。

熱塑性樹脂：如，乙烯基樹脂、尼龍、聚四氟乙烯樹脂等。熱塑性樹脂可在一定的溫度下熔融，降溫後塑化成型。具有較好的韌性和可加工性，同時材料可以回收利用，使用成本低。熱塑性碳纖維複合材料備受汽車材料界的喜愛，新型高性能熱塑性樹脂正逐步替代傳統熱固性樹脂，成為車用碳纖維複合材料的基體。

2增強體：

增強體材料是碳纖維複合材料的另一個重要組成部分。不同形式的增強體製成的複合材料各項性能也有所不同。在選擇增強體材料時應考慮複合材料的力學性能要求、樹脂基體和增強體的界面相容性、生產工藝要求等因素。理論上，碳纖維複合材料的增強體形式有三種：碳纖維、碳纖維織物和碳纖維氈，在汽車材料領域的應用中多以纖維增強體形式存在。纖維增強體又可分為短切碳纖維、連續碳纖維和混雜纖維三類。

短切碳纖維：一般指20mm以下的碳纖維增強體。短切碳纖維作為增強材料時與樹脂基體的浸潤較好，結合牢固，複合材料的撕裂強度較高。但短切碳纖維在鋪設過程的均勻度難控制，易導致複合材料力學性能的各向異性較大。

連續碳纖維：一般指40mm以上的碳纖維長絲增強體。連續碳纖維作為增強材料可有效提高複合材料的拉伸斷裂強度和韌性，但其加工過程要比短切碳纖維困難。

混雜纖維：混雜纖維增強複合材料是指在同一基體中有兩種或者兩種以上的纖維增強體。通過改變各纖維的組分、含量和結構可得到不同性能的複合材料。

成型方法

隨著碳纖維複合材料的廣泛使用，其加工方法也在不斷地推陳出新。從傳統勞動密集型的手糊成型到現在機械化程度較高的噴射成型、注射成型等，碳纖復材的成型方法在向著高質量、高效率、低成本的方向發展。

常見成型方法及特點：

手糊成型：手工糊制，工藝簡便、投資低廉、適用面廣。但產品質地疏鬆、密度低、強度不高，而且主要依賴於人工，質量不穩定，生產效率很低。

纏繞成型：纖維能保持連續完整，一般適用於連續碳纖維增強體。機械化生產，生產周期短，勞動強度小。產品不需機械加工，但設備複雜，技術難度高，工藝質量不易控制。

注射成型：分為反應注射成型（RIM）和增強反應注射成型（RRIM）。具有生產效率高、能耗低的特點，可用作短切碳纖維或片狀增強體材料的複合材料。

注塑成型：一種注射兼模塑的成型方法。生產速度快、效率高，操作可實現自動化，花色品種多，形狀可以由簡到繁，尺寸可以由大到小，而且製品尺寸精確，產品易更新換代，能成形狀複雜的製件，注塑成型適用於大量生產與形狀複雜產品等成型加工領域。

樹脂傳遞模塑成型（RTM）：生產周期短、無污染、勞動成本低，產品尺寸可精確控制，可用來製造工藝較為複雜的大型高品質產品。

碳纖復材應用難題及創新技術嘗試1碳纖復材應用難題：

1.成本高：

從碳纖維的生產到其複合材料的製備都伴隨著高成本的投入。相較於鋼材、鋁材等金屬材料，碳纖維複合材料的成本要高出20%。

2.生產周期長、生產效率低、無法量產：

傳統的金屬材料只需幾十秒便可成型，而碳纖維複合材料的樹脂成型需要數個小時時間。較長的生產周期導致生產效率低下，無法實現量產。

3.產品設計開發難度大、缺少成熟資料庫：

碳纖維複合材料的生產技術還不夠成熟，從樹脂基體、增強體的選擇，到連接點的選擇、連接部位力學分布以及複合工藝都缺少成熟的數據支撐，新產品的開發難度較大。

4.連接和回收技術難題：

碳纖復材表面打孔會造成其強度損失，故而連接使用時不適合傳統的鉚接和螺接。目前常用的方式是使用膠黏劑進行粘黏，但這種方法耐久性不好，易老化。

2創新技術的應用：

1.高壓樹脂傳遞模塑成型技術（HP-RTM），縮短生產周期

採用高壓技術，實現樹脂基體的高壓注射、高壓浸漬和高壓固化。即，高壓狀態下使樹脂基體快速填充模腔，加速樹脂與增強體之間的浸潤，同時加速樹脂反應系統，縮短固化周期。寶馬與西格里合作開發了固化時間為2min及5min的環氧樹脂，採用HP-RTM技術，實現了「一分鐘循環周期」。

2.使用熱塑性基體預浸料，縮短生產周期，基體可熱熔重複利用，降低成本

由於熱固性樹脂材料的熱穩定性好，目前碳纖維複合材料的樹脂基體多採用熱固性樹脂，熱塑性樹脂使用較少。但熱塑性樹脂的成型工藝時間短，具有可再加工性和可回收再利用的特點，可縮短複合材料的生產周期，降低生產成本。目前通用汽車公司與帝人公司在聯合開發聚丙烯和聚醯胺兩種樹脂與碳纖維的複合成型技術。

3.碳纖/玻纖混雜加工成型技術

針對碳纖維複合材料的抗衝擊性和斷裂韌性差的缺點，將碳纖維和玻璃纖維混雜使用，共同作為增強材料，達到性能互補的作用。戴姆勒公司和克萊斯勒公司採用重疊加料，混合使用碳纖維和玻璃纖維，縮減了零件數量，減輕重量，提高剛度達到22%。

4.新型增強體結構——三維立體織物

三維立體織物具有優異的三維空間，在與樹脂複合時可達到良好的浸潤效果。這種優異的結構也從根本上解決了傳統複合材料複合層間剪切強度低，易分層的問題。

來源：汽車材料網