車用碳纖維複合材料性能及成型工藝

摘要：碳纖維複合材料（CFRP）具有高強度、高剛度、高斷裂韌性、耐腐蝕、高阻尼等特點，可大幅提高汽車服役壽命、燃油效率和安全舒適性，已被公認為汽車工業領域最理想的輕量化材料。但由於傳統複合材料成型工藝來源於品種多、批量小、高成本生產的航空工業，為了滿足車用CFRP 對高效率、低成本、規模化、自動化製造技術的迫切需求，國際主流車企結合車身部件設計靈活、厚薄不均、複雜程度地不同的具體特點，開發了眾多差異化的新型快速成型工藝，以實現最小碳纖維用量下最大程度地發揮複合材料功效的目的。本文通過與高強鋼、鋁合金、鎂合金等其他先進輕質材料的對比，介紹了碳纖維複合材料在使用性能上的多樣化特點及顯著優勢；並結合車用碳纖維複合材料部件典型應用案例，分析了當前最具發展潛力的差異化快速成型工藝。

隨著中國工業化、城鎮化腳步的不斷推進和人類節能環保意識的不斷增強，汽車工業發展與能源、環境之間的矛盾愈演愈烈，而人類對更加節能、環保和安全的新型汽車的需求越來越迫切。汽車輕量化技術是在保證零部件使用性能和行駛安全性的前提下，實現整車減重的手段，也是提高燃油效率、減少尾氣排放最直接的方式。

碳纖維增強樹脂基複合材料具有輕質高強、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設計性強、易成型、減振阻尼性能好等一系列優點，既能夠滿足部件剛強度、輕量化的設計要求，在車輛安全性上也具有明顯優勢。目前，CFRP已成為繼高強鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維複合材料後汽車工業領域最流行、最具發展潛力的輕量化新材料。

1 車用CFRP性能

從目前國內外輕量化材料的現狀和發展趨勢來看，儘管高強鋼仍是現階段應用最普遍、最成熟的汽車輕量化材料，暫時不會被取代，鋁合金、鎂合金、工程塑料及GFRP等的應用也呈現逐漸增長的趨勢，但CFRP在輕質高強高模、抗衝擊性、減震隔音性能、耐蝕性等方面所具有的顯著優勢是其他材料不可比擬的。

CFRP由碳纖維增強相與樹脂基體組成，具有輕質、高強、高模的特點。其密度為1.5~2g/cm3，約為高強鋼的1/4、鋁合金的2/3，與GFRP、鎂合金相當。根據奧迪公司的統計，在不改變部件外形、結構和功能的前提下，採用不同的輕量化材料，鋁合金、鎂合金部件分別比高強鋼部件減重40%和49%，准各向同性CFRP和單向織物CFRP的減重百分比則可達到52%和76%。可見，CFRP的減重效果顯著，如果結合優化結構設計方案，則可獲得更好的輕量化效果。CFRP的拉伸強度和拉伸模量受到纖維種類、用量、形態、鋪層方式以及樹脂等多方面因素的影響，表現不一而足。整體上講，拉伸強度、拉伸模量，特別是比強度和比模量都比金屬材料顯著提高，是CFRP的核心性能優勢。

科技導報指出CFRP的比強度、比模量比合金材料高出數倍，表現突出。特別是連續纖維CFRP，由於力學性能的各向異性特點突出，沿纖維方向強度最大，而垂直於纖維方向強度最小，屬薄弱環節。因此，需要根據承載特性對纖維取向進行特別設計。

CFRP的高強度、高剛度特點也決定了在造成相同程度的變形甚至斷裂破壞時，CFRP部件能夠比其他材料部件從外界吸收更多的能量。CFRP碰撞過程中的能量吸收率是鋼和鋁合金的4~5倍，即CFRP具有更高的斷裂韌性。賓士公司曾在SLR McLaren跑車最前端的吸能區採用CFRP尖塔式潰縮柱，其由無數根碳纖維束編織而成，不僅具有極高的強度，而且當承受正面撞擊時，CFRP潰縮柱能夠通過破碎成無數細小碎片的方式吸收大量撞擊能量，提高了車輛的安全性。同時，這種破壞形式類似於鋼化玻璃，能夠有效避免大尺寸CFRP部件可能對人體造成的致命性傷害，進一步提高了乘坐安全性。另外，CFRP部件在柱式撞擊和側面撞擊中，即使局部承受較重的點式力量也不會凹陷，同樣表現出了較高的碰撞安全性和結構可靠性。而同為複合材料的GFRP部件，由於模量較低、耐疲勞性能較差、吸能性不強等因素，安全性不夠理想。

1.3 減振降噪性能

汽車行駛過程中雜訊來源複雜，根據來源不同，最主要的4種雜訊分別是車身結構雜訊、輪胎雜訊（胎噪）、發動機雜訊（機噪）和氣動雜訊。因此，為提升乘坐舒適性，從汽車部件的角度來講，一方面要減少部件自身及部件間的振動，另一方面要實現對外部雜訊的有效隔離。材料的自振頻率與其比模量的平方根成正比，CFRP具有較高的比模量，因此材料本身的自振頻率也相對較高；而車身各部位的振動模態與部件結構、材料性能和連接摩擦等都有密切關係。

寶馬i3車身各部位的模態數均在40~90Hz，避開了動力總成的頻率段20~28Hz，有效減少了部件的振動，降低了車身結構雜訊。同時，CFRP中樹脂高分子鏈的粘彈性與纖維-樹脂界面間的相互作用也表現出了明顯的阻尼效應，使材料更有效地吸收振動能量，振動迅速衰減。對比相同尺寸、相同形狀的鋁合科技導報中金梁和碳纖維複合材料梁的振動測試結果，前者需要9s停止振動，而後者只需2.5s。優異的阻尼特性使各種雜訊被更好的隔絕在外，實現了對雜訊的有效屏蔽。當然，CFRP部件表現出的阻尼特性有著非常複雜的機理，車輛減振降噪也是一個浩大的系統工程，需要材料選擇、結構設計、車體密封等多方面的相互配合。

鋁合金表面在使用時能夠形成一層緻密的氧化物薄膜，使其相比於高強鋼和鎂合金具有更強的耐腐蝕性。因此許多情況下，暴露在大氣中的鋁合金不需要進行表面處理就可以使用，而高強鋼和鎂合金需要進行噴漆、電鍍等表面防護。但是鋁合金的耐電化學腐蝕能力較差，耐酸性不如鋼。可以說，傳統的輕量化合金材料的耐腐蝕性各有長短，都不是全能型材料。而CFRP具有優異的耐海水、耐鹽霧、耐機械摩擦等耐候性能，及耐酸鹼、耐有機溶劑、耐工業廢氣等耐化學介質性性能，能夠勝任酸雨、霧霾、鹽霧等惡劣氣候及大氣污染條件下的服役環境。CFRP較傳統的輕量化金屬材料具有更為優異的耐腐蝕性能，這也是選擇碳纖維複合材料製造車身覆蓋件的重要考慮。除此之外，也要考慮碳纖維複合材料中的高聚物可以在紫外線的作用下，吸收光量子，而引發氧對材料表面基體樹脂的破壞作用，即發生光氧老化；在可見光和紅外線的作用下，高聚物也可以吸收能量而放熱，促進氧化反應的進行，即發生熱養老化。因此，有必要通過改善樹脂基體耐候性、表面塗漆、粘貼保護膜等方式對CFRP進行保護。

傳統汽車工業採用鋼板、鋁合金板材製造零部件時，衝壓生產線每分鐘可衝壓零部件10~14個，8h產能可以達到6000個，製造高效快速。而傳統的CFRP成型工藝來源於多品種、小批量、高成本生產的航空航天軍工領域，其普遍採用熱壓罐等小規模生產技術，一個常規環氧類CFRP部件的完整固化周期通常大於4 h，實施周期長、生產效率低，無法滿足車用CFRP對高效率、低成本、規模化、自動化製造技術的迫切需求。因此，為實現最小碳纖維用量下最大程度發揮CFRP功效的目的，國際主流車企結合車身部件設計靈活、厚薄不均、複雜程度不同的具體特點，在原有常規複合材料成型工藝基礎上重點開發了眾多差異化的新型快速成型工藝。

目前，汽車工業領域最具應用潛力的CFRP成型工藝包括快速RTM 成型工藝、預浸料快速模壓成型工藝、片狀模塑料和長纖維增強熱塑性樹脂複合材料等。

2.1快速RTM成型工藝

RTM成型工藝是最主要的液體模塑成型技術，它成型周期短、製品纖維含量高、表面光潔度好、尺寸精度高。由於無需使用預浸料和熱壓罐，RTM工藝成本相對較低，在航空工業領域，被廣泛應用於生產大型結構件。但傳統RTM工藝從纖維鋪放、樹脂注入、浸漬、固化，到最終脫模，總時長在2h以上，難以滿足現代汽車工業對快速製造技術的需求。因此，快速RTM技術不僅是目前大型複雜結構CFRP部件一體化成型的首選，也是未來車用CFRP成型工藝的發展方向。高壓RTM是通過增大注射壓力提升注射速度的有效方法。

採用該工藝注射壓力能夠達到幾千兆帕，保證了較高的合模速度和壓制速度，大大縮短部件成型時間，提高了工藝效能。同時，增大壓力能夠促使樹脂快速充滿模腔，提高纖維樹脂浸潤度，減少樹脂注射次數，促進空氣排出，降低成品孔隙率，從而實現卓越的表面性能。如同時選擇注入低黏度樹脂體系或低黏度反應性混合物料體系，注射速度能夠進一步提高；通過高壓計量技術對反應物料進行精確計量，也能夠縮短注射時間。另外，由於CFRP製品結構和性能可設計性強，當HP-RTM應用於大型複雜結構部件的製造時優勢更加明顯，不僅可以在5min以內實現部件的一體化成型，而且能夠大幅減少零部件和緊固件數量，簡化連接和裝配，極大減少了生產過程的能源消耗，降低了生產成本。寶馬i3車身的CFRP 部件大量採用HP-RTM技術生產，寶馬的萊比錫工廠和蘭茨胡特工廠為每台3000 t液壓機配備2台HP-RTM注射單元，當自動化生產線將碳纖維預製件準確放入鋼模並閉模後，HP-RTM單元可以藉助高壓向模具中注入樹脂，並在5 min內完成環氧樹脂的固化[9]。HP-RTM技術的使用使寶馬i3的CFRP零部件數量比傳統的金屬零部件數量減少了2/3，僅約為150個[10]。

模壓成型是將衝壓後的CFRP半成品預先放入模具，然後加熱加壓使其成型固化的成型方式。其中，熱壓前的成型坯料是能否實現快速製造的關鍵。

近年來，預浸料因具有精確的纖維、樹脂配比而被越來越廣泛的應用。而PCM成型工藝作為一種理想的CFRP罐外熱壓工藝，不僅能夠大幅縮短成型周期、提高生產效率，具有製品尺寸精度高、表面光潔度好、生產成本相對較低、容易實現複雜結構件的一次成型等特點，同時，由於製品內纖維取向性好，因此製品的強度、剛度相對較高，已成為車用CFRP的重要成型工藝。日本三菱公司於2012年推出的快速固化PCM 成型工藝，採用60kP330和50kWCF這2種大絲束碳纖維的預浸料，希望得到與小絲束CFRP類似的良好加工性、優異力學性能及高產能。2014年，三菱麗陽公司將PCM工藝應用到了日產Nismo版本GT-R後備箱門的製造上，重量僅為鋁合金產品的1/2，而成型周期縮短到約10min，可用於CFRP汽車部件的量產。

寧波材料所開發的熱塑性CFRP預浸料快速熱壓成型工藝，實現了連續纖維紗/織物薄膜疊層熔融預浸工藝的連續化作業，用於奇瑞汽車某車型保險杠的量產，成型效率達到每小時8件，產品質量滿足安全碰撞標準。

2.3 其他成型工藝

RTM成型工藝對模具製造精度要求高、模具製作周期長且價格較高，而預浸料的材料加工、運輸成本較高，模具的成本也不低，因此這2種成型工藝前期投入較大。因此，其他的複合材料成型工藝，如片狀模塑料模壓成型工藝、長碳纖維增強熱塑性材料注塑成型工藝也得到了較為廣泛的應用。

SMC由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩面覆蓋聚乙烯薄膜而製成的片狀模壓料，屬於預浸氈料範圍。SMC成型效率高、產品的表面光潔度好、外形尺寸穩定性好，且成型周期短、成本低，適合大批量生產，適合生產截面變化不太大的薄壁製品，在GFRP汽車部件生產領域已得到廣泛應用。

目前，在車用CFRP成型工藝方面，SMC主要用於片狀短切纖維複合材料的生產，由於纖維的非連續性，製品強度不高，且強度具有面內各向同性特點。而碳纖維在樹脂糊中的潤濕性是SMC工藝面臨的重要課題，通過對碳纖維進行必要的表面處理，並採用適當的潤濕分散劑能夠有效提高碳纖維在樹脂糊中的潤濕性和均勻性。碳纖維SMC也在汽車工業領域獲得了不少應用。2003款道奇蝰蛇是首款批量運用連續碳纖和玻纖混雜增強乙烯基樹脂SMC部件的車型，CFRP主要用於車門和風擋結構的製造。

該車型的風擋強度較原有車型有較大提升。新型車門在重量下降的前提下強度有所提升，車門下垂量得到了很好的控制。2012年，日本旭有機材工業公司利用碳纖維的導電性，採用SMC工藝為電動車生產用於吸收無線電波的部件，該部件同時用於電磁屏蔽和結構材料。2013年，汽車零部件供應商麥格納與大絲束碳纖維製造上卓爾泰克將PANEX35碳纖維與Magna的EpicBlendSMC配方和技術相結合，共同開發了車用低成本碳纖維SMC技術及產品，大幅提高了生產效率。另外，國內車企，如上汽、北汽、奇瑞、一汽等也開展了SMC方面的大量研究，並將CFRP應用於尾門、新能源車電池箱蓋、發動機罩、後頂蓋、前機艙蓋等汽車外覆蓋件上。

2.5 LFT 注塑成型工藝

除了熱固性樹脂和碳纖維織物、連續纖維以外，熱塑性樹脂和非連續碳纖維在汽車領域也有不少應用。LFT成型工藝具有優異的成型加工性成型率高、成品率高，且設備相對簡單、工藝成本較低，製品內部由於纖維長度較長而形成骨架結構，使得製品具有較好的抗衝擊性和剛度，因此LFT製品可用於受力較大的車體部件。LFT已經在汽車車身上獲得了廣泛應用，也是具有很大應用潛力的成型工藝。碳纖維增強尼龍6的LFT複合材料與鋁合金、高強鋼相比，比模量相當、比強度高出50%~250%，在汽車次承力結構件的製造方面具有相當的競爭。

除了熱固性樹脂和碳纖維織物、連續纖維以外，熱塑性樹脂和非連續碳纖維在汽車領域也有不少應用。LFT成型工藝具有優異的成型加工性成型率高、成品率高，且設備相對簡單、工藝成本較低，製品內部由於纖維長度較長而形成骨架結構，使得製品具有較好的抗衝擊性和剛度，因此LFT製品可用於受力較大的車體部件。LFT已經在汽車車身上獲得了廣泛應用，也是具有很大應用潛力的成型工藝。碳纖維增強尼龍6的LFT複合材料與鋁合金、高強鋼相比，比模量相當、比強度高出50%~250%，在汽車次承力結構件的製造方面具有相當的競爭。

目前，CFRP已經被用於汽車發動機系統的連桿、搖臂油箱底殼，傳動系統的傳動軸、減速器，制動系統的剎車片，底盤系統的橫縱梁、支架、輪轂、板簧，車身系統的四門兩蓋、散熱器罩、保險杠、底板、門窗框架等部件。應用車型也已經從早期的F1賽車、超級跑車、高端車、概念車等定製車型，發展到目前以寶馬i3為代表的標準化量產車型。而根據寶馬公司公布的數字，一輛i3電動汽車的CFRP成本約為13800歐元，其中原材料成本佔CFRP總成本的11%，而成本的89%來自於成型工藝。毫無疑問，如何獲得快速、高效且低成本的自動化成型技術，已成為擺在眾多汽車製造商面前的難題。

如前所述，RTM與PCM 2種成型工藝的初期投入較大，而SMC和LFT是目前GFRP汽車部件常用的成型工藝，因此從硬體條件和現有基礎方面講，後兩者似乎更加便利。但幾種成型工藝的適用部件存在較大差別，RTM和PCM製品由於具有較好的纖維取向，剛強度等力學性能更好，更適合製造鋼製車身上的大型鈑金結構和框架結構件，如車身框架、外覆蓋件等；而SMC和LFT製件由於使用非連續纖維，在力學性能上表現稍弱，更適合生產複雜結構的小型異形件，但部件厚度可以較大。因此，在選擇成型工藝時，應當根據具體服役情況對各個部件性能要求的不同，結合部件自身的具體外形結構特點，加之成本、已有硬體基礎等方面因素綜合考慮，差異化地採用多種成型工藝進行生產顯得更加可行。

雷克薩斯LFA超級跑車的CFRP部件就主要採用了3種成型工藝製造：車身主體框架、側欄及前部艙壁等具有中空結構的骨架採用多軸向織物預浸料模壓成型，獲得較高的強度、剛度及尺寸精度；前部碰撞吸能盒、駕駛室底板、引擎蓋和A柱-平板狀支架等採用RTM工藝成型，並採用真空輔助RTM工藝生產車頂部件，實現大型、多個複雜結構的一體化成型；後部如速度控制尾翼等對強度要求不高的部件採用短切碳纖維增強SMC模壓工藝成型，能夠獲得更好的表面光潔度。當然，採用差異化成型工藝獲得差異化的部件性能並不是廠商的最終目的，而是要將成果落實到車體輕量化和低成本上。根據SAMPE China 2015和JEC 2015的報道，更加成熟的快速CFRP成型工藝、碳纖維自動鋪放、自動展絲技術、織物定型技術、自動化連續成型技術，以及夾芯結構的規模化應用，將進一步滿足複雜汽車部件的性能要求，使汽車部件的品質和生產成本得到改善。

隨著寶馬i3、i8車型的相繼量產，CFRP作為先進輕量化材料越來越受到人們的廣泛關注。國際主流車企開發並發展了適用於高性能碳纖維的HP-RTM、PCM、SMC、LFT等眾多差異化的新型快速成型工藝，並取得了良好的效果。當然，CFRP在汽車領域的應用，不僅僅是材料加工成型的簡單過程，而是涉及輕量化材料選擇、結構優化涉及、快速成型工藝、部件連接技術、碰撞安全性測試，甚至碳纖維回收再利用技術的「一條龍」系統工程，因此，CFRP輕量化應用的實現需要各環節相關技術齊頭並進，共同發展。

來源：科技導報