竺鋁濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司，腈綸部 200540)

近代復合材料的發(fā)展是從1932年玻璃纖維增強塑料問世開始的。20世紀60年代末，高性能碳纖維作為增強材料實現(xiàn)了初步商業(yè)化，以連續(xù)碳纖維增強的高性能樹脂基復合材料因此應運而生［1］。碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成，早期的碳纖維復合材料主要用于軍事領域。隨著材料性能、成型工藝的提高及價格成本的下降，碳纖維復合材料被越來越多的應用到一般工業(yè)和體育休閑等領域。

在全球節(jié)能和環(huán)保趨勢的推動下，汽車的油耗問題越來越引起重視，輕量化設計成為汽車節(jié)能減排的有效途徑，而碳纖維復合材料的材料性能及發(fā)展趨勢正順應了汽車工業(yè)的發(fā)展需求。碳纖維復合材料比鋼鐵輕50%，比鋁材輕30%，減重效果明顯［2］，因此不少汽車廠家在汽車制造和改裝過程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應用碳纖維復合材料［3］。隨著新能源汽車的發(fā)展，碳纖維復合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應用。

1 碳纖維復合材料在汽車行業(yè)的應用

汽車的生產制造和性能的不斷提高與所用材料密切相關。復合材料應用于汽車行業(yè)，從開始的一般零部件到結構件、功能件，應用越來越廣泛。在歐美國家，車輛中復合材料的用量約占本國復合材料總產量的三分之一，并呈增長態(tài)勢。

復合材料在汽車中的應用主要包括以下幾類:結構件、車身及車身部件、發(fā)動機蓋下部件、車內裝飾部件及其他(見表1)［4］。

表1 復合材料在汽車中的應用形式

與其他材料相比，碳纖維具有比強度和比模量高、制件力學性能優(yōu)異等特點。碳纖維復合材料的密度一般不超過2 g/cm3，而鋼的密度為7.8 g/cm3，用碳纖維復合材料制作汽車零部件能有效減輕汽車整體質量，提高燃油經(jīng)濟性。據(jù)估計，汽車在整體結構上每減重10%，即可減少燃油消耗約7%。

碳纖維復合材料不但是制造汽車車身和底盤等主要結構的最輕材料，也是制作高強度承力結構的理想材料，碳纖維復合材料用于車身和底盤能使整車減重40%～60%。與玻璃纖維復合材料相比，碳纖維增強復合材料具有更高的強度和模量，而質量要小25%左右。

碳纖維復合材料還具有可設計性強、制件安全性好及可實現(xiàn)零部件一體化等一系列優(yōu)良性能。用碳纖維復合材料制造的汽車傳動軸，除具有高阻尼特性和減少震動、降低噪聲而使乘坐舒適外，還具有吸收沖擊能和提高安全性的優(yōu)點。此外，由于碳纖維復合材料的低密度和高比模量綜合效應，發(fā)動機轉速可達到10 000 r/min。同樣原理，用碳纖維復合材料制造的發(fā)動機部件和傳動系統(tǒng)部件具有減震吸能和降低噪聲的功能，用其制成的保險杠等防撞系統(tǒng)則具有吸收沖擊能的功能［5］。

在成型過程中，按設計要求可用模具先形成所需形狀，再固化成型，所制結構件不但整體性好，而且減少了零部件的數(shù)量及接頭等緊固件，節(jié)省了原材料、工時和模具費用，降低了制造成本，縮短了生產周期。

2 車用碳纖維復合材料加工成型工藝

成型工藝是將原材料轉化為結構件的關鍵工藝步驟，復合材料在汽車上的應用離不開成型工藝的發(fā)展。碳纖維復合材料的加工成型工藝很多，不同的成型加工技術對制品的性能會帶來較大的影響。目前常用的車用碳纖維復合材料加工成型工藝主要有:手糊成型(Hand Laying－up)、噴射成型(Spray Moulding)、團狀模塑料(Dough Molding Compound，DMC)成型、片狀模塑料(Sheet MoldingCompound，SMC)成 型、層 壓 成 型(Lamination Process)、樹脂傳遞模塑成型(Resin Transfer Molding，RTM)、纏 繞 成 型 (Winding Process)、反應注射成型(Reaction Injection Molding，RIM)和拉擠成型(Pultrusion Process)等。連續(xù)纖維增強復合材料的材料成型一般與制品的成型同時完成，再輔以少量的切削加工和連接即成成品。隨機分布短纖維增強塑料可先制成各種形式的預混料，然后進行擠壓、模塑成型［6］。

在制造工藝方面，現(xiàn)有的復合材料加工成型工藝原則上均適用于碳纖維復合材料在汽車工業(yè)上的應用［7］。早期車用部件的生產采用手糊工藝和噴射成型工藝，但手糊和噴射工藝(開模模塑)嚴重污染環(huán)境，勞動強度大，制品的質量難以控制，主要用于生產汽車零件中形狀簡單的部件，難以滿足汽車工業(yè)化生產和環(huán)保的要求［6］。

汽車生產具有量大時、面廣的特點，碳纖維復合材料用于生產汽車零部件應特別注意低成本的快速成型方法，汽車工業(yè)應優(yōu)先采用模壓(Compression Moulding)成型工藝，如長纖維增強熱塑性塑料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics，LFT)技術，特別是新興的RTM工藝，是世界上公認的低成本復合材料成型技術，該技術發(fā)展很快，并已在汽車工業(yè)上廣泛采用。纏繞工藝能夠賦予制件特別的力學性能，因而被用于制造瓶罐、軸承類等零件［7］。

3 主要成型工藝的特點

RTM成型工藝始于20世紀50年代，是為了克服手糊工藝的缺點而發(fā)展起來的一種成型技術，基本原理是將纖維增強材料預先鋪設在封閉的模腔內，鎖緊模具，用壓力將樹脂膠液注入模腔，浸透增強材料后固化，然后脫模成型。RTM成型工藝的主要特點為閉模操作、無污染、成型壓力低、增強材料可按設計要求鋪設、制品兩面光潔及能制成形狀復雜的大型制品等。該技術研發(fā)時間短，適于產品更新，已逐漸取代手糊工藝成為汽車零部件的重要成型方法［6］。RTM工藝設備投資少，適用于小批量、多品種的汽車結構件，如發(fā)動機水箱、隔熱罩、發(fā)動機罩等。

RIM和增強樹脂反應注射成型(Reinforced Reaction Injection Molding，RRIM)2種工藝技術于20世紀70年代研究成功，進一步改善了手糊工藝，提高了制品表面質量，現(xiàn)已大量用于汽車的零件生產。RRIM是利用高壓沖擊來混合2種單體物料及短纖維增強材料，并將其注射到模腔內，經(jīng)快速固化反應形成制品的一種成型方法。如果在工藝中不使用短纖維增強材料，則稱為RIM工藝，而在此基礎上發(fā)展起來的采用連續(xù)纖維增強的方法則稱為結構反應注射模塑(Structure Reaction Injection Molding，SRIM)工藝。RRIM 工藝的特點是:制品表面質量好、成型周期短、生產成本低、可以生產大尺寸部件。RRIM制品用于制作汽車保險杠、儀表盤，高強度RRIM制品還可以用作汽車的結構材料、承載材料［6］。

到了20世紀80年代，SMC成型工藝和散狀模塑料(Bulk Molding Compounds，BMC)成型工藝成為工業(yè)化生產車用部件的主要工藝，在車輛制造業(yè)中得到了廣泛應用。SMC、DMC和BMC是3種重要的熱固性樹脂基復合材料，它們經(jīng)常被用作模壓復合材料制品的半成品［6］。

SMC成型工藝是將SMC片材按制品尺寸、形狀及厚度等要求裁剪，然后將多層片材疊合后放入金屬模具中進行加熱、加壓成型的方法。該工藝成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定性好，適于大批量生產，性價比較高。SMC工藝的成功開發(fā)和機械化模壓技術的應用使復合材料在汽車工業(yè)上的用量年增長率達到25%。SMC已被廣泛應用于發(fā)動機罩、導風罩、氣門罩殼、水箱部件、發(fā)動機隔音板、加熱蓋板、氣缸蓋、進氣支管、出水口外殼、水泵和燃料泵等汽車制件［8］。但SMC工藝具有產品不可回收、易污染環(huán)境且一次性投資高于對應的鋼制件等缺點，所以SMC工藝在早期只在跑車或大型車體結構上得到應用。為了充分發(fā)揮復合材料的減重特性，目前已將碳纖維引入SMC組分中以取代玻璃纖維。荷蘭帝斯曼(DSM)公司研制出的碳纖維片狀模塑料(CSMC)，已成功應用于汽車的亞結構部件中［6］。

1951年，美國專利局公開了第1個拉擠成型工藝專利，標志著拉擠成型技術的面世。拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)碳纖維絲束、帶或布等，在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產長度不限的型材。拉擠成型是復合材料成型工藝中的一種特殊工藝，其優(yōu)點是生產過程可完全實現(xiàn)自動化控制，生產效率高。拉擠成型制品中纖維質量分數(shù)可高達80%，浸膠在張力下進行，能充分發(fā)揮增強材料的作用，產品強度高，其制成品縱、橫向強度可任意調整，可以滿足制品的不同力學性能要求。該工藝適合于生產各種截面形狀的型材，如工字型、角型、槽型、異型截面管材以及上述截面構成的組合截面型材。

纏繞成型工藝是將經(jīng)過樹脂膠液浸漬的連續(xù)纖維或布帶按一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化、脫模成為復合材料制品的工藝。碳纖維纏繞成型可充分發(fā)揮其高比強度、高比模量以及低密度的特點，可用于制造汽車用壓縮天然氣罐、液化天然氣罐、氫氣罐以及傳動軸、單片式彈簧等制品。車載燃料氣瓶要求安全可靠、質量小，碳纖維輕質氣瓶不僅滿足了安全要求，而且降低了車輛負載，相應降低了汽車油耗。

由于世界各國環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴格，促使汽車越來越多地采用可回收利用的先進纖維增強復合材料。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料抗沖擊性更好，且可回收利用，于是20世紀90年代出現(xiàn)的玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(Glass Mat reinforced Thermoplastics，GMT)和 LFT越來越多地應用于汽車工業(yè)，特別是LFT，已成為熱塑性塑料市場增長最快的品種之一，市場需求年增長率達10%～15%。LFT制件內存在相互纏結的纖維骨架結構，因此具有較好的抗沖擊性和剛性，現(xiàn)已成為國外熱塑性復合材料的開發(fā)熱點，主要用來制造受力較強的部件。LFT新的應用領域包括車身下部外板、前端組件和連門面板等。同時，在汽車材料中還有用短切纖維與連續(xù)纖維相混雜的LFT。在實際應用中要根據(jù)物體的實際受力狀況及工藝來選擇長纖維與短纖維的比例。這種組合既保持了連續(xù)纖維較高的物理性能，又兼容了短纖維的各向同性，大大提高了LFT作為結構材料的實用性，特別適于制造汽車的保險杠、加強梁及支撐架等功能性結構件［4］。

4 工業(yè)化應用中存在的問題［7］

在復合材料成型工藝方面，現(xiàn)有的工藝原則上均可用于汽車工業(yè)，但是除考慮制件的力學性能外，工藝的成型效率和制造成本同樣影響著復合材料在汽車上的應用。

復合材料技術涉及材料、設計和工藝3個方面，這3個方面相互影響，缺一不可。碳纖維復合材料經(jīng)過40多年的研究、應用和發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步，但是在汽車領域的應用還遠遠滯后于航空航天和其他工業(yè)領域。

除了成本因素外，復合材料的生產和制造不同于金屬材料，無論是結構設計、材料選擇還是工藝制造均缺乏經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，也缺少新的設計標準。另外，復合材料的回收利用是制約碳纖維復合材料在汽車上大規(guī)模應用的一個很大瓶頸:與金屬材料不同，報廢后的復合材料制件無論是采用粉碎、焚燒還是掩埋處理都會對環(huán)境產生影響。只有解決了回收利用問題，才能為復合材料在汽車領域的大規(guī)模應用掃清障礙。

5 結束語

碳纖維增強復合材料應用于汽車領域，是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一，雖然目前許多問題有待解決，但隨著碳纖維價格的下降、復合材料成型設備和工藝技術的不斷進步，碳纖維復合材料在汽車中的應用前景將更加廣闊。

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