碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)零部件輻射固化及其電力需求的研究

減少汽車(chē)燃油消耗能有效改善全球氣候問(wèn)題。輕量化是降低汽車(chē)燃油消耗最有效的途徑之一。采用高性能的碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料是目前汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化的一種有效方式。由于碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部具有較大的空隙率，將其用在汽車(chē)零部件的主承力結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行固化成型處理，以降低其空隙率，提高力學(xué)性能。常規(guī)的固化方法是熱固化，這種熱固化方法常使碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。對(duì)此，提出了一種利用X射線來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射固化的方法。

利用X射線實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的固化，主要是由于X射線中的高能電子束碰撞碳纖維復(fù)合材料中的分子，并在短時(shí)間內(nèi)將能量傳遞給碳纖維復(fù)合材料分子。這些分子吸收碰撞能量之后，破壞原有的平衡，形成游離的分子，這些游離的分子在碳纖維復(fù)合材料中迅速擴(kuò)散，使空隙率降低。對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，選擇阿斯頓馬丁汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩作為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩制作時(shí)，采用一塊長(zhǎng)1.49m、寬1.53m的耐高溫聚酯玻璃纖維板作為制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩的模具，模具中鋪設(shè)4～6層（本研究選擇4層）碳纖維復(fù)合材料。將模具置于高壓釜中加熱，溫度121℃，時(shí)間約為1h，模具中的碳纖維復(fù)合材料層形成發(fā)動(dòng)機(jī)罩樣品。將形成的發(fā)動(dòng)機(jī)罩樣品置于真空室中進(jìn)行X射線輻射，輻射劑量為60J/kg。最后，對(duì)制造的碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行力學(xué)性能和隔熱性能的測(cè)試，并計(jì)算碳纖維復(fù)合材料部件固化所需的功率。結(jié)果顯示，所制造的發(fā)動(dòng)機(jī)罩能滿足相應(yīng)的力學(xué)要求和隔熱要求，整個(gè)固化過(guò)程的電力需求約為192kW·h。

Anthony Berejka et al. SAE 2016-01-0527.

編譯：王祥