佟猛

摘要：碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，作為一種新型的復(fù)合材料，有著強(qiáng)度高、重量輕、耐疲勞、耐腐蝕等傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)良特性。將碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料用于車(chē)輛制造，不僅可以極大減輕同等級(jí)別車(chē)輛重量，還能提升車(chē)輛能耗經(jīng)濟(jì)性。文章從車(chē)輛零部件裝配技術(shù)、材料力學(xué)特性、車(chē)輛能耗經(jīng)濟(jì)型以及車(chē)身制造發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，對(duì)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用于車(chē)輛制造進(jìn)行了深度的探索。

關(guān)鍵詞：碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料；車(chē)輛制造；材料

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料是在碳纖維材料和樹(shù)脂材料基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新型材料的統(tǒng)稱(chēng)，通常是將碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂等樹(shù)脂基材復(fù)合而成。該材料同時(shí)繼承了碳纖維材料重量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕以及樹(shù)脂基材料制造方便、不同配方適用不同場(chǎng)合的可變特性。碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料同傳統(tǒng)金屬材料相比，質(zhì)量可減輕20%～80%。如果能將此類(lèi)新型材料應(yīng)用于車(chē)輛制造，不僅可以減輕車(chē)輛重量，提升燃料經(jīng)濟(jì)性，還能很大程度上增強(qiáng)車(chē)身力學(xué)性能，增強(qiáng)車(chē)輛安全性。

1 碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料主要連接技術(shù)

1.1 機(jī)械連接

機(jī)械連接是車(chē)輛制造技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)之一，是指將不同機(jī)械部件運(yùn)用螺栓或鉚釘?shù)倪B接為一個(gè)整體的連接技術(shù)。碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料運(yùn)用此技術(shù)進(jìn)行連接時(shí)，連接可靠簡(jiǎn)便，連接效果方便檢驗(yàn)，但此種連接技術(shù)往往需要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行打孔，這將會(huì)造成應(yīng)力集中，同時(shí)，還存在金屬材料與碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料接觸面出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 膠粘連接

膠粘連接的好處在于，連接件在連接前無(wú)需打孔，這就避免了因打孔而出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，膠粘工藝性好，膠粘表面光滑，外觀(guān)美觀(guān)，由于膠粘面有一層粘合劑層，相互連接的兩個(gè)部分是彼此分離的，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械連接時(shí)發(fā)生的電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。但是，膠粘之前需要對(duì)工件表面進(jìn)行特殊的處理，另外膠粘好的固件難以檢驗(yàn)?zāi)z粘強(qiáng)度。但對(duì)于碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料而言，膠粘連接是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)之一。

2 用于汽車(chē)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

汽車(chē)材料的選擇在汽車(chē)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中十分的重要，我們往往要考慮許多的因素，這其中最為主要的有材質(zhì)的穩(wěn)定性、力學(xué)性能、質(zhì)量、可加工性等。任何一個(gè)因素的改變都會(huì)對(duì)汽車(chē)的外形、性能、銷(xiāo)量、用戶(hù)的駕駛體驗(yàn)帶來(lái)極大的影響。近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CarbonFiber Reinforced Polymers，CFRP）漸漸地進(jìn)入了人們的視野，逐漸運(yùn)用到了汽車(chē)的制造中。為何他會(huì)如此受汽車(chē)行業(yè)的追捧，主要是因?yàn)樗c其他材料相比具有以下優(yōu)勢(shì)。

2.1 綜合力學(xué)性能優(yōu)異

車(chē)用CFRP與普通的碳鋼相比其密度僅為碳鋼的，甚至比鋁合金還要輕。雖然其密度小質(zhì)量輕，但他卻有著非同一般的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度比鋼材要強(qiáng)3-4倍，同時(shí)，與鋼材相比其疲勞強(qiáng)度特性也較為優(yōu)越，可以達(dá)到抗拉強(qiáng)度的70%～80%。在振動(dòng)阻尼特性方面，CFRP 2s便可以停止振動(dòng)，而鋁合金等其他的傳統(tǒng)材料則需要10s甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

2.2 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

碳纖維復(fù)合材料具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品的特性通過(guò)改變纖維的排列方式和構(gòu)造形式從而靈活選擇基體材料。如果想要充分發(fā)揮材料的各向異性，則可以將纖維按照材料的受力方向進(jìn)行排布。如此改變還可以達(dá)到減輕重量節(jié)約材料的目的。

2.3 可實(shí)現(xiàn)一體化制造

隨著3D打印的出現(xiàn)，一體化制造逐漸登上了市場(chǎng)舞臺(tái)，在汽車(chē)制造領(lǐng)域一體化制造也成了一種發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合材料在外形的塑造方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，易于制造成曲面等。一體化制造不論在制造工序還是周期上都比傳統(tǒng)制造要更占優(yōu)勢(shì)。采用一體化制造我們不僅可以減少模具的使用，還在后期的裝配過(guò)程中節(jié)約了時(shí)間和成本。一體化制造的運(yùn)用使產(chǎn)品整體性更強(qiáng)，避免后期裝配焊接產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中的問(wèn)題從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的強(qiáng)度。

2.4 吸能抗沖擊性強(qiáng)

CFRP具有一定的黏彈性，較好的吸能抗沖擊性能使得基體與碳纖維之間的微小運(yùn)動(dòng)可以更好地吸收外界對(duì)車(chē)體產(chǎn)生的沖擊力，另外，在劇烈的碰撞過(guò)程中，經(jīng)特殊編制的CFRP會(huì)碎裂成小的顆粒，通過(guò)這種方式從而吸收外界碰撞產(chǎn)生的能量，并且采用CFRP所吸收的能量比金屬要高4～5倍。所以，采用這種材料可以更大限度地提高汽車(chē)的安全性。

2.5 耐腐蝕性好

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹(shù)脂材料組成，具有很好的耐腐蝕的能力使用壽命也比普通的材料要長(zhǎng)很多，壽命通常比鋼材長(zhǎng)2～3倍。用其制造的零部件不需要進(jìn)行表面的防氧化、防腐蝕處理。

2.6 高溫性能好

碳纖維在400℃的高溫下仍然可以保持較為穩(wěn)定的物理特性，當(dāng)溫度達(dá)到1 000℃時(shí)仍然沒(méi)有什么變化。

2.7 抗疲勞性能好

在疲勞裂紋的擴(kuò)展方面CFRP有著很好的阻礙性，其抗疲勞特性最高可以達(dá)到80%。實(shí)驗(yàn)表明，CFRP材料在經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)次的抗疲勞試驗(yàn)過(guò)后仍然具有較高的強(qiáng)度，可以達(dá)到70%。然而傳統(tǒng)的材料像鋼材和鋁材只能達(dá)到40%左右。因此，較好的抗疲勞特性也使CFRP材料在市場(chǎng)上很受歡迎。

3 應(yīng)用于新能源乘用車(chē)是的經(jīng)濟(jì)性方面影響

使用碳纖維可以有效減輕整車(chē)質(zhì)量，整車(chē)質(zhì)量的減輕在生成生活中節(jié)約能源，節(jié)約成本開(kāi)支方面具有十分重要的作用。

A 級(jí)車(chē)型的車(chē)身減重100kg時(shí)經(jīng)濟(jì)性影響分析如下。

（1）以1臺(tái)續(xù)駛300 km、裝電量45 kW·h的乘用車(chē)“每減重100 kg，增加8%左右的續(xù)駛里程”計(jì)算，同樣的續(xù)駛里程可以減少3.6 kW·h的裝電量，節(jié)約電池費(fèi)用約為0.6萬(wàn)元。

（2）以行駛40萬(wàn)km生命周期、電費(fèi)平均按照0.9元/kWh計(jì)算，整車(chē)生命周期內(nèi)可節(jié)約電費(fèi)400 000/100×1.2×0.9=0.432萬(wàn)元（按100 km節(jié)省1.2 kW·h電量計(jì)算）。

（3）以5萬(wàn)輛的整車(chē)生產(chǎn)規(guī)模為例，所節(jié)約的工藝投資、設(shè)備投資折算到電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量中，每臺(tái)車(chē)中的攤銷(xiāo)約節(jié)約2 000元。

（4）因?yàn)楣に嚲?jiǎn)，人員成本至少節(jié)約1 000元/臺(tái)。每臺(tái)車(chē)可平均節(jié)約成本：0.6+0.432+0.2+0.1=1.332萬(wàn)元。

由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，由于炭纖維材料的應(yīng)用，車(chē)身質(zhì)量的減輕獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。但是經(jīng)濟(jì)成本的節(jié)約卻不足以彌補(bǔ)炭纖維材料使用本身帶來(lái)的成本，因此這對(duì)碳纖維車(chē)身具體的投入使用帶來(lái)了巨大的阻力。因此碳纖維車(chē)身的推廣需要從其他方面入手，比如工藝和設(shè)備等方面。只有真正地將碳纖維車(chē)身運(yùn)用投入量化生產(chǎn)，被行業(yè)和社會(huì)所接受才能真正地降低生產(chǎn)成本，真正地帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，再考慮鋁合金對(duì)車(chē)身質(zhì)量減輕的疊加效應(yīng)更會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效果。

4 碳纖維復(fù)合材料用于車(chē)身的發(fā)展趨勢(shì)

由于碳纖維復(fù)合材料教于傳統(tǒng)材料無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)和性能，碳纖維材料越來(lái)越受到廣大汽車(chē)制造商的喜愛(ài)和歡迎。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，碳纖維在汽車(chē)制造領(lǐng)域的使用量每年的漲幅超過(guò)了30%，預(yù)計(jì)在2020年將會(huì)超過(guò)2.3萬(wàn)t。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料目前在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍主要包括車(chē)身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件和車(chē)身上的裝飾件。例如，碳纖維復(fù)合材料制造車(chē)身結(jié)構(gòu)件已經(jīng)運(yùn)用到BMW公司己開(kāi)發(fā)的多種車(chē)型中，這是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)制造的重要標(biāo)志，引領(lǐng)這碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用于汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展。與此同時(shí)，為了滿(mǎn)足快速發(fā)展的寶馬i系列電動(dòng)汽車(chē)以及其他車(chē)型的需求，BMW公司還與德國(guó)SGL公司進(jìn)一步合作，投資1億歐元研發(fā)低成本碳纖維，并將每年的碳纖維產(chǎn)量3 000 t提高到9 000 t。

5 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比具有獨(dú)特的性能，在汽車(chē)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但是碳纖維增復(fù)合材料在應(yīng)用的同時(shí)也存在一定的缺陷。為了是碳纖維復(fù)合材料能夠有更好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用推廣，還需要從多個(gè)方面研究，要改善材料的研發(fā)工藝，不斷降低碳纖維材料的研發(fā)成本，不斷提高碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，精準(zhǔn)控制工藝提高材料的固化速度，從而推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域有更為廣闊的應(yīng)用前景。