（柳州裕信方盛汽車飾件有限公司，廣西柳州 545006）

近些年來(lái)，汽車產(chǎn)量增多，保有量提升，能源的消耗隨著提升，環(huán)境保護(hù)、安全性問(wèn)題日益突出。節(jié)能環(huán)保也是目前我國(guó)乃至全世界汽車工業(yè)所面臨的最主要問(wèn)題。我國(guó)于2018年也規(guī)范了國(guó)家新城二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)。在目前的形勢(shì)之下，想要將汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，就需要研發(fā)能夠節(jié)約能源、減少有害物質(zhì)排放量的技術(shù)，進(jìn)而降低汽車的能耗，減輕汽車對(duì)于環(huán)境的污染程度。

有關(guān)研究表明：應(yīng)用汽車輕量化技術(shù)，能夠使汽車生產(chǎn)的能源消耗量降低，污染物排放量也可以受到控制，且是目前應(yīng)用最主要的措施之一。汽車輕量化主要使用輕量化材料、結(jié)構(gòu)以及制造技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在各種各樣的輕量化材料中，其中碳纖維復(fù)合材料和各種新型材料相比，其綜合力學(xué)性能更加優(yōu)秀，比強(qiáng)度、比模量、比吸能均較高，在等剛度或者等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則之下，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)和低碳鋼結(jié)構(gòu)相比，至少減重一半以上，比鋁鎂合金的結(jié)構(gòu)減重在1/3左右，且碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性以及耐腐蝕性均較強(qiáng)，同時(shí)，該材料的壽命液相對(duì)較長(zhǎng)。但是碳纖維的制造成本以及難度較大，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用受限[1]。本篇文章，作者從低成本碳纖維技術(shù)到材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，再到高效成型技術(shù)、多材料連接技術(shù)，最后到回收再利用技術(shù)進(jìn)行分析，分析碳纖維復(fù)合材料的作用。

1.低成本碳纖維技術(shù)

人們的日常生活幾乎已經(jīng)離不開(kāi)汽車，汽車逐漸成為剛需，所以，在生產(chǎn)汽車的同時(shí)，需要考慮到汽車的可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。碳纖維復(fù)合材料的成本較高，導(dǎo)致無(wú)法大面積使用碳纖維復(fù)合材料。因此，降低碳纖維成本是目前汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的重中之重。

1.1 原絲技術(shù)

目前，碳纖維一般由三種材料制備而成，分別為：人造絲、瀝青以及聚丙烯腈。由聚丙烯腈得到的碳纖維的綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用比較普遍，且聚丙烯腈碳纖維成分構(gòu)成中，原絲的成本大約為50%，由此可見(jiàn)，想要降低碳纖維成本，最直接的辦法就是降低原絲成本。瀝青的資源相對(duì)豐富，價(jià)格較低，含碳量較高，這就使瀝青碳纖維的獲取成本較低，其發(fā)展前景比較廣闊。瀝青碳纖維可以根據(jù)其性能的不同，分成通用級(jí)別瀝青碳纖維和高性能的瀝青碳纖維。目前，全世界中瀝青碳纖維的主要生產(chǎn)公司來(lái)源于日本和美國(guó)。瀝青碳纖維的彈性模量高，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，但是其抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度較差，制備工藝的難度較高，且瀝青的提純成本相對(duì)較高。木質(zhì)素的來(lái)源廣泛、價(jià)格低、含碳量較高，具有可再生性，其分子結(jié)構(gòu)中的芳香族成分較豐富，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。木質(zhì)素碳纖維的拉伸模量、抗拉強(qiáng)度以及斷裂延伸率均較為優(yōu)良，但是，木質(zhì)素中的化學(xué)鍵較多，擁有較多的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，想要成功分解，其條件相對(duì)苛刻，另外木質(zhì)素在化學(xué)分解過(guò)程中，容易發(fā)生焦炭情況，所以，采用木質(zhì)素制備碳纖維時(shí)，還需要解決較多的問(wèn)題[2]。

除了運(yùn)用新的原料之外，我們還可以對(duì)現(xiàn)有的聚丙烯腈原絲的制備工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使其制備成本降低。目前，聚丙烯腈原絲一般會(huì)采用溶液紡絲方法制備，使用該方法制備碳纖維，能夠避免使用到具有毒性的化學(xué)溶劑，其成本更低，生產(chǎn)效率更高。有研究表明：聚丙烯腈原絲由熔融紡絲制備而來(lái)，可以大幅提高紡絲效率，且得到的纖維表面質(zhì)量更好。雖然熔融紡絲的優(yōu)勢(shì)眾多，但是，制備工藝比較復(fù)雜，難度較高，無(wú)法有效保障原絲的質(zhì)量，因此，目前一般會(huì)使用溶液紡絲方法來(lái)制備聚丙烯腈碳纖維。

1.2 預(yù)氧化工藝

預(yù)氧化工藝既能夠?qū)μ祭w維的質(zhì)量進(jìn)行控制，又能夠?qū)μ祭w維的產(chǎn)量進(jìn)行控制。目前，可以通過(guò)預(yù)處理聚丙烯腈原絲，可以改變預(yù)氧化的方法，進(jìn)而該技能生產(chǎn)碳纖維的過(guò)程。我們可以使用化學(xué)方法和物理方法來(lái)預(yù)處理聚丙烯腈原絲?；瘜W(xué)方法主要是通過(guò)化學(xué)改性，使環(huán)化溫度降低，將預(yù)氧速度進(jìn)行提升，進(jìn)而降低成本。物理方法是通過(guò)紫外線等方法進(jìn)行處理。物理方法和化學(xué)方法可以使環(huán)化反應(yīng)的激活能降低，進(jìn)而減少預(yù)氧化所需時(shí)間。

1.3 大絲束碳纖維技術(shù)

大絲束碳纖維的性能較小，屬于通用級(jí)別的碳纖維，主要用在一般工業(yè)生產(chǎn)中。大絲束碳纖維的制備成本較低，但是，大絲束碳纖維的絲束較大，容易出現(xiàn)聚集情況，導(dǎo)致無(wú)法得到良好的展紗效果。另外，展紗過(guò)程中，亂紗以及斷紗也比較常見(jiàn)，力學(xué)性能的分散性較高，大絲束碳纖維的制造難度因此明顯增加。

2.材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化技術(shù)

利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、思想很難將碳纖維復(fù)合材料的潛能發(fā)揮出來(lái)。利用材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，既能夠?qū)⒘悴考?shù)量降低，又能夠使制造過(guò)程以及裝配過(guò)程得到優(yōu)化，使材料性能得以充分發(fā)揮，是未來(lái)復(fù)合材料汽車零部件的主要發(fā)展方向。

3.高效成型技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用在航天、航空工業(yè)中，其優(yōu)點(diǎn)顯著，包括：構(gòu)建纖維體積的含量較高、質(zhì)量的穩(wěn)定性良好、成型模具比較簡(jiǎn)單等。但是，熱壓罐成型的存在周期相對(duì)較長(zhǎng)，需要較大的能耗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)以及高效率生產(chǎn)。液體模塑成型技術(shù)和熱壓成型技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比，效率更高，成本更低、自動(dòng)化更加容易實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用在高效成型技術(shù)中。

4.多材料連接技術(shù)

利用傳統(tǒng)方法將汽車車身相連時(shí)，需要頻繁使用電阻點(diǎn)焊工藝，同時(shí)，還要聯(lián)合粘接、鉚接等工藝方法進(jìn)行裝配。在汽車零部件中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料時(shí)，需要將碳纖維復(fù)合材料和鋼鋁合金等材料進(jìn)行連接。但是，碳纖維復(fù)合材料和其他材料相比，各種性能、加工制造方法均存在差異，導(dǎo)致通過(guò)傳統(tǒng)的汽車鏈接設(shè)計(jì)、制造方法無(wú)法使汽車上復(fù)合材料的連接要求得到滿足，所以，在連接汽車車身時(shí)，就需要考慮到復(fù)合材料于其他材料之間的性能是否存在差異，進(jìn)而尋找能夠和碳纖維復(fù)合材料相關(guān)的多材料連接技術(shù)。

4.1 機(jī)械連接

機(jī)械連接主要是使用螺栓、鉚釘?shù)染o固件實(shí)現(xiàn)連接。雖然機(jī)械連接中存在開(kāi)孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中、連接效率較低等特點(diǎn)，但是，其具有抗高溫性、抗蠕變性、連接強(qiáng)度的分散性小、抗剝離性、易拆卸性等?？梢赃B接汽車的連接性要求較高的位置。

4.2 膠接連接

膠接連接就是通過(guò)使用膠粘劑連接構(gòu)件，使其成為不可以拆卸的整體，膠接連接的另加數(shù)目較少，結(jié)構(gòu)效率較高，具有抗疲勞性等特點(diǎn)，但是其容易剝離、承載能力較差，容易發(fā)生環(huán)境退化以及不可拆卸等情況。汽車零部件的使用條件通常狀況下比較惡劣，容易被濕熱等環(huán)境因素影響，降低其性能，對(duì)碳纖維復(fù)合材料和金屬接頭的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

5.回收再利用技術(shù)

回收?qǐng)?bào)廢汽車和再利用技術(shù)能夠幫助汽車產(chǎn)業(yè)起到可持續(xù)性發(fā)展，回收汽車零部件中的碳纖維復(fù)合材料，再次利用，使環(huán)保法律法規(guī)的重要內(nèi)容，原始碳纖維的本本高，再生碳纖維的成本較低，經(jīng)濟(jì)效益良好。碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用具有廣闊的前景，所以，回收再利用技術(shù)的發(fā)展是極為必要的，在汽車可持續(xù)發(fā)展的過(guò)程中具有重要的意義。

6.結(jié)語(yǔ)

汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)輕質(zhì)高強(qiáng)金屬、復(fù)合材料以及塑料材料。輕量化潛力巨大，碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用范圍也在逐漸增大。碳纖維復(fù)合材料在剛被研發(fā)出來(lái)時(shí)，需要較高成本，所以，進(jìn)應(yīng)用在F1賽車以及超級(jí)跑車上，但是，隨著碳纖維成本的降低，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在普通汽車上也是屢見(jiàn)不鮮的，使普通汽車的輕量化以及安全性得到較大的提升；目前，碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的用量逐漸增加，其逐漸向自動(dòng)化、智能化模式轉(zhuǎn)變，也再次降低汽車零部件的低成本，實(shí)現(xiàn)廣泛輕量化。