馮 帆

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710300）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車逐漸成為人類的主要代步工具之一，汽車數(shù)量增多的同時，油量消耗數(shù)據(jù)呈遞增狀態(tài)不斷增長，研究數(shù)據(jù)表明汽車的自重與油量消耗成正比關(guān)系，汽車自身重量越大，油量消耗越多，而汽車輕量化發(fā)展可以有效降低油量的消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，成為汽車制造工業(yè)中重要的發(fā)展手段之一。除此之外，碳纖維復(fù)合材料憑借自身優(yōu)勢在眾多制造材料中脫穎而出，成為當前汽車制造的主要原材料之一，擺脫鋼材產(chǎn)業(yè)一家獨大的局面，在未來發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 汽車輕量化技術(shù)的設(shè)計原理

1.1 汽車輕量化

汽車輕量化為實現(xiàn)汽車減重的目的，采用現(xiàn)代設(shè)計的方法，通過開展新材料以及對汽車整體進行優(yōu)化設(shè)計的方法，進而實現(xiàn)減重的目的，通過該方法在一定程度上可實現(xiàn)減重與安全環(huán)保為一體的綜合目標，為汽車行業(yè)的未來發(fā)展做出巨大貢獻。汽車輕量化技術(shù)為滿足市場競爭力，將以減輕汽車自身重量為核心目標，同時將以提升汽車的性能要求及成本費用為輔助目標，使其成為汽車行業(yè)的唯一選擇。實際上汽車輕量化技術(shù)將以汽車車身的尺寸以及自身功能作為衡量標準，對于已經(jīng)滿足使用要求的汽車，汽車輕量化的整體設(shè)計內(nèi)容將以減輕汽車自重為整體目標，而針對尚在完善中的汽車，輕量化的整體設(shè)計內(nèi)容將以完善汽車功能為主要發(fā)展目標，總之，汽車輕量化的設(shè)計將根據(jù)汽車的實際情況做出功能改進，實現(xiàn)性能、減輕汽車自重以及控制成本為一體的綜合目標［1］。

1.2 實現(xiàn)輕量化設(shè)計方法

為最大限度地減輕汽車自重，汽車輕量化設(shè)計將針對汽車結(jié)構(gòu)采用承載式車身（BIW）的方法，并針對汽車結(jié)構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，通過現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)減輕汽車內(nèi)部零件的重量，將汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)小型化處理，去除冗余結(jié)構(gòu)。汽車輕量化設(shè)計的金屬材料使用部分將采用高強度鋼以及輕質(zhì)金屬，其中高強度鋼的使用將在一定程度上減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，高強度鋼的使用相對于低碳鋼在強度上具有一定的優(yōu)勢，可以在保證汽車性能的同時有效控制汽車的自重。而輕質(zhì)金屬材料中密度相對較低的合金材料主要包括鋁、鎂以及鈦合金，由于鋁、鎂以及鈦合金具有一定的特點，因此將作為汽車減重的首選節(jié)能材料，其中鋁合金具有較好的性能以及回收簡便等特點，可以將其應(yīng)用于壓力鑄造技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。鎂的密度低于鋁合金，是重要的有色金屬之一，具有極強的融合能力，可以與其他金屬形成高強度的合金，當前鎂合金的應(yīng)用將向著大型集成化方向發(fā)展。相對于鋁和鋼的耐溫性來講，鈦合金具有一定的優(yōu)勢，可以在500℃的高溫下保證較好的力學性能，強度不輸高強度的鋼合金，并且具有較強的耐腐蝕性，可以將其應(yīng)用于較惡劣的環(huán)境下進行工作。而汽車輕量化設(shè)計的非金屬材料使用部分將采用高分子材料以及陶瓷材料和復(fù)合材料，將其應(yīng)用于汽車內(nèi)部零件之中，具有一定優(yōu)勢。

2 低成本碳纖維技術(shù)

2.1 低成本原絲技術(shù)

碳纖維憑借自身性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)之中，碳纖維又稱作“黑色黃金”，因其技術(shù)先進，將其應(yīng)用于汽車工業(yè)造成成本略高的現(xiàn)象。為降低汽車制造成本，將開發(fā)低成本碳纖維技術(shù)，其中以原絲技術(shù)為核心部分。目前，市面上的碳纖維組成成分中原絲成本占據(jù)總成本的50%以上，降低原絲成本將在一定程度上實現(xiàn)低碳纖維成本的最低化發(fā)展，其實現(xiàn)方法可以通過在聚丙烯腈基碳纖維聚合過程中引入新單體的方式達到降低總成本的目的［2］。

2.2 采用大絲束碳纖維

根據(jù)根數(shù)可以將碳纖維分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維，將大絲束碳纖維和小絲束碳纖維的性能處于相當?shù)臓顟B(tài)下進行對比，可以發(fā)現(xiàn)大絲束碳纖維的價格更加便宜。因此，汽車輕量化技術(shù)將以大絲束碳纖維作為核心進行研發(fā)，實現(xiàn)高品質(zhì)發(fā)展的目標，通過將大絲束碳纖維應(yīng)用于實際中發(fā)現(xiàn)，大絲束碳纖維可以達到產(chǎn)量高產(chǎn)的效果。

3 碳纖維復(fù)合材料的高效成型技術(shù)

使用碳纖維復(fù)合材料制造的汽車具有高品質(zhì)、高性能的優(yōu)勢，是其他材料制造的汽車所無法比擬的，但碳纖維復(fù)合材料尚未廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)中的主要原因是成本較高，并且使用復(fù)合材料制造汽車成型率較低，將其應(yīng)用于汽車制造行業(yè)將花費大量金錢以及時間，性價比低。為改進生產(chǎn)成本高、效率低的劣勢，將開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的高效成型技術(shù)，通過壓縮時間達到降低制造成本的目的，除此之外，快速RTM（HP-RTM）與預(yù)浸料模壓成型工藝的飛速發(fā)展也成為汽車工業(yè)重點關(guān)注的對象。

3.1 碳纖維復(fù)合材料的特性

碳纖維屬于新型纖維材料，因其具有含碳量豐富、高強度、高模量等優(yōu)勢，可以將其應(yīng)用于多種領(lǐng)域，在嚴苛的環(huán)境下也可完美發(fā)揮自身優(yōu)勢，具有較強的競爭能力。碳纖維復(fù)合材料實際上是碳纖維的增強體，主要由樹脂、金屬以及陶瓷等基體共同組成，成為復(fù)合材料的總稱，而應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中的碳纖維復(fù)合材料將以樹脂基碳纖維復(fù)合材料為主要組成成分，各類汽車輕量化材料性能比較見表1。從表1可以看出碳纖維復(fù)合材料的密度遠低于傳統(tǒng)汽車制造工業(yè)中所用金屬材料的密度，將其應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中可以在極大程度上實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，并且可以增加汽車行駛速度，除此之外，碳纖維復(fù)合材料的剛性以及吸能性可以保證汽車在行駛過程中的安全，通過震動阻尼可以在整體范圍內(nèi)改善噪音對人類的干擾，從而提升駕駛員的舒適度，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中可以有效降低生產(chǎn)成本，并增加設(shè)計美感［3］。

表1 各類汽車輕量化材料性能比較Table 1 Comparison of performance of various types of automotive lightweight materials

3.2 快速RTM（HP-RTM）成型工藝

RTM（HP-RTM）成型技術(shù)的工藝流程十分簡單，首先將碳纖維預(yù)成型織物放置于模具內(nèi)，并在其中加入樹脂液，通過加溫固化的方法使樹脂液處于凝固狀態(tài)，即可脫模，從而得到碳纖維復(fù)合材料制件，RTM（HPRTM）成型工藝具有流程簡單易操作、能量消耗低且生產(chǎn)周期較短等優(yōu)勢，初期投入低，后期回報較大，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減少人力物力的投入，但是成型時間較長，為降低生產(chǎn)周期，將從降低樹脂固化時間以及注入樹脂時間縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率的同時，可以實現(xiàn)全自動化發(fā)展。

3.3 預(yù)浸料模壓成型工藝

預(yù)浸料模壓成型技術(shù)的工藝流程是將制造材料放置于樹脂液中，使其完全浸沒，從而形成預(yù)浸料，流程完畢后，將制作好的預(yù)浸料放置于熱壓機上，通過溫度以及壓力的共同作用使樹脂形成預(yù)設(shè)的形狀，脫模后即可得到碳纖維復(fù)合材料制件，該方法生產(chǎn)周期較短，在生產(chǎn)過程中所需成本較低，可以將其應(yīng)用于大規(guī)模的集成化生產(chǎn)，該方法主要應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中的覆蓋件生產(chǎn)，若想實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料汽車制件的高效生產(chǎn)，應(yīng)通過預(yù)浸料對復(fù)合材料的高效性進行升級，推進汽車產(chǎn)業(yè)化的不斷發(fā)展。

4 CFRP在汽車輕量化中的應(yīng)用

4.1 車身構(gòu)件

當前碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中主要應(yīng)用于汽車構(gòu)件的制造，碳纖維復(fù)合材料的使用可以有效降低汽車自身總量，相對于傳統(tǒng)汽車制造工業(yè)中所使用的材料，碳纖維復(fù)合材料更具優(yōu)勢，其自身的碳含量可以使汽車制件更加堅硬，減重的同時將提升汽車行駛速度，使駕駛?cè)藛T的舒適感提升。

4.2 剎車片

碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良特性促使其成為汽車制造工業(yè)中剎車片的理想材料，碳纖維復(fù)合材料的主要特性為：良好的耐熱性以及抗腐蝕性使其在負載的環(huán)境下可以維持自身功能，不易被外界因素所干擾，除此之外，碳纖維復(fù)合材料穩(wěn)定的摩擦系數(shù)使汽車在行駛過程中平穩(wěn)且快速的前進，駕駛者可以通過由碳纖維復(fù)合材料制作的汽車中感受到舒適且快速的用車體驗。

4.3 輪轂

輪轂在汽車的構(gòu)件中占有較大比重，通過輪轂可以承受汽車全部的重量，因此，汽車的制造過程中對于輪轂的要求極高，需要輪轂具有較強的抗沖擊性，除此之外，還應(yīng)具有較好的安全性以及耐磨性，通過碳纖維復(fù)合材料制造的輪轂在滿足要求的同時，可以實現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展。汽車在行駛過程中，汽車的重力越大，慣性越大，即重力與慣性成正比關(guān)系，由碳纖維復(fù)合材料制造的輪轂可將慣性降至最低，且保持良好的性能。

4.4 傳動軸

碳纖維復(fù)合材料所具備的優(yōu)良特性可以使傳動軸的質(zhì)量更具優(yōu)勢，碳纖維復(fù)合材料自身特性的不斷發(fā)展將在傳動軸中充分發(fā)揮，使傳動軸的重量減輕到原來的一半，除此之外，還將使傳動軸具有較好的耐磨性，傳動效率更快，使用周期更長，被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域［4］。

5 廢舊碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)

隨著碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，大量的碳纖維廢料將成為無法攻克的難題，因此應(yīng)針對碳纖維廢料的問題采用物理、熱解、化學溶劑三大回收方法對其加以處理。

5.1 物理回收法

物理回收法的實現(xiàn)流程主要通過機械的方法，將金屬件進行粉碎并掩埋處理，最終以粉末的形態(tài)用于水泥原料，除此之外，還可以將其應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)件聚合物的填充料。目前，該方法在技術(shù)上較為成熟，但該技術(shù)對于能量的消耗過高，回收后的廢料利用率較低，對于設(shè)備的損害較大，成本較高。

5.2 熱解回收法

在正常狀態(tài)下，碳纖維復(fù)合材料中的樹脂不能自動分解，通過熱解回收的方法可以實現(xiàn)分離的目的，其原理是將碳纖維復(fù)合材料置于高溫和無氧環(huán)境下，使碳纖維復(fù)合材料中的樹脂以小鏈分子的形式析出，從而將碳纖維從碳纖維復(fù)合材料中分離，該方法可以最大限度地保留纖維的拉伸強度。

5.3 化學溶劑回收法

相對于物理回收法和熱解回收法來講，化學溶劑回收法具有較大優(yōu)勢，通過化學溶劑將碳纖維復(fù)合材料中聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)溶解為低分子聚合物，實現(xiàn)分離的目的，該方法具有較強的靈活性，可以根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不同，進而選擇不同的化學溶劑，并且可以使碳纖維復(fù)合材料最大限度的回收，且不破壞碳纖維復(fù)合材料自身的性能［5］。

6 結(jié)束語

當前，汽車領(lǐng)域正在向著輕量化不斷發(fā)展，而碳纖維復(fù)合材料憑借著自身優(yōu)勢成為汽車制造工業(yè)中的主要材料，逐步取代高強度鋼以及鋁合金在汽車制造工業(yè)中應(yīng)用，隨著新技術(shù)以及新材料的不斷引進，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將會十分廣泛，通過回收環(huán)節(jié)可將碳纖維復(fù)合材料的作用發(fā)揮到極致，取代以往鋼材的使用范圍面，與之相媲美，具有較大的市場空間，但碳纖維復(fù)合材料的價格以及廢料處理方面仍存在多種問題急需解決，實現(xiàn)低成本高品質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料將會是未來發(fā)展的核心，完善的碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)以及回收處理環(huán)節(jié)，將為汽車制造工業(yè)輕量化發(fā)展提供有力依據(jù)。