碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

0提高整車質(zhì)量的研究輕量化概念的介紹，特別是將建筑材料應(yīng)用于車輛的車身框架，以降低車輛的重量，并對輕量化材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用非常必要?？梢灶A(yù)見,一旦這些研究取得突破性進(jìn)展,汽車產(chǎn)業(yè)必然得到迅速發(fā)展。1汽車輕量化材料的研究進(jìn)展自20世紀(jì)80年代以來,國外的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在使用各種性能優(yōu)異、輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化方面取得了顯著成果。因碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的物理和機(jī)械性能,目前是國內(nèi)外汽車行業(yè)在新型輕質(zhì)材料運(yùn)用的重點(diǎn)研究方向之一。下面就碳纖維復(fù)合材料部件的特點(diǎn)做介紹。1.1碳纖維復(fù)合材料能夠減少沙對于沙汽車上常用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5~2.0g/cm3,只有普通碳鋼的1/4~1/5,比鋁合金還要輕1/3左右,但碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料,其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3~4倍,剛度高于鋼材2~3倍,耐疲勞性高于鋼材2倍,重量比鋼材輕3~4倍,熱膨脹系數(shù)小4~5倍。若按比強(qiáng)度計算,碳纖維復(fù)合材料大大超過碳鋼,而且可超過某些特殊的合金鋼,因此具有更高的比強(qiáng)度。使用碳纖維材料,在減輕車身質(zhì)量的同時,也可使功率需求更小,進(jìn)而采用更小的驅(qū)動引擎和懸掛裝置,通過減少動能而減少沖擊危險,這種螺旋式的結(jié)果將使車身質(zhì)量進(jìn)一步減輕。因此用碳纖維材料件替換原來的鋼制件,其輕量化效果明顯。1.2碳纖維在一體化設(shè)備中的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計性非常強(qiáng),可以根據(jù)不同的用途要求,靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況,通過調(diào)整纖維的結(jié)構(gòu)及排列制成各向異性和不同厚度的制品,并且可以應(yīng)用夾層結(jié)構(gòu),提高部件整體剛性,以達(dá)到最佳輕量化設(shè)計方案。將碳纖維按照受力方向進(jìn)行排布,可充分發(fā)揮復(fù)合材料強(qiáng)度的各項異性從而達(dá)到節(jié)約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于其各向同性,會出現(xiàn)在滿足最大受力方向的技術(shù)要求之后,另一方向的強(qiáng)度就會過剩的問題。對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品,設(shè)計時可選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料,而對于其他一些性能要求,如介電性能、耐熱性能等,都可通過選擇合適的原材料來滿足。此外,為使產(chǎn)品成本達(dá)到可接受的程度,可適當(dāng)選用低成本材料替換,如不同纖維混合鋪層,在滿足部件性能指標(biāo)的同時節(jié)省材料成本。1.3材料的流動性汽車從節(jié)能角度考慮應(yīng)當(dāng)設(shè)計成空氣阻力最小的外形,同時兼顧其美觀性。鋼制薄板在沖壓成型時由于工藝原因?qū)е峦庑渭敖Y(jié)構(gòu)往往受到限制,而使用復(fù)合材料在成型時利用它的流動性,比較易于制成各種形狀的曲面,達(dá)到一體化成型效果,更容易滿足空氣動力學(xué)設(shè)計的要求以及美觀方面的需要。模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢,碳纖維復(fù)合材料通過合理的模具設(shè)計,可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型。因此,復(fù)合材料適合于制造鋼制薄板難于制造、生產(chǎn)效率低、難于保證精度的汽車零件。如蓮花跑車以整車使用碳纖維材質(zhì)為目標(biāo),將車身零部件輕量化、一體化,不僅減輕了車身重量,并且使得部件的剛度、強(qiáng)度大大增加,提高了整車性能。1.4吸收能量和沖擊能量碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)的耐沖擊性也良好,以聚合物為基體的碳纖維復(fù)合材料具有一定的粘彈性力學(xué)性能,可以吸收一定的沖擊能量。此外,基體材料和纖維界面上存在微裂紋和局部脫粘現(xiàn)象,碳纖維和基體之間有微小的局部相對運(yùn)動,同時存在著摩擦力。由于粘彈性和界面摩擦力的作用,使得振動衰減系數(shù)大,因此在車輛受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能量,有利于提高人身安全。1.5碳纖維復(fù)合材料制品汽車上的許多零部件,都要承受機(jī)油、汽油、汽車傳動液等化學(xué)制劑的腐蝕,以及高溫、嚴(yán)寒、鹽霧等惡劣環(huán)境,傳統(tǒng)金屬材料難以保證不同環(huán)境下的質(zhì)量一致性及使用壽命。但碳纖維復(fù)合材料制品一般不存在生銹和腐蝕問題。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能,也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此,它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料,用其制造的汽車零部件具有較長的使用壽命和極低的維修費(fèi)用。2碳纖維復(fù)合材料在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用由于碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)、可設(shè)計性好、零部件一體化、耐沖擊、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),因此碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)內(nèi)具有較明顯的應(yīng)用優(yōu)勢,目前國內(nèi)外汽車及零部件廠商都在積極的進(jìn)行研究應(yīng)用。2.1國外碳修復(fù)材料的應(yīng)用性2.1.1碳纖維復(fù)合材料將成為企業(yè)的主要動力來源美國在本世紀(jì)初率先制定“2002~2011年汽車輕量化、節(jié)能化和環(huán)保化計劃”,由此帶動歐亞各大汽車生產(chǎn)國及廠家紛紛效仿并制定出相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃。預(yù)計2013~2015年,其主要汽車廠家、碳纖維廠家和有關(guān)動力電池生產(chǎn)廠家所聯(lián)手共同開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料混合動力及電動汽車將陸續(xù)小批量投產(chǎn)。美國通用汽車公司早在1992年就開發(fā)了超輕概念車,該車車身采用碳纖維復(fù)合材料,整體車身的質(zhì)量為191kg。2008年福特汽車公司為燃料電池汽車開發(fā)出一款碳纖維復(fù)合材料行李箱蓋(如圖1所示),這不僅降低了整車質(zhì)量,并且將碳纖維材料在車身外覆蓋件上的應(yīng)用可行性又推進(jìn)一步,成為該車亮點(diǎn)。2.1.2cfrp汽車隨著模塊化、整體化成為汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢,奔馳公司試圖打造全碳車身(如圖2所示),并嘗試將碳纖維材料作為結(jié)構(gòu)件,首先在SLRMcLaren上得到了應(yīng)用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數(shù)根粗壯的碳纖維經(jīng)過編織而成,雖然結(jié)構(gòu)依舊無比堅硬,但是它能夠在正面碰撞時破碎成無數(shù)細(xì)小的碎片,來吸收大量的能量,并且碎片不會對人造成傷害,這一點(diǎn)非常類似于汽車鋼化玻璃的破碎原理。歐盟開發(fā)新能源汽車是知名汽車廠商與日本三大碳纖維廠家及一家德國大絲束碳纖維廠家合作開發(fā)全CFRP汽車。西格里集團(tuán)和三菱麗陽公司組建一個獨(dú)立的合資企業(yè),合資企業(yè)將生產(chǎn)聚丙烯睛(PAN),該合資企業(yè)將為汽車行業(yè)供應(yīng)生產(chǎn)特種碳纖維用的前驅(qū)體。日本新能源、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)在其“防止地球變暖的新技術(shù)開發(fā)計劃”中,選擇東麗和日產(chǎn)汽車共同研發(fā)CFRP汽車,目標(biāo)是使車體比應(yīng)用鋼材時減重50%,反映安全性的抗沖擊吸收性能提高1.5倍,而CFRP車體成型周期為10min以內(nèi)。為配合汽車行業(yè)日益增多的各種碳纖維需求,東麗專門開發(fā)了面向汽車的短切碳纖維樹脂粒料,而東邦也開發(fā)了燃料電池用碳纖維織物的擴(kuò)散層。2.2汽車用復(fù)合材料目前國內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用上總體上落后于國外。大部分的碳纖維原絲及織物都依賴于進(jìn)口,大部分的實(shí)物生產(chǎn)應(yīng)用都是在體育用品方面,汽車行業(yè)上的應(yīng)用案例基本上為空白,大部分汽車廠商都未與CFRP企業(yè)同步聯(lián)手研發(fā)復(fù)合材料的零部件。但是國內(nèi)的汽車廠商及研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識到碳纖維復(fù)合材料對整車輕量化的重要意義,因此已經(jīng)開展碳纖維復(fù)合材料方面的研究,如上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心與同濟(jì)大學(xué)開展合作,對碳纖維復(fù)合材料在車身外覆蓋件上應(yīng)用的可行性進(jìn)行一定研究。3關(guān)于該產(chǎn)品中碳涂層的研究3.1碳纖維復(fù)合材料夾層發(fā)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計以某款產(chǎn)品的碳纖維發(fā)動機(jī)罩蓋的應(yīng)用研究為例,開展了復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的設(shè)計、仿真、樣件試制與試驗(yàn)等應(yīng)用研究工作,從而實(shí)現(xiàn)整車的輕量化,提高汽車的整體性能。鋼制發(fā)動機(jī)罩蓋的結(jié)構(gòu)通常是由外板、內(nèi)板以及各加強(qiáng)件構(gòu)成。使用碳纖維復(fù)合材料,發(fā)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以考慮取消內(nèi)板,而采用三明治夾層(Sandwich)結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的截面圖如圖3所示。該結(jié)構(gòu)由上下兩層高強(qiáng)度的碳纖維組成外層,中間填充較低剛度及強(qiáng)度的低密度泡沫材料,其中碳纖維層可以根據(jù)不同的性能目標(biāo)采用多層多角度鋪層。碳纖維復(fù)合材料Sandwich結(jié)構(gòu)可提供高強(qiáng)度、低質(zhì)量,以及成本少的材料投入。3.2發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真碳纖維發(fā)動機(jī)罩蓋的設(shè)計是在鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行的嘗試,首先保證發(fā)動機(jī)罩蓋的造型A曲面、密封面、鎖扣安裝點(diǎn)及鉸鏈安裝點(diǎn)等設(shè)計硬點(diǎn)不變,其次以鋼質(zhì)發(fā)動機(jī)罩的剛度、模態(tài)及行人保護(hù)等性能指標(biāo)作為碳纖維發(fā)動機(jī)罩蓋設(shè)計的性能指標(biāo),從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計。選定碳纖維及其夾層結(jié)構(gòu)作為發(fā)動機(jī)罩蓋主要材料后,首先對碳纖維板進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,以確定發(fā)動機(jī)罩的基本結(jié)構(gòu),其優(yōu)化目標(biāo)為碳板各區(qū)域的厚度變化,見表1。以表1中各指標(biāo)作為輸入,碳纖維板的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化云圖的結(jié)果表明,發(fā)動機(jī)罩的四周需要加厚,因此可在碳纖維板的四周適當(dāng)選用三明治夾層結(jié)構(gòu)以增加剛度,而中間則可以適當(dāng)減小厚度,并以此來指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,建立多種結(jié)構(gòu)模型;然后建立碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的有限元模型,進(jìn)行靜載和動載工況的仿真,包括扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、模態(tài)和行人保護(hù)頭部碰撞等,各方案各工況的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,并綜合性能、成本、工藝及輕量化效果等因素,選擇合理的設(shè)計方案。最終的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)如表2所示,該設(shè)計方案去掉了傳統(tǒng)鋼制件的內(nèi)板,將內(nèi)外板合成一體,并且為提高剛度,采用了三明治泡沫夾層結(jié)構(gòu)。其中,在發(fā)動機(jī)罩的四周區(qū)域使用5mm厚的泡沫用以提高整體剛度;中間區(qū)域采用了3mm厚的泡沫用以提高抗凹性;四周區(qū)域也為提高扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度而增加復(fù)合材料的鋪層。由表2中性能仿真結(jié)果可知,扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和模態(tài)均符合性能要求;行人保護(hù)頭部碰撞方面,關(guān)鍵碰撞點(diǎn)的HIC仿真值,尤其是靠近鉸鏈處的點(diǎn),均在1700以下,符合行人保護(hù)法規(guī)要求。3.3膠粘厚度設(shè)計根據(jù)設(shè)計方案試制碳纖維復(fù)合材料的發(fā)動機(jī)罩蓋樣件。其碳纖維發(fā)蓋采用RTM工藝;對強(qiáng)度要求較高的鉸鏈及鎖扣安裝區(qū)域采用金屬鑲件預(yù)埋方案;對強(qiáng)度要求較低的緩沖塊匹配區(qū)域直接采用膠粘方案。試制實(shí)物樣件如下圖5、6所示,其樣件質(zhì)量僅3.4kg左右,與原鋼制件7.8kg相比減重4.4kg,輕量化效果達(dá)56%,減重效果明顯?？紤]到碳纖維的外觀紋理效果,車身外覆蓋件表面可以采用3K/12K規(guī)格碳纖維,而結(jié)構(gòu)層可以采用12K/24K或48K規(guī)格碳纖維來降低物料成本。當(dāng)然,總體上碳纖維材料價格仍較貴,碳纖維車身部件的大規(guī)模量產(chǎn)尚有待時日,因此也可考慮使用玻璃纖維或碳纖玻纖混合使用,以降低成本。5國外碳纖維原料的生產(chǎn)存在的問題由于碳纖維具有良好的物理特性及機(jī)械性能:質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、設(shè)計自由度大、一體化制造、耐沖擊性及腐蝕性等,所以碳纖維的應(yīng)用是目前汽車行業(yè)輕量化的重點(diǎn)研究方向之一。但是目前碳纖維復(fù)合材料的推廣應(yīng)用也存在一定的困難:首先是碳纖維原材料成本較高,大部分的原絲生產(chǎn)都集中在有限的幾個供應(yīng)商;其次碳纖維制品的生產(chǎn)制造技術(shù)具有一定局限性,缺乏快速/大批量連接技術(shù),生產(chǎn)周期較長,目前還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn);