基于汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术及设计

 

　　1 碳纤维复合材料概况

 

　　碳纤维复合材料是一种高强度、轻质、耐腐蚀、耐磨损的材料，广泛应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。碳纤维复合材料由碳纤维和基体材料构成，常用的基体材料包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等。其主要特点如下：

 

　　（1）轻质高强，碳纤维复合材料的密度约为铝的1/4，强度却比铝高5倍以上；耐腐蚀，碳纤维本身具有不易腐蚀的性质，且经过表面处理后能够更好地抵御化学腐蚀；

 

　　（2）抗疲劳，碳纤维复合材料具有极佳的抗疲劳性能，因此适合用于高应力、高强度的应用场合；

 

　　（3）导电性好，碳纤维本身是导电的，因此碳纤维复合材料也具有优良的导电性能；

 

　　（4）成型性好，碳纤维复合材料可以通过多种成型工艺进行制备，如手工层叠、自动化纺织、预浸料等，且成型后能够保持较好的尺寸精度。碳纤维复合材料与其他常见材料性能对比如下（见表1）。

 

　　

 

　　通过表1对比可知，碳纤维复合材料具有较高的比强度和抗拉强度，可取代铝合金等材料作为汽车结构制造的主要材料，有利于减轻汽车质量与重量。碳纤维复合材料的制备工艺主要包括以下步骤。

 

　　第一，原材料准备。碳纤维复合材料的主要原材料是碳纤维和树脂。碳纤维是由聚丙烯腈等高分子材料经过拉伸、碳化等工艺制成的纤维，树脂通常使用环氧树脂、酚醛树脂等。第二，碳纤维预处理。碳纤维预处理是为了提高碳纤维与树脂之间的黏着强度。通常先将碳纤维进行表面处理，包括氧化、电解、喷砂等方法，然后进行涂覆处理，如涂覆表面活性剂、树脂胶等。第三，布料制备。将预处理后的碳纤维按照一定的规格和比例排列成布料。布料的排列方式决定了复合材料的力学性能和外观。第四，树脂浸渍。将布料放入浸渍槽中，用树脂浸泡几分钟，使布料充分浸渍。然后将浸渍后的布料在压力机中进行压缩，使树脂与碳纤维充分接触，排出空气和水分。第五，固化。将浸渍后的布料放入烤箱中进行固化。树脂在烤箱中加热硬化，形成固体结构，同时与碳纤维形成化学键，使复合材料具有高强度和刚性。最后，后处理。复合材料制备完成后，需要进行后处理，包括修整、钻孔、打磨、涂漆等，以使复合材料的外观和尺寸符合要求。

 

　　2 碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用

 

　　汽车轻量化是指通过采用轻量化材料，如碳纤维复合材料来降低汽车的自重，提高燃油经济性和环保性能。

 

　　（1）将碳纤维复合材料应用于车身结构件中。碳纤维复合材料可以用于制造车身结构件，如车顶、车门、车尾等。这些部件的轻量化可以有效减轻汽车的自重，提高燃油经济性。

 

　　（2）将碳纤维复合材料应用于刹车系统中。碳纤维复合材料具有优良的耐高温性能和抗磨性能，因此适合用于制造刹车系统零部件，如刹车盘、刹车片等。

 

　　（3）将碳纤维复合材料应用于底盘悬挂系统中。碳纤维复合材料可以用于制造底盘悬挂系统的弹簧、减震器等零部件，能够有效减轻汽车的重量，提高悬挂系统的响应速度和操控性能。

 

　　（4）将碳纤维复合材料应用于内饰中。碳纤维复合材料可以用于制造汽车内饰件，如仪表板、门板、中控台等，其具有优良的表面质感和耐磨性能，能够提高汽车的豪华感和品质感。

 

　　3 基于汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术

 

　　3.1 材料——结构——性能一体化设计技术

 

　　传统汽车用钢板是卷钢板通过多道工序进行冲压零件加工，如切料、下料、冲压等，然后再采用焊接等方法把片状冲压零部件进行连接成整体的结构。但在碳纤维复合材料中，材料、结构是在同一时间内形成的，并不会再经过复合材料加工成为复合材料构件，制造工艺对于其构件的尺寸、形状的约束较小。若单纯采用传统的加工思想、设计方法，无法发挥碳纤维复合材料的潜力。站在材质、性能、构造的整体层次上，可以大力发展材料——结构——性能的统一设计技术，其既能够在一定程度上减少零件数量，又对装配工艺制造工艺过程进行简化，还能充分发挥材料性能，这也是未来复合材料汽车零部件发展的一个重要方向。有专家利用二维编织复合材料结构设计出了整体式电动汽车的车身构造，其尺度为从细小到宏大的碳纤维编织复合材料车身有限元模拟（见图1），这种构造和原玻璃纤维复合材料结构比可以实现汽车28%左右的减重，同时可以显著增强汽车侧面压溃、撞击时的耐撞性。在碳纤维复合材料的结构设计和生产过程中，应充分发挥碳纤维材料的轻量化、高强度、吸振性能高、加工性能优良等优异的特性，进行碳纤维复合汽车零件的材料——结构——功能一体化生产。

 

　　

　　3.2 热压成型技术

 

　　常见的热压罐成型方法存在能耗大、周期长等缺点，难以满足汽车高效率、大规模的制造生产需求。热压成型技术弥补了热压罐成型的缺陷，具有效率高、成本低、易于实现自动化等优势，可以帮助复合材料更好地应用于汽车领域。热压成型工艺是在一定的温度与压力下，树脂基体发生熔融流动，重新浸渍纤维，从而制备一定形状的复合材料零件（见图2）[5]。热压成型过程中，因成品造型较复杂、布料的刚度低等特性，会导致纤维的扭曲，成品容易出现套扣、起皱等问题，严重影响成品的力学性能，所以可以适当使用传统金属板料成形装置，在较短成形周期内实现自动化生产，从而改善其较短成形周期内存在的缺陷。

 

　　

 

　　3.3 回收技术

 

　　碳纤维复合材料的回收技术是指通过一系列工艺流程将废旧碳纤维复合材料进行再利用，以减少资源浪费和环境污染[6]。碳纤维复合材料的回收技术可以分为物理回收和化学回收两种。其中，物理回收是指通过机械力、热力等方式将碳纤维复合材料进行分离和再利用。常见的物理回收方法包括研磨、剪切、热解等。研磨可以将碳纤维复合材料研磨成细小颗粒后进行再加工；剪切可以将碳纤维复合材料切割成小块，再进行加工或再生；热解可以通过高温处理将复合材料中的树脂分解，再进行碳纤维的回收利用。化学回收是指通过化学反应将碳纤维复合材料中的树脂分解，并将碳纤维进行回收利用。常见的化学回收方法包括溶剂回收、酸碱回收和水解回收等。其中，溶剂回收是指使用溶剂将树脂溶解，再将碳纤维进行分离和回收；酸碱回收是指使用酸或碱将树脂进行分解，再将碳纤维进行回收利用；水解回收是指使用水将树脂进行分解，并将碳纤维进行回收利用。无论是物理回收还是化学回收，都需要考虑回收效率和回收后碳纤维的性能损失问题。因此，碳纤维复合材料的回收技术还需要进行进一步的研究和优化，以实现更高效、更经济、更环保的回收利用。

 

　　4 基于汽车轻量化应用的碳纤维复合材料设计

 

　　将碳纤维复合材料应用于汽车制造中，利用结构设计与铺层优化改善刚度和模态频率，可以达到汽车减重的目的。文章以汽车车门为例，对其车门结构件轻量化进行设计研究。

 

　　（1）车门有限元模型构建。利用有限元分析软件建立包含Ply+Stack的汽车车门有限元模型，借助Ply+Stack方式完成碳纤维复合材料铺层定义，便于观察铺层结构。

 

　　（2）车门模态分析。为最大限度地减少模态之间存在的耦合现象，防止汽车出现共振情况，仅对汽车局部模态频率进行研究。碳纤维复合材料汽车车门模态分析结果如下（见表2）。

 

　　

 

　　（3）车门刚度分析。汽车车门的刚度足够大，可有效避免车门出现变形现象，提升车门的密封性。因此，对汽车车门下弯、扭转和汽车内外板刚度进行分析，利用对比分析的方式实现参考数值与车门刚度之间的比较。车门刚度分析结果统计如下（见表3）。

 

　　

 

　　结果显示，该车门各种类型刚度均大于参考值，具有较强刚度特性。结合碳纤维复合材料的优势对汽车车门进行轻量化设计，可达到汽车车门的减重目的，实现汽车轻量化效果。

 

　　5 结束语

 

　　碳纤维复合材料被广泛应用于航空、机械、汽车等多个领域，在满足汽车装配和性能的要求下，利用铺层、尺寸等结构优化设计的方法，可以在最大程度上减轻汽车的整体重量，提升汽车的性能。通过利用有限元分析软件建立模型实现碳纤维复合材料可视化定义，利用轻量化技术将汽车车门、车身等部位的内外板上集成部分零件，简化汽车结构特性等，可以有效减轻汽车的重量，实现汽车轻量化效果。综合分析可知，碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用前景十分广阔，随着技术的不断提升和生产成本的逐步降低，碳纤维复合材料在未来汽车制造中将会发挥更加关键的作用。