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碳纖維材料在汽車輕量化中到底有什么作用?

信息來源:蓋世汽車資訊       發布日期:2017-12-18       分享到:

碳纖維增強復合材料( Carbon FiberReinforced Polymer,CFRP) 是作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成,早期的碳纖維復合材料主要用于軍事領域。

隨著材料性能、成型工藝的提高及價格成本的下降,碳纖維復合材料被越來越多的應用到一般工業和體育休閑等領域。在全球節能和環保趨勢的推動下,汽車的油耗問題越來越引起重視,輕量化設計成為汽車節能減排的有效途徑,而碳纖維復合材料的材料性能及發展趨勢正順應了汽車工業的發展需求。

碳纖維復合材料比鋼鐵輕50%,比鋁材輕30%,減重效果明顯,因此不少汽車廠家在汽車制造和改裝過程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應用碳纖維復合材料。隨著新能源汽車的發展,碳纖維復合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應用。



碳纖維復合材料部件的特點

1

質量輕強度高

汽車上常用的碳纖維增強樹脂基復合材料的密度為1.5~2.0g/cm3,只有普通碳鋼1/4~1/5,比鋁合金還要輕1/3 左右,而且碳纖維復合材料的機械性能優于金屬材料,其抗拉強度高于鋼材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,熱膨脹系數小4~5倍。

若按比強度計算,碳纖維復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度。使用碳纖維材料,在減輕車身質量的同時,也可使功率需求更小,進而采用更小的驅動引擎和懸掛裝置,通過減少動能而減少沖擊危險,這種螺旋式的結果將使車身質量進一步減輕。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。

2

可設計性好

碳纖維復合材料的可設計性非常強,可以根據不同的用途要求,靈活地進行產品設計。根據產品結構受力情況,通過調整纖維的結構及排列制成各向異性和不同厚度的制品,并且可以應用夾層結構,提高部件整體剛性,以達到最佳輕量化設計方案。

將碳纖維按照受力方向進行排布,可充分發揮復合材料強度的各項異性從而達到節約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于其各向同性,會出現在滿足最大受力方向的技術要求之后,另一方向的強度就會過剩的問題。

對于有耐腐蝕性能要求的產品,設計時可選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強材料,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,為使產品成本達到可接受的程度,可適當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的同時節省材料成本。

3

零部件一體化

汽車從節能角度考慮應當設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導致外形及結構往往受到限制,而使用復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,達到一體化成型效果,更容易滿足空氣動力學設計的要求以及美觀方面的需要。

模塊化、整體化也是汽車結構的一種發展趨勢,碳纖維復合材料通過合理的模具設計,可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型。因此,復合材料適合于制造鋼制薄板難于制造、生產效率低、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為目標,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、強度大大增加,提高了整車性能。

4

耐沖擊性

碳纖維復合材料表現的耐沖擊性也良好,以聚合物為基體的碳纖維復合材料具有一定的粘彈性力學性能,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象,碳纖維和基體之間有微小的局部相對運動,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。

5

耐腐蝕性能好

汽車上的許多零部件,都要承受機油、汽油、汽車傳動液等化學制劑的腐蝕,以及高溫、嚴寒、鹽霧等惡劣環境,傳統金屬材料難以保證不同環境下的質量一致性及使用壽命。

但碳纖維復合材料制品一般不存在生銹和腐蝕問題。聚合物基復合材料具有優異的耐酸性能、耐海水性能,也能耐堿、鹽和有機溶劑。因此,它是一種優良的耐腐蝕材料,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用。

6

碳纖維/熱塑性復合材料

碳纖維增強樹脂復合材料所用的基體樹脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹脂, 另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應性低分子量預聚體或帶有活性基團高分子量聚合物組成;成型過程中, 在固化劑或熱作用下進行交聯、縮聚, 形成不熔不溶的交聯體型結構。在復合材料中常采用的有環氧樹脂、雙馬來酰酞亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。

熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強樹脂基復合材料中, 碳纖維起到增強作用, 而樹脂基體則使復合材料成型為承載外力的整體, 并通過界面傳遞載荷于碳纖維, 因此它對碳纖維復合材料的技術性能、成型工藝以及產品價格等都有直接的影響,碳纖維的復合方式也會對復合材料的性能產生影響。

7

碳纖維增強尼龍6復合材料

短切碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料(SCFRTP)是工程材料中一個重要的組成部分。這類復合材料通常具有較好的機械性能、良好的經濟效益并且可以通過熱壓成型、擠出成型或注塑成型的方法制造出各種形狀的產品。尼龍6是一種具有較廣的應用領域的熱塑性樹脂材料,而填料增強改性是提升尼龍6復合材料性能較為常用且有效的改性方法。

碳纖維增強尼龍6復合材料(PA6/CF)的研究,在近年來受到了大量的關注。PA6/CF復合材料的性能受到許多因素的影響:加工方法與工藝,復合材料中碳纖維的含量與長度,碳纖維的分散性及取向,碳纖維與PA6界面結構及尼龍6與碳纖維本身的特性等。

然而,熱塑性復合材料的機械性能主要取決于聚合物基體的微觀結構與纖維與基體的界面性能,因而對比分析復合材料的微觀結構與宏觀性能顯得尤為重要。

此外,PA6作為半結晶聚合物復合材料,PA6/CF的機械性能依賴于PA6基體的結晶結構與形貌,結晶結構與形貌則取決于復合材料的加工工藝將PA6/CF復合材料的微觀形貌和結構與宏觀性能系統的聯系起來的研究還鮮有報道。

8

碳纖維增強聚丙烯復合材料

碳纖維能夠使聚丙烯的彈性模量有所提升,但降低了材料的拉伸強度、沖擊強度及斷裂伸長率。碳纖維對聚丙烯有一定的異相成核作用,提升了聚丙烯基體的非等溫結晶峰溫度與結品度,并且促進PP基體中形成了β晶型。等溫結晶過程中聚丙烯易于在碳纖維斷面端部成核結晶。

EPDM-g-MAH 與SEBS-g-MAH在PP基體中的分散性較好,使PP的沖擊強度與斷裂伸長率有明顯的提升,加入EPDM-g-MAH與SEBS-g-MAH的PP/CF復合材料具存較高的沖擊強度與彈性模量。

PP/CF復合材料中增韌劑的加入導致了基體聚丙烯的成核能力的降低與結晶生長速率減慢。増韌劑并未改變PP/CF復合材料的結晶晶型,加入增韌劑的PP/CF復介材料中碳纖維的成核作用變得明顯,使復合材料中的球晶主要生長在碳纖維附近。

我國應加快對碳纖維的研發,力爭在設備、技術上得到實質性的突破,并提高性能,降低成本,以使我國碳纖維工業得到跨越式的發展;同時,也能推動汽車及其相關行業的快速發展。


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