碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用

碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用

0提高整车质量的研究轻量化概念的介绍，特别是将建筑材料应用于车辆的车身框架，以降低车辆的重量，并对轻量化材料的进一步研究和应用非常必要。可以预见,一旦这些研究取得突破性进展,汽车产业必然得到迅速发展。1汽车轻量化材料的研究进展自20世纪80年代以来,国外的企业和研究机构已经在使用各种性能优异、轻质高强的复合材料来实现汽车轻量化方面取得了显著成果。因碳纤维复合材料具有优良的物理和机械性能,目前是国内外汽车行业在新型轻质材料运用的重点研究方向之一。下面就碳纤维复合材料部件的特点做介绍。1.1碳纤维复合材料能够减少沙对于沙汽车上常用的碳纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0g/cm3,只有普通碳钢的1/4~1/5,比铝合金还要轻1/3左右,但碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料,其抗拉强度高于钢材3~4倍,刚度高于钢材2~3倍,耐疲劳性高于钢材2倍,重量比钢材轻3~4倍,热膨胀系数小4~5倍。若按比强度计算,碳纤维复合材料大大超过碳钢,而且可超过某些特殊的合金钢,因此具有更高的比强度。使用碳纤维材料,在减轻车身质量的同时,也可使功率需求更小,进而采用更小的驱动引擎和悬挂装置,通过减少动能而减少冲击危险,这种螺旋式的结果将使车身质量进一步减轻。因此用碳纤维材料件替换原来的钢制件,其轻量化效果明显。1.2碳纤维在一体化设备中的应用碳纤维复合材料的可设计性非常强,可以根据不同的用途要求,灵活地进行产品设计。根据产品结构受力情况,通过调整纤维的结构及排列制成各向异性和不同厚度的制品,并且可以应用夹层结构,提高部件整体刚性,以达到最佳轻量化设计方案。将碳纤维按照受力方向进行排布,可充分发挥复合材料强度的各项异性从而达到节约材料和减轻重量的目的。而金属材料由于其各向同性,会出现在满足最大受力方向的技术要求之后,另一方向的强度就会过剩的问题。对于有耐腐蚀性能要求的产品,设计时可选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料,而对于其他一些性能要求,如介电性能、耐热性能等,都可通过选择合适的原材料来满足。此外,为使产品成本达到可接受的程度,可适当选用低成本材料替换,如不同纤维混合铺层,在满足部件性能指标的同时节省材料成本。1.3材料的流动性汽车从节能角度考虑应当设计成空气阻力最小的外形,同时兼顾其美观性。钢制薄板在冲压成型时由于工艺原因导致外形及结构往往受到限制,而使用复合材料在成型时利用它的流动性,比较易于制成各种形状的曲面,达到一体化成型效果,更容易满足空气动力学设计的要求以及美观方面的需要。模块化、整体化也是汽车结构的一种发展趋势,碳纤维复合材料通过合理的模具设计,可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一体成型。因此,复合材料适合于制造钢制薄板难于制造、生产效率低、难于保证精度的汽车零件。如莲花跑车以整车使用碳纤维材质为目标,将车身零部件轻量化、一体化,不仅减轻了车身重量,并且使得部件的刚度、强度大大增加,提高了整车性能。1.4吸收能量和冲击能量碳纤维复合材料表现的耐冲击性也良好,以聚合物为基体的碳纤维复合材料具有一定的粘弹性力学性能,可以吸收一定的冲击能量。此外,基体材料和纤维界面上存在微裂纹和局部脱粘现象,碳纤维和基体之间有微小的局部相对运动,同时存在着摩擦力。由于粘弹性和界面摩擦力的作用,使得振动衰减系数大,因此在车辆受冲击时能够吸收大量的冲击能量,有利于提高人身安全。1.5碳纤维复合材料制品汽车上的许多零部件,都要承受机油、汽油、汽车传动液等化学制剂的腐蚀,以及高温、严寒、盐雾等恶劣环境,传统金属材料难以保证不同环境下的质量一致性及使用寿命。但碳纤维复合材料制品一般不存在生锈和腐蚀问题。聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能,也能耐碱、盐和有机溶剂。因此,它是一种优良的耐腐蚀材料,用其制造的汽车零部件具有较长的使用寿命和极低的维修费用。2碳纤维复合材料在汽车产品中的应用由于碳纤维复合材料具有质轻高强、可设计性好、零部件一体化、耐冲击、耐腐蚀等优点,因此碳纤维复合材料在汽车行业内具有较明显的应用优势,目前国内外汽车及零部件厂商都在积极的进行研究应用。2.1国外碳修复材料的应用性2.1.1碳纤维复合材料将成为企业的主要动力来源美国在本世纪初率先制定“2002~2011年汽车轻量化、节能化和环保化计划”,由此带动欧亚各大汽车生产国及厂家纷纷效仿并制定出相应的发展规划。预计2013~2015年,其主要汽车厂家、碳纤维厂家和有关动力电池生产厂家所联手共同开发的碳纤维复合材料混合动力及电动汽车将陆续小批量投产。美国通用汽车公司早在1992年就开发了超轻概念车,该车车身采用碳纤维复合材料,整体车身的质量为191kg。2008年福特汽车公司为燃料电池汽车开发出一款碳纤维复合材料行李箱盖(如图1所示),这不仅降低了整车质量,并且将碳纤维材料在车身外覆盖件上的应用可行性又推进一步,成为该车亮点。2.1.2cfrp汽车随着模块化、整体化成为汽车结构的一种发展趋势,奔驰公司试图打造全碳车身(如图2所示),并尝试将碳纤维材料作为结构件,首先在SLRMcLaren上得到了应用。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维经过编织而成,虽然结构依旧无比坚硬,但是它能够在正面碰撞时破碎成无数细小的碎片,来吸收大量的能量,并且碎片不会对人造成伤害,这一点非常类似于汽车钢化玻璃的破碎原理。欧盟开发新能源汽车是知名汽车厂商与日本三大碳纤维厂家及一家德国大丝束碳纤维厂家合作开发全CFRP汽车。西格里集团和三菱丽阳公司组建一个独立的合资企业,合资企业将生产聚丙烯睛(PAN),该合资企业将为汽车行业供应生产特种碳纤维用的前驱体。日本新能源、产业技术综合开发机构(NEDO)在其“防止地球变暖的新技术开发计划”中,选择东丽和日产汽车共同研发CFRP汽车,目标是使车体比应用钢材时减重50%,反映安全性的抗冲击吸收性能提高1.5倍,而CFRP车体成型周期为10min以内。为配合汽车行业日益增多的各种碳纤维需求,东丽专门开发了面向汽车的短切碳纤维树脂粒料,而东邦也开发了燃料电池用碳纤维织物的扩散层。2.2汽车用复合材料目前国内在碳纤维复合材料的基础研究及实际应用上总体上落后于国外。大部分的碳纤维原丝及织物都依赖于进口,大部分的实物生产应用都是在体育用品方面,汽车行业上的应用案例基本上为空白,大部分汽车厂商都未与CFRP企业同步联手研发复合材料的零部件。但是国内的汽车厂商及研究机构已经意识到碳纤维复合材料对整车轻量化的重要意义,因此已经开展碳纤维复合材料方面的研究,如上汽集团股份有限公司技术中心与同济大学开展合作,对碳纤维复合材料在车身外覆盖件上应用的可行性进行一定研究。3关于该产品中碳涂层的研究3.1碳纤维复合材料夹层发盖结构设计以某款产品的碳纤维发动机罩盖的应用研究为例,开展了复合材料发动机罩的设计、仿真、样件试制与试验等应用研究工作,从而实现整车的轻量化,提高汽车的整体性能。钢制发动机罩盖的结构通常是由外板、内板以及各加强件构成。使用碳纤维复合材料,发盖结构设计中可以考虑取消内板,而采用三明治夹层(Sandwich)结构。碳纤维复合材料夹层结构的截面图如图3所示。该结构由上下两层高强度的碳纤维组成外层,中间填充较低刚度及强度的低密度泡沫材料,其中碳纤维层可以根据不同的性能目标采用多层多角度铺层。碳纤维复合材料Sandwich结构可提供高强度、低质量,以及成本少的材料投入。3.2发动机罩的结构优化及仿真碳纤维发动机罩盖的设计是在钢质结构基础上进行的尝试,首先保证发动机罩盖的造型A曲面、密封面、锁扣安装点及铰链安装点等设计硬点不变,其次以钢质发动机罩的刚度、模态及行人保护等性能指标作为碳纤维发动机罩盖设计的性能指标,从而进行结构拓扑优化和结构设计。选定碳纤维及其夹层结构作为发动机罩盖主要材料后,首先对碳纤维板进行结构拓扑优化,以确定发动机罩的基本结构,其优化目标为碳板各区域的厚度变化,见表1。以表1中各指标作为输入,碳纤维板的拓扑优化结果如图4。根据拓扑优化云图的结果表明,发动机罩的四周需要加厚,因此可在碳纤维板的四周适当选用三明治夹层结构以增加刚度,而中间则可以适当减小厚度,并以此来指导后续的结构设计,建立多种结构模型;然后建立碳纤维复合材料发动机罩的有限元模型,进行静载和动载工况的仿真,包括扭转刚度、弯曲刚度、模态和行人保护头部碰撞等,各方案各工况的仿真结果进行对比分析,并综合性能、成本、工艺及轻量化效果等因素,选择合理的设计方案。最终的设计方案结构如表2所示,该设计方案去掉了传统钢制件的内板,将内外板合成一体,并且为提高刚度,采用了三明治泡沫夹层结构。其中,在发动机罩的四周区域使用5mm厚的泡沫用以提高整体刚度;中间区域采用了3mm厚的泡沫用以提高抗凹性;四周区域也为提高扭转及弯曲刚度而增加复合材料的铺层。由表2中性能仿真结果可知,扭转刚度、弯曲刚度和模态均符合性能要求;行人保护头部碰撞方面,关键碰撞点的HIC仿真值,尤其是靠近铰链处的点,均在1700以下,符合行人保护法规要求。3.3胶粘厚度设计根据设计方案试制碳纤维复合材料的发动机罩盖样件。其碳纤维发盖采用RTM工艺;对强度要求较高的铰链及锁扣安装区域采用金属镶件预埋方案;对强度要求较低的缓冲块匹配区域直接采用胶粘方案。试制实物样件如下图5、6所示,其样件质量仅3.4kg左右,与原钢制件7.8kg相比减重4.4kg,轻量化效果达56%,减重效果明显。考虑到碳纤维的外观纹理效果,车身外覆盖件表面可以采用3K/12K规格碳纤维,而结构层可以采用12K/24K或48K规格碳纤维来降低物料成本。当然,总体上碳纤维材料价格仍较贵,碳纤维车身部件的大规模量产尚有待时日,因此也可考虑使用玻璃纤维或碳纤玻纤混合使用,以降低成本。5国外碳纤维原料的生产存在的问题由于碳纤维具有良好的物理特性及机械性能:质量轻、强度高、设计自由度大、一体化制造、耐冲击性及腐蚀性等,所以碳纤维的应用是目前汽车行业轻量化的重点研究方向之一。但是目前碳纤维复合材料的推广应用也存在一定的困难:首先是碳纤维原材料成本较高,大部分的原丝生产都集中在有限的几个供应商;其次碳纤维制品的生产制造技术具有一定局限性,缺乏快速/大批量连接技术,生产周期较长,目前还难以实现大规模生产;