1 碳纖維復(fù)合材料概況

 

　　碳纖維復(fù)合材料是一種高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐磨損的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、運動器材等領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和基體材料構(gòu)成，常用的基體材料包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等。其主要特點如下：

 

　　（1）輕質(zhì)高強，碳纖維復(fù)合材料的密度約為鋁的1/4，強度卻比鋁高5倍以上；耐腐蝕，碳纖維本身具有不易腐蝕的性質(zhì)，且經(jīng)過表面處理后能夠更好地抵御化學(xué)腐蝕；

 

　　（2）抗疲勞，碳纖維復(fù)合材料具有極佳的抗疲勞性能，因此適合用于高應(yīng)力、高強度的應(yīng)用場合；

 

　?。?）導(dǎo)電性好，碳纖維本身是導(dǎo)電的，因此碳纖維復(fù)合材料也具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能；

 

　?。?）成型性好，碳纖維復(fù)合材料可以通過多種成型工藝進行制備，如手工層疊、自動化紡織、預(yù)浸料等，且成型后能夠保持較好的尺寸精度。碳纖維復(fù)合材料與其他常見材料性能對比如下（見表1）。

 

　　

 

　　通過表1對比可知，碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強度和抗拉強度，可取代鋁合金等材料作為汽車結(jié)構(gòu)制造的主要材料，有利于減輕汽車質(zhì)量與重量。碳纖維復(fù)合材料的制備工藝主要包括以下步驟。

 

　　第一，原材料準(zhǔn)備。碳纖維復(fù)合材料的主要原材料是碳纖維和樹脂。碳纖維是由聚丙烯腈等高分子材料經(jīng)過拉伸、碳化等工藝制成的纖維，樹脂通常使用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。第二，碳纖維預(yù)處理。碳纖維預(yù)處理是為了提高碳纖維與樹脂之間的黏著強度。通常先將碳纖維進行表面處理，包括氧化、電解、噴砂等方法，然后進行涂覆處理，如涂覆表面活性劑、樹脂膠等。第三，布料制備。將預(yù)處理后的碳纖維按照一定的規(guī)格和比例排列成布料。布料的排列方式?jīng)Q定了復(fù)合材料的力學(xué)性能和外觀。第四，樹脂浸漬。將布料放入浸漬槽中，用樹脂浸泡幾分鐘，使布料充分浸漬。然后將浸漬后的布料在壓力機中進行壓縮，使樹脂與碳纖維充分接觸，排出空氣和水分。第五，固化。將浸漬后的布料放入烤箱中進行固化。樹脂在烤箱中加熱硬化，形成固體結(jié)構(gòu)，同時與碳纖維形成化學(xué)鍵，使復(fù)合材料具有高強度和剛性。最后，后處理。復(fù)合材料制備完成后，需要進行后處理，包括修整、鉆孔、打磨、涂漆等，以使復(fù)合材料的外觀和尺寸符合要求。

 

　　2 碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

 

　　汽車輕量化是指通過采用輕量化材料，如碳纖維復(fù)合材料來降低汽車的自重，提高燃油經(jīng)濟性和環(huán)保性能。

 

　　（1）將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件中。碳纖維復(fù)合材料可以用于制造車身結(jié)構(gòu)件，如車頂、車門、車尾等。這些部件的輕量化可以有效減輕汽車的自重，提高燃油經(jīng)濟性。

 

　　（2）將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于剎車系統(tǒng)中。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐高溫性能和抗磨性能，因此適合用于制造剎車系統(tǒng)零部件，如剎車盤、剎車片等。

 

　?。?）將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于底盤懸掛系統(tǒng)中。碳纖維復(fù)合材料可以用于制造底盤懸掛系統(tǒng)的彈簧、減震器等零部件，能夠有效減輕汽車的重量，提高懸掛系統(tǒng)的響應(yīng)速度和操控性能。

 

　　（4）將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于內(nèi)飾中。碳纖維復(fù)合材料可以用于制造汽車內(nèi)飾件，如儀表板、門板、中控臺等，其具有優(yōu)良的表面質(zhì)感和耐磨性能，能夠提高汽車的豪華感和品質(zhì)感。

 

　　3 基于汽車輕量化應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)

 

　　3.1 材料——結(jié)構(gòu)——性能一體化設(shè)計技術(shù)

 

　　傳統(tǒng)汽車用鋼板是卷鋼板通過多道工序進行沖壓零件加工，如切料、下料、沖壓等，然后再采用焊接等方法把片狀沖壓零部件進行連接成整體的結(jié)構(gòu)。但在碳纖維復(fù)合材料中，材料、結(jié)構(gòu)是在同一時間內(nèi)形成的，并不會再經(jīng)過復(fù)合材料加工成為復(fù)合材料構(gòu)件，制造工藝對于其構(gòu)件的尺寸、形狀的約束較小。若單純采用傳統(tǒng)的加工思想、設(shè)計方法，無法發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的潛力。站在材質(zhì)、性能、構(gòu)造的整體層次上，可以大力發(fā)展材料——結(jié)構(gòu)——性能的統(tǒng)一設(shè)計技術(shù)，其既能夠在一定程度上減少零件數(shù)量，又對裝配工藝制造工藝過程進行簡化，還能充分發(fā)揮材料性能，這也是未來復(fù)合材料汽車零部件發(fā)展的一個重要方向。有專家利用二維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計出了整體式電動汽車的車身構(gòu)造，其尺度為從細(xì)小到宏大的碳纖維編織復(fù)合材料車身有限元模擬（見圖1），這種構(gòu)造和原玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比可以實現(xiàn)汽車28%左右的減重，同時可以顯著增強汽車側(cè)面壓潰、撞擊時的耐撞性。在碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分發(fā)揮碳纖維材料的輕量化、高強度、吸振性能高、加工性能優(yōu)良等優(yōu)異的特性，進行碳纖維復(fù)合汽車零件的材料——結(jié)構(gòu)——功能一體化生產(chǎn)。

 

　　

　　3.2 熱壓成型技術(shù)

 

　　常見的熱壓罐成型方法存在能耗大、周期長等缺點，難以滿足汽車高效率、大規(guī)模的制造生產(chǎn)需求。熱壓成型技術(shù)彌補了熱壓罐成型的缺陷，具有效率高、成本低、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，可以幫助復(fù)合材料更好地應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。熱壓成型工藝是在一定的溫度與壓力下，樹脂基體發(fā)生熔融流動，重新浸漬纖維，從而制備一定形狀的復(fù)合材料零件（見圖2）[5]。熱壓成型過程中，因成品造型較復(fù)雜、布料的剛度低等特性，會導(dǎo)致纖維的扭曲，成品容易出現(xiàn)套扣、起皺等問題，嚴(yán)重影響成品的力學(xué)性能，所以可以適當(dāng)使用傳統(tǒng)金屬板料成形裝置，在較短成形周期內(nèi)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，從而改善其較短成形周期內(nèi)存在的缺陷。

 

　　

 

　　3.3 回收技術(shù)

 

　　碳纖維復(fù)合材料的回收技術(shù)是指通過一系列工藝流程將廢舊碳纖維復(fù)合材料進行再利用，以減少資源浪費和環(huán)境污染[6]。碳纖維復(fù)合材料的回收技術(shù)可以分為物理回收和化學(xué)回收兩種。其中，物理回收是指通過機械力、熱力等方式將碳纖維復(fù)合材料進行分離和再利用。常見的物理回收方法包括研磨、剪切、熱解等。研磨可以將碳纖維復(fù)合材料研磨成細(xì)小顆粒后進行再加工；剪切可以將碳纖維復(fù)合材料切割成小塊，再進行加工或再生；熱解可以通過高溫處理將復(fù)合材料中的樹脂分解，再進行碳纖維的回收利用?；瘜W(xué)回收是指通過化學(xué)反應(yīng)將碳纖維復(fù)合材料中的樹脂分解，并將碳纖維進行回收利用。常見的化學(xué)回收方法包括溶劑回收、酸堿回收和水解回收等。其中，溶劑回收是指使用溶劑將樹脂溶解，再將碳纖維進行分離和回收；酸堿回收是指使用酸或堿將樹脂進行分解，再將碳纖維進行回收利用；水解回收是指使用水將樹脂進行分解，并將碳纖維進行回收利用。無論是物理回收還是化學(xué)回收，都需要考慮回收效率和回收后碳纖維的性能損失問題。因此，碳纖維復(fù)合材料的回收技術(shù)還需要進行進一步的研究和優(yōu)化，以實現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟、更環(huán)保的回收利用。

 

　　4 基于汽車輕量化應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計

 

　　將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造中，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計與鋪層優(yōu)化改善剛度和模態(tài)頻率，可以達到汽車減重的目的。文章以汽車車門為例，對其車門結(jié)構(gòu)件輕量化進行設(shè)計研究。

 

　　（1）車門有限元模型構(gòu)建。利用有限元分析軟件建立包含Ply+Stack的汽車車門有限元模型，借助Ply+Stack方式完成碳纖維復(fù)合材料鋪層定義，便于觀察鋪層結(jié)構(gòu)。

 

　?。?）車門模態(tài)分析。為最大限度地減少模態(tài)之間存在的耦合現(xiàn)象，防止汽車出現(xiàn)共振情況，僅對汽車局部模態(tài)頻率進行研究。碳纖維復(fù)合材料汽車車門模態(tài)分析結(jié)果如下（見表2）。

 

　　

 

　?。?）車門剛度分析。汽車車門的剛度足夠大，可有效避免車門出現(xiàn)變形現(xiàn)象，提升車門的密封性。因此，對汽車車門下彎、扭轉(zhuǎn)和汽車內(nèi)外板剛度進行分析，利用對比分析的方式實現(xiàn)參考數(shù)值與車門剛度之間的比較。車門剛度分析結(jié)果統(tǒng)計如下（見表3）。

 

　　

 

　　結(jié)果顯示，該車門各種類型剛度均大于參考值，具有較強剛度特性。結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢對汽車車門進行輕量化設(shè)計，可達到汽車車門的減重目的，實現(xiàn)汽車輕量化效果。

 

　　5 結(jié)束語

 

　　碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空、機械、汽車等多個領(lǐng)域，在滿足汽車裝配和性能的要求下，利用鋪層、尺寸等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法，可以在最大程度上減輕汽車的整體重量，提升汽車的性能。通過利用有限元分析軟件建立模型實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料可視化定義，利用輕量化技術(shù)將汽車車門、車身等部位的內(nèi)外板上集成部分零件，簡化汽車結(jié)構(gòu)特性等，可以有效減輕汽車的重量，實現(xiàn)汽車輕量化效果。綜合分析可知，碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用前景十分廣闊，隨著技術(shù)的不斷提升和生產(chǎn)成本的逐步降低，碳纖維復(fù)合材料在未來汽車制造中將會發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。