张友根

(宁波海达塑料机械有限公司,浙江 宁波,315200)



碳纤维复合材料推进汽车科学发展的分析研究

张友根

(宁波海达塑料机械有限公司,浙江 宁波,315200)

碳纤维复合材料工程的发展推动了汽车应用碳纤维复合材料的广度和深度，引领汽车划时代的变革。分析了汽车碳纤维复合材料化的绿色化发展；综述了汽车行业应用碳纤维复合材料领域，碳纤维复合材料件的成型加工技术的科学发展，碳纤维复合材料的回收利用技术以及碳纤维复合材料应用的全套解决方案。指出汽车用碳纤维复合工程塑料将引领汽车划时代的变革。

碳纤维 复合材料 汽车 分析研究

近些年，轻质、高强综合性能优异的碳纤维复合材料，得到越来越广泛的认可和应用。节约不可再生能源和提高燃料效率的汽车轻量化解决方案正推动碳纤维复合材料在汽车领域的拓展。几十年前曾有预言碳纤维复合材料会取代金属用来制造汽车底盘结构件。现在，这个预言变成现实并推向普及化。汽车用碳纤维复合塑料将实现“以塑胜钢”，引领汽车划时代的变革。

1 汽车碳纤维复合材料应用领域的发展

1.1 由高端汽车向普及型汽车的应用领域发展

碳纤维发展之初由于原料制造成本过高、成型加工技术单一等因素，制约了碳纤维复合材料的应用领域，最初仅在一些对性能有极高要求的高端的F1 赛车、超级跑车上小批量车应用。随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟、绿色化环保标准的日趋严格，各大制造商纷纷进行碳纤维复合材料的汽车零部件的开发，如今被广泛地应用于高价值的普及型民用轿车上，如宝马、德国SGL等。

1.2 由轿车向货运车的应用领域发展

沃尔玛公司最新大型18轮的运输卡车，采用碳纤维复合材料，燃油效率提高了1倍，降低了碳排放。主体由碳纤维面板代替传统的钢板件，汽车重量减少了1 814 kg，碳纤维结构件增加了设计和加工的灵活性，采用凸面结构的碳纤维车头更符合空气动力学的原理，并且可增加车载空间。

由包头市德翼、北京兰星、中材科技共同研发的我国首辆长度为8.6 m的应用碳纤维复合材料的自卸车成功下线，整车重量为4.8 t，比同规格的全金属自卸车轻2 t，可降低8%的油耗，使用寿命可达20年，而同规格的全金属自卸车的使用寿命仅为5年。

1.3 由装饰件向结构件的应用领域发展

碳纤维原材料制造及其成型加工技术的进步，使碳纤维复合材料由贵族化走向大众化。2003款戴姆勒克莱斯勒Dodge Viper 运动车首次应用碳纤维复合材料取代金属用来制造汽车底盘结构件。德国的知名轮毂制造专家WWHEELSANDWORE研发的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取两片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂可减重40%左右。英国DYMAC公司开发的世界最轻的碳纤维/镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘两部分组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。碳纤维复合材料的低密度和高比模量综合效应，使发动机转速可达到10 000 r/min。碳纤维复合材料制造的发动机部件和传动系统部件具有减震吸能和降低噪声的功能，用其制成的保险杠等防撞系统则具有吸收冲击能的功能。

1.4 实现汽车由燃油化向清洁能源化领域发展

碳纤维复合材料是实现电动车、混合动力车、生物燃料车以及太阳能车轻量化的科学选择[1]。碳纤维复合材料优异的强度、刚度及轻量化的性能能满足工程塑料不能实现的“以塑代钢”的汽车部件，例如，底座、传动轴、轮毂等高强度、高刚度的零部件。碳纤维复合材料是清洁汽车实现轻量化的最佳制造材料。日本帝人集团的Toho Tena公司在2010年联手Sakai Ovex公司成功研制出刚性极强的超轻量化的太阳能汽车用碳纤维材料，并打造了全新太阳能汽车。

压力储罐是燃气汽车、氢能汽车的关键部件，采用碳纤维复合材料成型压力储罐，不但满足性能要求，而且实现了压力储罐的轻量化。越来越多的大型公交车和卡车也趋向于采用压缩天然气燃料。随着环保汽车的开发，以氢为燃料的燃料电池汽车已为市场所接受，氢气储罐使用碳纤维复合材料制作。美国福特汽车Hummer H2H 越野车使用氢燃料电池，2020年日本将有500万台汽车使用燃料电池。

汽车电动化必需实现电池轻量化，功率密度高的锂电池是目前主要的选择。碳纤维复合材料是制造锂电池组外壳的主要选择。插电式混合动力驱动使用锂电池组是应用的发展趋势。

2 碳纤维复合材料件的成型加工技术的发展

成型加工技术是将原材料转化为结构件,不同的成型加工技术对构件的性能会带来较大的影响。碳纤维复合材料构件的成型加工技术主要发展方向是高速高效化、节材批量化、清洁环保化。

2.1 树脂传递模塑(RTM)成型加工技术

RTM是世界上公认的低成本复合材料成型技术。该工艺是将纤维经预成型及预编织处理，碳纤维按构件的力学要求采取不同的排放形式铺放在模具型腔内；合模后，设备将树脂注入模腔，浸润预编织的碳纤维，固化成型。一般采用多模、多工位机械注射模式，生产效率较高，适于批量生产方式。构件表面粗糙度接近于模具型腔粗糙度，尺寸精度高，内应力低，可做结构复杂零件及镶件，如汽车地板、车顶、发动机罩等[2]。

RTM成型技术所制结构件不但整体性好，而且减少了零部件的数量及接头等紧固件，节省了原材料、工时和模具费用，降低了制造成本，缩短了生产周期。

2.2 片状模塑料(SMC)成型加工技术

SMC经常被用作模压复合材料制品的半成品。SMC成型工艺是将碳纤维片材按制品尺寸、形状及厚度等要求裁剪，然后将多层片材叠合后放入金属模具中进行加热、加压成型的方法。该工艺成型效率高、制品表面光洁、尺寸稳定性好，适于大批量生产，性价比较高。SMC工艺的成功开发和机械化模压技术的应用使复合材料在汽车工业上的用量年增长率达到25%。SMC已被广泛应用于发动机罩、导风罩、气门罩壳、水箱部件、发动机隔音板、加热盖板、气缸盖、进气支管、出水口外壳、水泵和燃料泵等汽车部件。

2.3 热压成型技术

通用公司与日本帝人合作开发了热塑性碳纤维复合材料零部件60 s内热冲压成型技术，计划用于2015 年以后上市的面向普通客户的主力车型。

中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备，效率达到56件/d，并采用2种热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。该项目突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术，在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。

2.4 碳纤维复合材料注塑成型技术

碳纤维复合材料实现注塑成型是碳纤维复合材料的重大科技进步，实现了某些碳纤维复合材料件低成本批量化生产、扩大了应用范围。

2.4.1 注塑成型的碳纤维复合材料

碳纤维复合材料的注塑成型取决于碳纤维复合材料注塑原料的开发。 碳纤维熔点在3 000 ℃左右，本身不可注塑加工，只有碳纤维填充的塑料才可以注塑加工。碳纤维复合材料中碳纤维作为增强填充物，碳纤维的长度不超过2 mm，可用成本较低的大丝束碳纤维，以降低原料成本。注塑碳纤维复合材料的构件，同比玻璃纤维复合材料的重量可降低25%，而强度可提高约2倍。

2.4.2 高光无痕注塑成型技术

提高碳纤维复合材料注塑构件的表面质量是注塑构件的技术重点。高光无痕模具是一种以高温蒸汽作为加热介质，通过急冷急热控制系统控制模具温度。普通的注塑技术成型的碳纤维复合塑料构件的外观不是很好，而采用高光无痕注塑成型技术，由于模具表面高温，使成型材料表面结晶比率增加，提高表面效果非常好。

2.5 3D打印成型技术

3D打印成型在汽车领域工业化应用的关键是高强度、高刚度的3D打印的碳纤维复合材料树脂原料和复合材料制备技术的开发。

Local Motors公司在美国芝加哥2014年国际制造科技大展(IMTS)上推出了全球首款3D打印的电动汽车“Strati”，车重544 kg，宽近2 m，长1.9 m，全身材质为碳纤维复合材料、塑料，只有40个零件，整个车体打印时间44 h，从打印到组装完工，仅需不到5 d时间。依靠电动能源，充一次电花费3.5 h，可以行驶大约100 km，最高时速可以达到80 km/h。

未来3D打印汽车还会在动力、工艺、续航里程、车型等细节上再次突破。Local Motors公司正在研究用3D打印机打印出更大的汽车。

2.6 间隙浸渍成型技术

德国公司BREYER发布了一种带有模具的间隙浸渍机，这种新技术可以在15 min内生产出碳纤维增强复合材料汽车前箱盖板。Plasan Carbon Composites公司是美国唯一的豪华轿车碳纤维增强复合材料车体面板一级供应商，拥有可将碳纤维增强复合材料部件的生产成型时间缩短至17 min的技术。

2.7 碳纤维复合材料件的连接技术

碳纤维复合材料属于脆性材料，成型件相互之间的机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效。碳纤维复合材料件的连接需要充分考虑连接部位的应力分布情况，科学设计连接位置及方式，以保证成型件的强度不被破坏。

碳纤维具有导电性，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性。研发集热板熔融、震动熔融、超音波熔融等为一体的加热和加压连接法，实现连接部位一体化的同时增加接合部的纤维体积分数，提高强度，避免使用对碳纤维增强热塑料性塑材料产生结构损伤的钢焊接技术。

戴姆勒克莱斯勒公司在对各种重叠加料进行试验后，设计了一种结构完善的连接界面，即将一次碳纤维-SMC加料的末端夹在两次碳纤维-SMC加料的末端之间，这很像一个舌榫接头。搭接的长度更小，重量减轻，同时又使门的凹处的刚度提高了2倍。

2.8 碳纤维复合材料件的表面涂装技术

碳纤维复合材料件的表面的光洁度，需要涂装才能提高。澳大利亚公司Quickstep这项专利技术可以让碳纤维复合材料汽车面板在几分钟内就快速生产出来，并且成本低，从模具出来就具有较高的表面质量。

3 碳纤维复合材料的回收利用技术的科学发展

碳纤维复合材料的回收利用是制约碳纤维复合材料在汽车上大规模应用的一个很大瓶颈。碳纤维复合材料实现回收利用后才能在汽车领域大规模应用。

以前碳纤维复合材料只能靠填埋或粉碎进行回收，损害环境，浪费资源。碳纤维复合材料在回收过程中，必须最大限度的保持纤维强度，以提高利用价值。

日本NEDO公司利用热分解法，在高温常压下回收复合材料中的碳纤维，使得日本生产商加速了对碳纤维复合材料在汽车领域应用的市场布局。英国的先进复合材料公司(Umeco复合材料结构材料公司的一部分)、英国Exel复合材料公司、NetComposites公司、Sigmatex公司、Tilsatec公司和利兹大学组成了碳纤维复合材料的回收利用联合体，开发回收废弃碳纤维的技术，将其与聚对苯二甲酸乙二醇酯等树脂混合，与由原始纤维制备的复合材料相比，保持至少90%拉伸模量，50%拉伸强度。法国、德国已建成了复合材料回收机制与分解粉碎机构，使得以往难以回收的碳纤维复合材料得到回收，从而促进了碳纤维复合材料的广泛应用[3]。

4 纤维复合材料应用的全套解决方案

碳纤维的类型较多，性能也不相同，价格相差悬殊；树脂及塑料的类型更多，性能各有特点。汽车构件的功能、性能也各有要求。为达到经济地实现碳纤维复合材料构件的最大价值，应采用全套解决方案。全套解决方案包括：构件设计、碳纤维及其复合材料的开发、成型加工设备及工艺技术、成型构件性能的测试及试验、构件的后处理及其物流、构件试用及应用的信息收集和分析、制品的回收利用等。

日本是世界上开发碳纤维最早、应用最成功、应用面最广的国家，其主要经验是，碳纤维生产企业以自己为价值链的联系纽带，实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制，组合碳纤维复合材料应用的企业、行业，注重与下游企业合作，共同对碳纤维复合材料“潜在需求”的构件制定和实施全套解决方案，推动碳纤维复合材料在汽车领域的应用，不断开发新的市场，以下游应用带动上游的发展。日本碳纤维生产商和欧美的主要汽车生产商纷纷结成联盟，谋求共同发展。东丽买入Plasan Carbon Composites公司股份，确保了其通往美国汽车制造商的分销渠道，进一步提高其在美国汽车市场的参与度。东邦与美国通用自2011年起就展开了稳定的合作关系，东邦也在欧洲和美国建立了公司和销售中心，并出资建立了复合材料应用中心，对未来碳纤维及其增强热塑性塑料在汽车上的应用充满信心。三菱丽阳则与宝马和西格里集团合作，宣布2014年宝马i3系列纯电动车BMW MegacityVehicle在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。

国内碳纤维生产有了很大发展，但缺乏碳纤维复合材料研发及制造的基础研究，特别是没有形成碳纤维复合材料的全套解决方案的产业联盟，影响了产业的发展。

5 结语

中国汽车制造业发展很快，但在将碳纤维复合材料应用于汽车工业方面，远远落后于日本、欧美等工业发达国家，形成汽车“大国”，而非“强国”。汽车新一轮的革命中最突出的标志是碳纤维复合材料的应用。可以预测，谁引领碳纤维复合材料应用技术，谁就引领了汽车的发展方向，谁就有汽车发展的话语权。

随着汽车制造商广泛应用碳纤维以及碳纤维复合材料产能的增加，其生产成本预计在未来3～5年内显著降低，现在应积极投入开发研究，才能不落后于国际汽车制造的同行。

[1] 蒋鼎丰.低成本碳纤维复合材料是新能源汽车轻量化的重要选择[J]. 汽车制造业，2013,(1):57.

[2] 李一军.浅谈碳纤维复合材料成型工艺技术[J].广东科技，2012，21：202.

[3] 刘洁,刘丽芳,俞建勇.碳纤维复合材料废弃物的回收利用形势[J].产业用纺织品，2011，6：26-27.

Analysis and Research of Carbon Fiber Composite Materials for Scientific Development of Automobile

Zhang Yougen

(Ningbo Haida Plastic Machinery Co., Ltd. ,Ningbo, Zhejiang, 315200)

The development of carbon fiber composite material project has driven the application of carbon fiber compound material in automobile to extensive scope and depth and has guided epoch-making transforming of automobile. This paper analyzed the green development of material-related automobile carbon fiber composite, and reviewed scientific development of the application of carbon fiber composite materials in automotive industry, molding processing technology of carbon fiber composite, recycling technology of carbon fiber composite material and the full set of solutions for the application of carbon fiber composite materials. The engineering plastics with carbon fiber composite will lead to the change of the era.

carbon fiber; composite material; automobile; analysis and research

2015-02-14;修改稿收到日期:2015-09-15。

张友根,男,教授级高级工程师，终生享受国务院政府特殊津贴。发表论文近400篇。现主要从事塑料机械的科学发展工作。E-mail:zhangyongen@163.com。