1 碳纖維復合材料概況

 

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

 

　　（1）輕質高強，碳纖維復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，且經過表面處理后能夠更好地抵御化學腐蝕；

 

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

 

　　（3）導電性好，碳纖維本身是導電的，因此碳纖維復合材料也具有優良的導電性能；

 

　　（4）成型性好，碳纖維復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、預浸料等，且成型后能夠保持較好的尺寸精度。碳纖維復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構制造的主要材料，有利于減輕汽車質量與重量。碳纖維復合材料的制備工藝主要包括以下步驟。

 

　　第一，原材料準備。碳纖維復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過拉伸、碳化等工藝制成的纖維，樹脂通常使用環氧樹脂、酚醛樹脂等。第二，碳纖維預處理。碳纖維預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。將預處理后的碳纖維按照一定的規格和比例排列成布料。布料的排列方式決定了復合材料的力學性能和外觀。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，形成固體結構，同時與碳纖維形成化學鍵，使復合材料具有高強度和剛性。最后，后處理。復合材料制備完成后，需要進行后處理，包括修整、鉆孔、打磨、涂漆等，以使復合材料的外觀和尺寸符合要求。

 

　　2 碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用

 

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

 

　　（1）將碳纖維復合材料應用于車身結構件中。碳纖維復合材料可以用于制造車身結構件，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，提高燃油經濟性。

 

　　（2）將碳纖維復合材料應用于剎車系統中。碳纖維復合材料具有優良的耐高溫性能和抗磨性能，因此適合用于制造剎車系統零部件，如剎車盤、剎車片等。

 

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

 

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

 

　　3 基于汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術

 

　　3.1 材料——結構——性能一體化設計技術

 

　　傳統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構。但在碳纖維復合材料中，材料、結構是在同一時間內形成的，并不會再經過復合材料加工成為復合材料構件，制造工藝對于其構件的尺寸、形狀的約束較小。若單純采用傳統的加工思想、設計方法，無法發揮碳纖維復合材料的潛力。站在材質、性能、構造的整體層次上，可以大力發展材料——結構——性能的統一設計技術，其既能夠在一定程度上減少零件數量，又對裝配工藝制造工藝過程進行簡化，還能充分發揮材料性能，這也是未來復合材料汽車零部件發展的一個重要方向。有專家利用二維編織復合材料結構設計出了整體式電動汽車的車身構造，其尺度為從細小到宏大的碳纖維編織復合材料車身有限元模擬（見圖1），這種構造和原玻璃纖維復合材料結構比可以實現汽車28%左右的減重，同時可以顯著增強汽車側面壓潰、撞擊時的耐撞性。在碳纖維復合材料的結構設計和生產過程中，應充分發揮碳纖維材料的輕量化、高強度、吸振性能高、加工性能優良等優異的特性，進行碳纖維復合汽車零件的材料——結構——功能一體化生產。

 

　　

　　3.2 熱壓成型技術

 

　　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、大規模的制造生產需求。熱壓成型技術彌補了熱壓罐成型的缺陷，具有效率高、成本低、易于實現自動化等優勢，可以幫助復合材料更好地應用于汽車領域。熱壓成型工藝是在一定的溫度與壓力下，樹脂基體發生熔融流動，重新浸漬纖維，從而制備一定形狀的復合材料零件（見圖2）[5]。熱壓成型過程中，因成品造型較復雜、布料的剛度低等特性，會導致纖維的扭曲，成品容易出現套扣、起皺等問題，嚴重影響成品的力學性能，所以可以適當使用傳統金屬板料成形裝置，在較短成形周期內實現自動化生產，從而改善其較短成形周期內存在的缺陷。

 

　　

 

　　3.3 回收技術

 

　　碳纖維復合材料的回收技術是指通過一系列工藝流程將廢舊碳纖維復合材料進行再利用，以減少資源浪費和環境污染[6]。碳纖維復合材料的回收技術可以分為物理回收和化學回收兩種。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合材料研磨成細小顆粒后進行再加工；剪切可以將碳纖維復合材料切割成小塊，再進行加工或再生；熱解可以通過高溫處理將復合材料中的樹脂分解，再進行碳纖維的回收利用。化學回收是指通過化學反應將碳纖維復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，碳纖維復合材料的回收技術還需要進行進一步的研究和優化，以實現更高效、更經濟、更環保的回收利用。

 

　　4 基于汽車輕量化應用的碳纖維復合材料設計

 

　　將碳纖維復合材料應用于汽車制造中，利用結構設計與鋪層優化改善剛度和模態頻率，可以達到汽車減重的目的。文章以汽車車門為例，對其車門結構件輕量化進行設計研究。

 

　　（1）車門有限元模型構建。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方式完成碳纖維復合材料鋪層定義，便于觀察鋪層結構。

 

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

 

　　

 

　　（3）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變形現象，提升車門的密封性。因此，對汽車車門下彎、扭轉和汽車內外板剛度進行分析，利用對比分析的方式實現參考數值與車門剛度之間的比較。車門剛度分析結果統計如下（見表3）。

 

　　

 

　　結果顯示，該車門各種類型剛度均大于參考值，具有較強剛度特性。結合碳纖維復合材料的優勢對汽車車門進行輕量化設計，可達到汽車車門的減重目的，實現汽車輕量化效果。

 

　　5 結束語

 

　　碳纖維復合材料被廣泛應用于航空、機械、汽車等多個領域，在滿足汽車裝配和性能的要求下，利用鋪層、尺寸等結構優化設計的方法，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碳纖維復合材料可視化定義，利用輕量化技術將汽車車門、車身等部位的內外板上集成部分零件，簡化汽車結構特性等，可以有效減輕汽車的重量，實現汽車輕量化效果。綜合分析可知，碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用前景十分廣闊，隨著技術的不斷提升和生產成本的逐步降低，碳纖維復合材料在未來汽車制造中將會發揮更加關鍵的作用。