技术·汽车用碳纤维复合材料的结构设计与加工工艺
本文摘要：（由ai生成）
碳纤维复合材料在汽车轻量化中具有显著优势，但目前在国内尚处于样车和样件研制阶段。主要挑战包括高昂的原材料成本、缺乏设计经验、加工周期长、维修和回收体系不成熟等。文章介绍了碳纤维的各向异性、结构设计、加工工艺及多材料连接工艺，以期推动碳纤维复合材料在汽车领域的应用。
摘要：相比于传统铝合金、高强钢和玻纤复合材料等材料，碳纤维复合材料减重效果和强度优势更加明显。在国内市场，虽然已有部分展车实现碳纤维复合材料在汽车车身局部及一些零部件上的应用，但目前尚处于样车、样件及研制品的阶段。如何开发出适用于汽车量产工艺和制造节拍的加工及连接工艺，同时降低 制造成本，仍然是国内碳纤维复合材料在量产汽车领域应用的重大难点。本文介绍了碳纤维的各向异性与复合材料设计方法、加工工艺及多材料连接工艺的方法。
关键词：汽车轻量化碳纤维复合材料结构设计加工工艺连接工艺 1 前言
根据《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的要求：截至2020年，乘用车平均油耗需降至5.0升/百公里，节能型乘用车油耗不得高于4.5L。有研究数据表明，传统能源汽车车身自重消耗了约70%的燃油，如果整车重量减轻10%，油耗可降低6%-8%。电动汽车方面，由于动力电池容量有限，续航里程成为其广泛推广的一大瓶颈因素。因此，电动汽车对车身减重的需求更为紧迫。由此可见，在国家政策法规的驱动及激烈的市场竞争环境下，车身轻量化设计已是汽车发展的必然趋势。 车身减重设计可通过三个维度实现：结构优化设计、采用先进制造工艺和新型轻量化材料。 汽车结构设计已经历了一百多年的经验累积，通过结构优化进行减重的空间已十分有限。先进制造工艺包含液压成型、激光焊接等。新型轻量化材料包括高强钢、铝合金、镁合金、以及高性能工程塑料和玻纤、碳纤维复合材料等。根据英国材料系统实验室的研究结果，相对于其他新型材料，碳纤维复合材料车身的减重效果最显著；与传统钢材车身相比，采用碳纤维复合材料的车身可减重一半以上。碳纤维复合材料不仅具有质轻高强的优势、同时具有良好的可设计性。而且，复合材料可以一体化成型，大幅减少了零部件和紧固件数量；此外，碳纤维复合材料应用于汽车车身，能够提高碰撞吸能性、减振性和抗疲劳性。减重的同时，保证车辆碰撞安全性并提升乘坐舒适性。 目前，碳纤维复合材料应用于车身及零部件在国外已有量产案例。宝马i3，i8及7系已应用碳纤维于车身。在宝马7系的乘员舱区域，车身由钢部件、铝合金部件和碳纤维部件组合构成，实现了不同材料间性能上的协同互补。其中，碳纤维复合材料作为车身结构加强件，在减轻车身重量的同时提高了整车碰撞安全性。奔驰SLR跑车，前纵梁由碳纤维复合材料制成，在发生正面碰撞时可以彻底吸收碰撞能量，可以保证乘员舱的结构基本不受影响；此外，SLR的乘员舱全部由碳纤维复合材料构成，在发生侧碰和尾部撞击时为乘客的安全性得到了可靠保障。丰田汽车Mirai的燃料电池框架和储氢罐采用了碳纤维复合材料。国内方面，奇瑞推出过艾瑞泽7混动版概念车，车身采用碳纤维复合材料，减重效果达到48%。此外，国内一些主流整车厂也在研制碳纤维复合材料零部件，如发动机罩盖、防撞梁、翼子板、B柱、顶盖、动力电池上盖等部件，但尚未导入量产车型。 在国内碳纤维复合材料无法投入到量产车型的原因如下： 首先，碳纤维原材料价格昂贵，国内的制造商对产品品质及成本的控制能力较弱，无法打破国外的价格壁垒； 第二，主机厂缺乏复合材料设计经验，包括仿真分析、试验验证等。缺乏设计分析软件和完善的材料性能数据库，以及设计规范和验证标准。 第三，碳纤维复合材料的加工周期相比传统金属材料较长，目前还无法达到汽车量产节拍的要求。最后，售后维护与回收体系不成熟。修复工艺与传统材料存在较大差异，专业性较强，修复人员必须具备一定的专业基础。回收利用困难，目前国内还没有大规模回收利用的成熟案例。本文主要介绍了如何利用碳纤维的各向异性对材料进行结构设计，汽车用碳纤维复合材料的加工工艺及连接工艺，以期对碳纤维复合材料今后在汽车轻量化领域的发展与应用有所帮助。 碳纤维（CarbonFiber，简称CF），由片状石墨微晶沿纤维轴向堆砌而成，含碳量在95%以上，是一种高强度、高模量的新型纤维材料。因微晶在轴向取向排列，所以碳纤维存在各向异性的特点，即复合材料主强度、主刚度在纤维轴线方向。 碳纤维的各向异性赋予了碳纤维复合材料灵活的设计性，可根据不同的功能和力学性能需求灵活地设计产品结构。通过调整纤维及树脂基体的种类和纤维的排布方式及加工工艺可满足部件在不同位置和方向的力学性能要求。将碳纤维按照受力方向进行铺设，不仅能够发挥碳纤维在纤维轴向方向的力学性能优势，同时可以节约材料、减重降本。 碳纤维复合材料的力学性能取决于纤维的种类、铺设方式、树脂基体特性、纤维含量以及二者的相容性等因素。碳纤维结构和力学性能上的各向异性，导致其制成的单向编织布同样具有各向异性。车用碳纤维复合材料通常是由若干层单层编织布组成的，因此可通过铺层设计来满足不同的结构与性能需求。 将碳纤维丝束按照统一方向排布，得到碳纤维单层板。碳纤维可在此时浸润树脂，也可以不浸润，视加工工艺而定。单层板是碳纤维复合材料制品的一次结构，其力学性能受纤维和树脂基体种类、纤维的填充比例和分布及界面相容性等因素影响。 对于汽车车身或其他部件，不同位置力学强度要求不同，一些部位需要做加强处理，而一些部位对强度要求不高则应做减重处理。车用碳纤维复合材料是由若干层单层材料按照一定的铺层顺序组成的层合体，可通过铺层设计实现力学性能强弱的变化。通过铺层设计得到的层合体是碳纤维复合材料汽车制品的二次结构，单层材料的力学性能和铺层方式决定了层合体的力学性能。铺层设计主要包含铺设方向、铺层厚度，铺设序列及特殊结构设计等。车用碳纤维复合材料的铺层设计将在第3章节中详细讨论。 复合材料制品的“三次结构”是指其产品结构，其力学性能除受一次结构和二次结构影响外，还取决于成型工艺选择，成型后加工等因素。车用碳纤维复合材料的成型工艺将在第4章节中详细讨论。 三次结构设计主要取决于产品的造型、功能需求、强度要求、模态及布置位置的周边环境等因素。 标准铺层角度：0°，45°，-45°，90°，如图1所示。这种角度设置能够满足设计要求，同时简化仿真分析和制造工艺。武汉理工大学的侯等人基于仿真计算进行的碳纤维B柱结构的铺层设计，按照0°/45°/90°/-45°的顺序进行了1-18层的铺层设计，如图2所示。 任意铺层角度：这种铺层方式会增加仿真分析的难度，同时制造工艺复杂程度也会增加。只有在需要做纵横剪切强度的试验样件或存在特殊需求时才采用该种铺层方式，此时应铺层角度也应尽量减少。 a.[45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45] b.[45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45] b.45/-45/0/-45/45/90]s，其中，s表示对称（symmetrical）。 以图3为例，图中虚线为层合体的中面，各个方向角的铺层沿这条虚线应对称布置，45°和-45°的铺层数量应当相等并对称布置。这是因为碳纤维存在热膨胀现象，均衡对称的铺层设计可以有效避免耦合，从而防止层合板发生翘曲变形。层合板如果发生变形，装配时与对手件可能无法完全贴合。如果强行装配将会产生应力，应力释放会导致层合板内部产生分层。 对于常规层合板，为了充分利用碳纤维的各向异性，铺层坐标系的0°方向应沿主载荷（F）方向，如图4所示。 对于壁板类制品，0°方向应与主梁轴线平行（或与形面弯心线方向一致），如图5所示。 a.每个方向角的铺层比例应介于10%-60%之间； b.如需对某一方向角进行连续铺层时，需控制在4层以内，以避免微裂纹产生； c.为减小层间应力、避免固化时产生微裂纹，相邻铺层间的铺层角夹角应小于60°。总层数少于16层的薄板可不遵循此原则； d.±45°铺层应靠近层合板表面铺设，可以提高层合板的屈服强度；最外层±45°铺层方向能够承受剪切载荷的能力，同时提高材料的抗冲击性能； e.当制件需承受压缩载荷时，表面开始的外3层尽量不设置0°方向铺层。 制件不同位置的厚度变化是通过铺层数量变化实现的，铺层数量变化通过调整单层板的长度来实现，应遵循以下原则：a.相邻的两个铺层不可在同一位置处终止； b.对铺层进行厚度变化设计时，仍需遵守对称原则。例如，与中面位置对称的+45°和-45°的铺层长度应保持一致； c.在铺层厚度减薄时，至少每隔3层应覆盖一层，不能连续削减铺层； d.厚度变化过渡区斜度比定义为厚度差H与过度区的长度L的比值，主承力方向应不大于1:20，其它方向应不大于1:10，如图6所示； e.铺层减薄时，可以采取如下两种形式的设计，钻石形状和箭形，如图7所示。两种方式均遵循以上几条原则。 特殊结构设计包含以下三种情况：a.下陷结构：下陷区应缓慢过渡，过渡区长度C不小于5倍下陷深度h，如图8所示。 b.圆角设计：圆角半径不可过小，否则圆角区域可能发生纤维断裂、架桥和树脂堆积等缺陷，如图9所示。材料成型后进行超声检查时，能够检验到的最小圆角半径应大于6mm。 c.开孔设计：工艺孔或者减重孔以圆形为最好，长圆孔次之，为避免发生应力开裂，最好不使用方孔或菱形孔。 树脂传递模塑成型适用于热固性树脂基体的复合材料，汽车用热固性树脂基体大多选用热固性环氧树脂，其工艺流程如图10所示，具体步骤如下： a.按结构和性能需求设计碳纤维预制体，即设计好纤维的排布方式，编制成具有柔性的碳纤维板材； c.采用注胶设备将树脂流体注入到闭合模腔内，充分浸润碳纤维；或者采用真空加注的方式将树脂基体引入到模腔内； RTM成型工艺优点：对于结构复杂体积庞大的结构件也可以一次成型，可设计性强。由于采用热固性树脂作为基体，尺寸稳定性好，制品表面质量高。 RTM成型工艺缺点：相比于传统钢材的冲压工艺，RTM成型工艺时间较长，树脂固化时间长，加注和固化总时间一般在2小时以上，生产效率不高。 快速固化树脂体系：降低树脂粘度可以提高树脂基体的流动性，同时增加注射口进而缩短充模时间，开发可快速固化的环氧树脂可缩短固化时间。总时间可缩短为1-10min，传统RTM和快速RTM的加工周期对比如图11所示。目前宝马i3生产线的RTM加工周期已缩短至10min。 为了进一步提高生产效率，可增加注射口和提高注射压力，减少树脂基体的充模时间；对于真空辅助RTM工艺，通过优化注射口与抽真空位置来优化充模过程。 热压成型工艺流程如图12所示，具体步骤如下：a.预浸料制备：在加热、加压或使用溶剂的条件下，令树脂预先浸润碳纤维。对于环氧树脂，通常将环氧树脂溶于有机溶剂中来浸润碳纤维丝束。 b.将预浸料铺于模具表面，在一定温度与压力下，树脂基体开始熔融而具备了流动性，将纤维重新浸渍，从而制备一定形状的复合材料零部件。 热压成型工艺优点：成型周期较短，易于实现自动化生产。碳纤维复合材料预浸料的高效固化从而适应汽车制造的工艺节拍，是碳纤维应用于汽车行业的前提。三菱、东邦公司所开发的快速固化预浸料体系，在150℃条件下可在3min内完成固化。 热压成型工艺缺点：当制品形状比较复杂时，热成型过程中碳纤维织物的刚性较低，纤维容易发生过度变形而导致零件易出现弯曲变形、起皱等缺陷，导致零件力学性能受到影响。通过优化碳纤维的铺层设计来尽量避免缺陷产生。 片状模压成型工艺适用于热塑性不饱和聚酯树脂作为基体浸渍短切纤维的场合。由于短切碳纤维，碳纤维在树脂基体均匀分布而非取向分布，碳纤维的各向异性得不到体现，此时碳纤维是作为一种增强填料来提高制品的力学性能，更适用于各向强度需求相同的制品，而不适用于各向力学性能要求不同的制品。 优点：成型过程可在较低的模压温度和压力条件下实现，能耗较低，有利于降低成型工艺成本。 缺点：设备造价高、设备操作及控制过程复杂，对产品设计能力要求较高。基体尺寸稳定性不如热固性树脂。三菱公司采用该工艺为丰田制作了燃料电池框架和后尾门。 缠绕成型：首先将连续碳纤维用树脂胶液浸渍，然后将其按照一定规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温条件下固化得到一定形状的制品。 应用领域：用于制造汽车用氢气罐、传动轴等。浙江大学孟剑对铝内胆碳纤维树脂复合材料高压储氢容器进行了结构设计和力学分析，其结构设计如图13所示。储氢容器的外层为缓冲层，内层为铝内胆，中间层为碳纤维为复合材料，铺层时纤维轴向和主应力方向一致，纤维的铺设方式为环向缠绕和纵向缠绕。 关键技术：如何根据产品的结构与功能需求，设计出结构件的尺寸与线型，计算出芯模与绕丝头之间的定量关系，保证纤维均匀地布满在整个芯模表面上的同时满足力学性能要求。 如果是需要制作筒形压力容器，纤维在芯模上的缠绕布置可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，如图14所示。 将碳纤维复合材料应用于汽车部件时，其与钢材、铝合金等材料的连接可靠性至关重要。然而，由于碳纤维复合材料与传统钢材、铝合金等材料在力学性能、物理化学性能以及加工制造工艺等方面的不同，传统材料的连接设计、工艺方法无法满足碳纤维复合材料在汽车上的连接要求。因此，开发适用于碳纤维复合材料汽车部件的多材料连接技术尤为重要。 机械连接是采用铆接、螺栓连接、缝合、针钉连接连等形式实现部件的连接。由于碳纤维复合材料与金属材料在理化性能上的差异，采用机械连接方式将其与金属材料连接时易导致接头处的承载能力降低。 碳纤维复合材料部件与铝制、钢制车身部件连接时，应注意以下几点： a.不允许强迫装配连接，任何超过0.13mm的间隙都应加垫处理：间隙≤.8mm时加液体垫片；间隙≥.8mm间隙时加结构垫片。 b.当必须采用铆接工艺时，尽量采用压铆工艺；在无法实现压铆的部位，允许采用锤铆，不允许采用大功率铆枪冲击作业。 c.在结构允许条件下，尽可能在金属零件一侧形成铆钉镦头。 d.防止电偶腐蚀：尽可能选用钛合金或不绣钢紧固件；安装紧固件时，应涂聚酰胺清漆或密封剂，采用湿装配工艺；碳纤维复合材零件料与钢、铝零件连接时，应在二者之间贴玻璃纤维布。优点：耐高温、抗蠕变能力强，连接强度分散性小、抗剥离能力大、易于拆卸和组装等。缺点：开孔处易发生应力集中、连接效率低、紧固件和连接接头重量较多等。 尽管如此，在对汽车连接可靠性要求较高的部位，机械连接仍然是其他连接方式无法取代的。 胶接是连接采用胶黏剂将零件连接成不可拆卸整体的一种连接工艺。相比于机械连接工艺，胶接工艺无需在材料表面开孔，可以避免切割等机械加工带来的损伤和应力集中。因此，在碳纤维复合材料的连接设计中，胶接工艺比机械连工艺接应用更广泛。 a.碳纤维复合材料待胶接的表面层，纤维的铺设方向需与载荷方向一致，不能与载荷方向垂直，以防被接件过早产生层间剥离。 b.复合材料树脂基体与胶粘剂主体树脂的相容性直接影响着材料间的连接性能。如果胶黏剂与复合材料的树脂基体未能成功匹配，被连接件很容易发生脱粘和界面分离。 c.搭接两端如果刚度不等，则两端弯矩不等，变形集中在刚度偏弱的一端。 d.复合材料与金属的电位存在差异，因此，与金属胶接时，应对金属零件表面进行适当的表面处理。 e.复合材料层合板与钢、铝合金胶接时，应在它们中间加一层玻璃纤维布，以防止电位腐蚀。 f.夹层结构周边所有胶缝都应采取有效密封，以防湿气侵入。 g.胶黏剂选择：综合力学性能优异，耐久性高于结构预期的寿命；与被胶接件的相容性好、热膨胀系数接近，吸湿率小；尽可能选择在较低温度下固化的胶粘剂。 图15为宝马7系中通道，采用碳纤维复合材料作为加强件，碳纤维复合材料加强件通过胶接的方式与车身钣金连接。 胶接工艺具有连接效率高、抗疲劳、表面光滑等突出优点。但也存在易于剥离和出现环境退化、承载能力较低、不易于拆卸等方面的缺点。多数胶粘剂含极性基团，在湿热环境下水分子容易在极性的胶粘剂层扩散，从而导致胶粘剂层膨胀、变形，最终在内应力的作用下发生脱胶现象。 该工艺由宝马公司开发，应用于宝马7系碳纤维后窗台台板连接工艺。后窗台板由碳纤维复合材料构成，与车身结构通过粘接和卡接的方式拼接，如图16所示。与传统钢制车身卡接结构不同，塑料卡扣卡接的对手件不再是焊装在车身上的螺柱，而是熔焊在车身上的球形结构。后窗台板卡接连接结构具体见图17： a.车身1上对应的卡接部位，其表面凹槽区域2由热塑性塑料材料制成。 b.球体3表面区域也由热塑性塑料材料制成，利用超声波发生器4将球体焊在车身上。 d.装配时，球体穿过后窗台板6的安装孔，将卡扣7卡在车身上焊接的球体上。将粘结剂层引入到车身与后窗台板之间，使二者锁合连接。 e.通过夹紧元件7（塑料卡子）来设计车身与后窗台台板之间的间隙，及时在粘结剂还未硬化的情况下，能够通过卡扣将二者夹紧，确保夹紧之后的操作稳定性，可以进行后续的装配操作。 混合连接是将胶接和机械连接共同使用的连接方式，包含了胶接-铆接，胶接-螺栓，胶接-卡接等方式。混合连接综合了机械连接和胶接的优点。宝马7系车身上，碳纤维结构加强件与车身连接多处使用了混合连接工艺，图18为碳纤维复合材料C柱加强版与车身的连接工艺，采用铆接与胶接共用的连接方式。 图19为宝马7系车身材料组成示意图，其中黑色 区域为碳纤维复合材料。可以看到，碳纤维复合材料主要用作车身骨架的结构加强件。在封闭的钢材内部嵌入碳纤维复合材料用以提高车身刚度和强度，车身骨架重量相比上一代产品减重40Kg。碳纤维在宝马7系上的这种应用被称作Carboncore，即碳纤维内核结构。主要应用区域为：车顶框架、B柱加强件、侧围加强件、中央通道加强件、C柱加强件、后窗台板加强件及门槛加强件。 宝马公司所采用的碳纤维复合材料是宝马与西格里（SGL）联合开发的，在华盛顿有碳纤维制造厂，以聚丙烯腈为原料生产碳纤维长丝，缠绕成轴，运输至德国瓦尔斯多夫的零件厂。 在零部件厂处，将碳纤维长丝根据需要编织成各种结构和样式，通过各种机械加工方式将其切割成不同的大小和形状，如图20所示。然后，采用热处理或与树脂粉末高压粘合技术使其具备立体构型。 通过树脂传递模型工艺，将7~11层碳纤维板材叠加在一起，在加压模具内注射树脂基体，基体固化后即可得到碳纤维复合材料结构件。d.水切加工RTM成型之后，用水激光切割技术完成碳纤维复合材料部件的冲孔和边缘剪裁等加工。 在全自动化车间，对部件进行表面磨砂处理，将各部件粘接为一个稳固的整体。宝马公司所采用的胶黏剂是其与陶氏化学公司联合开发的，胶黏剂固化时间仅为几秒钟，且车间安装了红外线辅助加热设备，进一步缩短了固化时间，这项技术对提高碳纤维复合材料车身加强件的生产节拍至关重要。 如前所述，目前碳纤维复合材料在汽车领域的自主应用仍然面临诸多挑战。但是，其带来的减重效果明显，同时在国家法规对汽车油耗日趋严格的政策引导下，碳纤维应用于车身轻量化领域仍然是大势所趋。为早日实现碳纤维复合材料汽车零部件的量产化应用，还需要从以下几方面努力： a.碳纤维复合材料在国内量产车型的推广应用有赖于国产碳纤维制造水平和能力的发展，打破进口碳纤维的价格壁垒。 b.建立健全设计法规，保证车辆碰撞安全性及环保要求。 c.建立完善的材料性能库，配套的设计软件，为国产汽车的材料设计提供支撑。 d.开发成型周期短、尺寸稳定性好的树脂基体，保证汽车行业的产能与生产节拍要求。 来源：汽车工艺与材料 作者：张胜男 刘艳兵
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来源：碳纤维生产技术
