2018年6月
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碳纤维材料在汽车轻量化中到底有什么作用?现在的位置:主页 > 碳纤维材料在汽车轻量化中到底有什么作用?

碳纤维增强复合材料( Carbon FiberReinforced Polymer,CFRP) 是作为增强材料的碳纤维和作为基体材料的树脂组成,早期的碳纤维复合材料主要用于军事领域。

随着材料性能、成型工艺的提高及价格成本的下降,碳纤维复合材料被越来越多的应用到一般工业和体育休闲等领域。在全球节能和环保趋势的推动下,汽车的油耗问题越来越引起重视,轻量化设计成为汽车节能减排的有效途径,而碳纤维复合材料的材料性能及发展趋势正顺应了汽车工业的发展需求。

碳纤维复合材料比钢铁轻50%,比铝材轻30%,减重效果明显,因此不少汽车厂家在汽车制造和改装过程中为追求极致轻量化开始尝试大量应用碳纤维复合材料。随着新能源汽车的发展,碳纤维复合材料在汽车上将得到越来越广泛的应用。




1、碳纤维复合材料部件的特点1、质量轻强度高

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1/4~1/5,比铝合金还要轻1/3 左右,而且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。

2、可设计性好

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。

3、零部件一体化

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。

4、耐冲击性

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。

5、耐腐蚀性能好

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。

6、碳纤维/热塑性复合材料

碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类, 一类是热固性树脂, 另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成;成型过程中, 在固化剂或热作用下进行交联、缩聚, 形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰酞亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。

热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成, 在一定条件下溶解熔融, 只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纤维增强树脂基复合材料中, 碳纤维起到增强作用, 而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体, 并通过界面传递载荷于碳纤维, 因此它对碳纤维复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响,碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响。

7、碳纤维增强尼龙6复合材料

短切碳纤维增强热塑性树脂复合材料(SCFRTP)是工程材料中一个重要的组成部分。这类复合材料通常具有较好的机械性能、良好的经济效益并且可以通过热压成型、挤出成型或注塑成型的方法制造出各种形状的产品。尼龙6是一种具有较广的应用领域的热塑性树脂材料,而填料增强改性是提升尼龙6复合材料性能较为常用且有效的改性方法。

碳纤维增强尼龙6复合材料(PA6/CF)的研究,在近年来受到了大量的关注。PA6/CF复合材料的性能受到许多因素的影响:加工方法与工艺,复合材料中碳纤维的含量与长度,碳纤维的分散性及取向,碳纤维与PA6界面结构及尼龙6与碳纤维本身的特性等。

然而,热塑性复合材料的机械性能主要取决于聚合物基体的微观结构与纤维与基体的界面性能,因而对比分析复合材料的微观结构与宏观性能显得尤为重要。

此外,PA6作为半结晶聚合物复合材料,PA6/CF的机械性能依赖于PA6基体的结晶结构与形貌,结晶结构与形貌则取决于复合材料的加工工艺将PA6/CF复合材料的微观形貌和结构与宏观性能系统的联系起来的研究还鲜有报道。

8、碳纤维增强聚丙烯复合材料

碳纤维能够使聚丙烯的弹性模量有所提升,但降低了材料的拉伸强度、冲击强度及断裂伸长率。碳纤维对聚丙烯有一定的异相成核作用,提升了聚丙烯基体的非等温结晶峰温度与结品度,并且促进PP基体中形成了β晶型。等温结晶过程中聚丙烯易于在碳纤维断面端部成核结晶。

EPDM-g-MAH 与SEBS-g-MAH在PP基体中的分散性较好,使PP的冲击强度与断裂伸长率有明显的提升,加入EPDM-g-MAH与SEBS-g-MAH的PP/CF复合材料具存较高的冲击强度与弹性模量。

PP/CF复合材料中增韧剂的加入导致了基体聚丙烯的成核能力的降低与结晶生长速率减慢。増韧剂并未改变PP/CF复合材料的结晶晶型,加入增韧剂的PP/CF复介材料中碳纤维的成核作用变得明显,使复合材料中的球晶主要生长在碳纤维附近。

我国应加快对碳纤维的研发,力争在设备、技术上得到实质性的突破,并提高性能,降低成本,以使我国碳纤维工业得到跨越式的发展;同时,也能推动汽车及其相关行业的快速发展。





 

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