碳纤维复合材料在汽车上的应用和发展

王帅，王隆宇，李多，门立忠

（华晨汽车工程研究能量管理室，辽宁 沈阳 110141）

碳纤维复合材料在汽车上的应用和发展

王帅，王隆宇，李多，门立忠

（华晨汽车工程研究能量管理室，辽宁 沈阳 110141）

碳纤维增强树脂基复合材料CFRP与传统钢材铝合金材相比，具有高强度、高模量，从纯材料密度角度，可减重30%-50%左右，同时具有相同的承力能力。这一材料体系在汽车上的应用发展源自这一材料体系在民用航空领域的巨大成功。碳纤维复材本身轻，耐腐蚀，疲劳寿命长，全周期维修成本低，一旦全体系供应链产业链成熟，在轻量化领域，骨架结构承力结构上基本可以替代钢材和铝合金。

碳纤维复合材料；发动机舱盖；以塑代钢

CLC NO.:U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-170-03

前言

碳纤维增强基复合材料是由碳纤维织物增强碳所形成的复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻强度高 、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，同时也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面主要应用在车身A柱、B柱、顶盖横梁等承重结构，外覆盖件如发动机舱盖、顶盖和翼子板等部位。

图1 碳纤维复合材料在整车上的应用

本文针对国内汽车企业的碳纤维复合材料应用，重点分析碳纤维在整车上的应用。

1 碳纤维复合材料性能优势

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能、热烧蚀性能、可设计性和耐冲击性等几个方面。

1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70-1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，弹性模量为200～400GPa。纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。

3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象，通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部。

4）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。

5）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。

2 某车型碳纤维复合材料发动机舱盖设计开发

2.1 碳纤维复合材料发动机舱盖设计性能开发要求

a）模态

b）刚度

c）强度

d）抗凹性

图2 碳纤维复合材料发动机舱盖设计

e）抗扭设计碳纤维发动机罩盖的设计是在钢质结构基础上进行的尝试，首先保证发动机罩盖的造型A曲面、密封面、锁扣安装点及铰链安装点等设计硬点不变，其次以钢质发动机罩的刚度、模态及行人保护等性能指标作为碳纤维发动机罩盖设计的性能指标，从而进行结构拓扑优化和结构设计,选定碳纤维铺层结构作为发动机罩盖主要材料后，首先对碳纤维板进行结构拓扑优化，以确定发动机罩的基本结构，其优化目标为碳板各区域的厚度变化。

2.2 等刚度替换，厚度初步定义

Ec——为层合板的等效模量；

Ic——为复合材料结构横截面的惯性矩；

E——为原结构材料的模量；

I——为原结构横截面的惯性矩。

b为横截面的宽度，h为横截面的高度（或厚度）。

表1 厚度截面

2.3 整体结构设计

根据产品结构，采用内、外双层板结构，内板用变厚度结构铺覆，安装点与原金属结构保持一致，安装结构以KAS面为基准，根据厚度变化进行优化密封面与金属结构一致。

图3 发动机舱盖X向结构设计

图4 发动机舱盖Y向结构设计

图5 发动机舱盖Y向尾部结构设计

图6 胶结结构设计

2.4 发动机成型工艺

目前国内碳纤维复合材料批产工艺主要有HP-RTM、湿法模压、Surface-RTM、PCM和SMC等工艺。由于本轮碳纤维复合材料以搭载测试为主，前期需求量不大，不适合用HP-RTM等成本较高的工艺方式。通过对比工艺采用真空辅助成型，使用玻璃钢模具，模具成本低且能满足外观表面要求。

图7 碳纤维发动机盖工艺

3 碳纤维复合材料发动机舱盖优点

碳纤维复合材料发动机舱盖优点：

a）阻尼较高，较好的隔音性能；

b）刚度较高，提高阀盖抗凹性；

c）减重50%以上，提高锁、铰链耐久性；

d）较高的模态，提高NVH性能；

e）集成化设计，内板可集成加强板，减少零件个数

f）直接安装，不需要改线

4 结论

综上所述，由于碳纤维具有良好的物理特性及机械性能表现在力学性能、热物理性能、热烧蚀性能、可设计性和耐冲击性等，所以碳纤维的应用是目前汽车行业轻量化的重点研究方向之一。

但是目前碳纤维复合材料的推广应用也存在一定的困难：首先是碳纤维原材料成本较高，大部分的原丝生产都集中在有限的几个供应商；其次碳纤维制品的生产制造技术具有一定局限性，缺乏快速和大批量连接技术，生产周期较长，目前还难以实现大规模生产；此外碳纤维无法降解，在循环再利用方面还需研究；最后汽车零部件的工程设计、试验方法、分析工具等还不完善。国外各汽车厂商及主要碳纤维原材料供应商都在积极开展工程设计、工艺方案改进等研究开发工作，以验证产品设计、降低成本等为目的，为碳纤维复合材料的大规模推广应用做准备鉴于碳纤维复合材料在整车轻量化方面的广阔前景，建议国内汽车厂商应走自主研发及同国外有关企业合作推进两条腿走路的方式，为今后包括碳纤维在内的复合材料轻质零部件研发与市场拓展打下良好的基础。

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Research on China VI evaporative emission of pollutants

Wang Shuai, Wang longyu, Li Duo, Men Lizhong
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Carbon fiber reinforced plastics(CFRP) has the advantages of higher strength and modulus than conventional materials such as steel and aluminium alloy, which will reduce weight by 30% to 50% under the same strength from the point of density in purely. Application and development of CFRP to vehicle benefit from the great success of its application in civil aviation industry. CFRP is light, corrosion resistant, with long endurance life and low maintenance cost during the lifecycle. Once the supply chain and the industry chain in the whole system transform into mature stage, in light weight area, the material of load-bearing structure will be replaced by CFRP.

Carbon fiber reinforced plastics(CFRP); engine hood; steel to plastic

U465

A

1671-7988 (2017)15-170-03

王帅，就职于华晨汽车工程研究院，重量管理工程师，主要从事汽车设计开发相关工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.062