车用热塑性碳纤维增强复合材料开发

材料应用

车用热塑性碳纤维增强复合材料开发

电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车推广应用的主要障碍在于其有限的续驶里程。减轻新能源汽车的质量，有利于扩展新能源汽车的续驶里程。汽车轻量化可通过结构优化和采用轻质材料两种方法来实现。碳纤维增强复合材料具有较高的比强度和比刚度，成为实现汽车轻量化的首选材料。但是，利用传统热固性碳纤维增强复合材料进行汽车零部件的制造时，往往需要很长的化学反应时间，因而不能在汽车行业中量产应用。对此，提出了一种热塑性碳纤维增强复合材料，其可以通过冲压成型进行汽车零部件的制造，缩短了碳纤维增强复合材料零部件的生产时间。

碳纤维增强复合材料主要由碳纤维和基体两部分构成，其力学性能随碳纤维含量和碳纤维长度的增加而提高，而成型性则随之降低。此外，由于碳纤维成本是复合材料成本的主要部分，因而进行复合材料的开发时不能过多地依靠增加碳纤维含量提升复合材料的性能。对此，考虑对基体材料进行更改，以实现对复合材料力学性能和成型性的兼顾。由于热塑性树脂具有较好的成型性，因而选择热塑性树脂中的聚酰胺树脂做为基体材料，将其与一定质量分数的碳纤维混合，形成热塑性碳纤维增强复合材料。通过力学性能测试表明，当碳纤维含量为9%时，复合材料的力学性能最好。对这种热塑性碳纤维增强复合材料进行性能验证时，以丰田Mirai氢燃料电池汽车的副车架为原型，进行复合材料的替换研究。替换时，为保证副车架的碰撞安全性，仍采用钢质框架，对其它金属部件采用热塑性碳纤维增强复合材料的替换。同时，对替换后的副车架进行力学性能和碰撞安全性的测试。测试结果显示：在保持相同的力学性能和安全性能的水平下，与钢质副车架相比，热塑性碳纤维增强复合材料副车架质量减轻了11kg。

Masaya Miura et al.SAE 2016-01-0532.

编译：张振伟