节能减排背景下汽车碳纤维复合材料应用的关键技术研究

解江浩

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院 陕西 西安 710018）

引言

目前，汽车产量和保有量持续攀升，对大气环境造成了极大的污染，加之油气资源危机，使得汽车节能减排问题日渐凸显，尾气排放标准更加严格。2018年1月1日起实行的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》国家大气污染物排放标准中，氮氧化物、颗粒物排放限值分别比第四阶段严格了25%～28%、82%[1]，汽车排放受到高标准的限制，已达到欧盟标准。而2016年1月1日实施的《中华人民共和国大气污染防治法》（主席令第三十一号）第一百一十条也明确规定：销售的机动车不符合污染排放标准的，销售者应负责修理、更换、退货，给购买者造成损失的，销售者应当赔偿损失[2]。面对这一严峻形势，汽车节能减排技术的创新与发展成为当务之急。

汽车轻量化设计是节能减排的关键技术之一，研究显示，汽车质量每减轻100 kg，每100 km油耗将减少0.7 L;汽车质量每减轻10%，汽车燃油效率将提高5.5%[3]。

碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced poly mer，CFRP）主要由碳纤维丝束和树脂材料构成[4]，融合了碳元素的化学稳定性，抗腐蚀性和耐久性较好，使用周期为普通钢材的2～3倍，抗拉强度高达3 500 MPa以上，为钢材的5倍，在减轻汽车质量、增强车身强度、降低燃油消耗率等方面具有明显的优势，可应用于动力系统、变速箱壳体、驾驶舱、内外饰构件等，是汽车轻量化设计与制造的首选材料。但在实际应用中，也面临着纤维材料和树脂材料成本过高、设计数据及工艺不成熟等诸多问题，增加了设计的成本和风险性，限制了其应用的普及性。本文通过对碳纤维复合材料性能优势的分析和归纳，探求其在汽车节能减排中的应用价值。通过剖析其现存的技术瓶颈，以此为突破口，推进碳纤维复合材料在汽车工业中的全方位高效利用。

1 汽车碳纤维复合材料的性能优势

汽车轻量化是降低污染、节约能源的最佳途径。目前，汽车轻量化主要是通过结构优化、改进设计工艺及材料轻量化等途径予以实现，而材料轻量化因为工序简便、成本较低而成为首选。与高密度钢、镁铝钛合金等轻质材料以及玻璃纤维复合材料相比，碳纤维复合材料作为一种碳含量在95%以上的材料，密度仅为1.6 g/cm3。碳纤维密度小，可用于车身覆盖件、内外饰构件、动力及底盘系统等，覆盖了车身及大部分零件，可有效降低汽车质量，实现轻量化设计[5]。

据英国材料系统实验室的数据分析[6]，碳纤维复合材料比低碳钢轻50%，比轻质铝合金轻30%。碳纤维复合材料的拉伸强度为钢的7～9倍，且比模量、比强度、弹性强度等方面均具有无可比拟的优势，如表1所示。将碳纤维复合材料应用于车身及其他零部件中，可使整车质量下降35%左右。

表1 碳纤维复合材料与其他材质的性能对比分析

美国能源部DOE等部门和机构的数据显示[7]，汽车整体质量每下降10%，油耗可降低6%～8%，排放可降低5%～6%。

大众新推出的采用碳纤维复合材料车身和零部件的XL1车型，总质量只有795 kg，结合混合动力技术，100 km油耗仅为0.9L，轻型化设计带来的节能效果明显[8]。

同时，基于现有碳纤维复合材料成型工艺，采用新型模压和粘结工艺取代传统的冲压和焊接，使得车身结构仅通过粘结、铆钉和螺栓联接即可完成快速组合，实现了设计、装配的集成化，缩减了生产线及模具、夹具的投入，极大地控制了零部件的种类，降低了装配工序的繁杂性和强度，使得车身结构更加紧凑，从而大幅度减轻了车身质量，提高了节能减排效能。

2 汽车碳纤维复合材料应用的技术瓶颈

碳纤维复合材料在汽车工业中具有巨大的潜在价值，但目前尚处在研发和应用初期。因技术的垄断性以及原材料成本高、溶液纺丝工艺效率低、造价高等原因，成型工艺不能满足高效率、规模化生产需求，阻碍了碳纤维复合材料的广泛应用。

2.1 原材料技术问题

汽车碳纤维复合材料应用中的最大问题是成本因素，目前，PAN（聚丙烯腈）基碳纤维制作过程是：先经过丙烯腈聚合、纺丝等工序加工成为聚丙烯腈纤维或原丝，即“母体”，然后置于200～300℃的预氧化炉中予以氧化，并在1 000～2 000℃下进行碳化[9]，最后完成碳纤维的制作。工序流程如图1所示。

图1 碳纤维复合材料的生产流程

制作过程中，“母体”的价格过高，约占生产成本的45%～60%；且“母体”加工工序繁琐、效率过低，设备投资大，占生产成本的20%～35%；碳纤维原丝需与树脂结合，制作预浸料等半成品，再经过高温固化、真空导入、热压罐等工艺，才能完成碳纤维复合材料的制作，生产工艺复杂且精度要求高。在碳纤维复合材料产品研发设计中，碳纤维铺层、强度、耐久性、透波率等测试依赖于高精度模具，增加了成本投入，加之其他增强纤维的价格也居于高位，从原材料到碳纤维，价格增加了200%；从碳纤维到复合材料产品，价格增加了233.33%。碳纤维复合材料的成本问题成为最大困扰，其造价过高，超过了消费者预期。因此，多用于仪表盘、内外饰等次要结构之中，且多局限于高端配置的车型，迫切需要完成从“贵族材料”到“平民化材料”的转化[10]。

2.2 成型技术问题

以往应用于航空航天、军事及体育产业中的碳纤维复合材料多采用热压罐成型方法[11]，此方法虽然具有成型效率高、成型模具简便、纤维密实度高、质量稳定等优势，但也存在成型能耗高、周期长等问题。较为普通的环氧类CFRP部件的完整固化耗时在4h之上，无法进行大批量的规模化生产，不能满足汽车轻量化的需求。热压罐成型工艺，需要在模具上铺设预浸料，然后置于热压罐进行加热、固化、成型。但空气介质导热效率低，加之模具自身比热容较高、热量吸收高，会降低成型效率，如果拟成型的汽车构件尺寸及厚度较大或结构复杂，容易产生构件内部残留应力分布不均的问题，导致成型构件扭曲变形。

3 汽车碳纤维复合材料应用的关键技术创新

3.1 高效低成本碳纤维制备技术

碳纤维复合材料制备过程中，各工艺技术的成本占比如图2所示[12]。

图2 碳纤维复合材料制备过程中各成本占比

从图2可以看出，高成本集中在“母体”价格，PAN原丝价格达到总成本的51%，降低原丝材料及加工成本是关键所在。

3.1.1 新型原材料

聚丙烯腈（PAN）作为高性能碳纤维原丝，缺点是成本过高。可选用成本较低的沥青、聚乙烯或可再生的木质素等作为替代原料。聚乙烯溶体的可纺性更优，成本低于PAN前体的原料，碳含量为86%，远高于PAN的63%，用聚乙烯作为原料，可增加20%的碳纤维产量[13]。因为聚乙烯制备过程中，需要以浸渍方法进行酸处理，减弱了碳纤维的力学性能，加之其工艺技术发展滞后，影响了碳纤维的稳定性，目前尚无法替代PAN，亟待技术更新。

石油、煤沥青来源广、软化点及芳烃含量高，制备的沥青基碳纤维，含碳量可达到92%以上，抗拉强度及模量可分别达到3000MPa及900MPa，且造价较低，在碳纤维生产中具有明显优势[14]。但芳烃含量高的沥青原料中，大π键轭体系结构间的作用性较强，易提高软化点，增大粘度，影响纺丝，需进行加氢预处理。而且，煤沥青原料中存在固态杂质或游离碳，易造成纺丝孔堵塞和碳纤维制品断裂，需要加入特定溶剂在100℃的温度下加热、过滤，将不溶物剔除。

E.Mora等人以40%的丙酮、60%的乙腈融合剂调制煤沥青[15]，以提高沥青软化点，确保碳纤维表层光滑性。在采用热缩聚法对沥青进行调制时，存在喹啉不溶物的残留，需要精确控制缩聚温度及时间。

木质素资源丰富，成本低廉，内部含有丰富的碳元素，碳化收率较高，是替代PAN的最佳选择。然而，木质素基碳纤维的研发面临高纯度、高分子量和高碳含量“三高”障碍。因木质素基碳纤维具有无定型三维结构的物质，分子量低且分布较宽，无法承受过大的伸拉张力，因此，制备的木质素原丝直径粗、取向低。对此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的欧阳琴等人提出，以酯化和自由基共聚两步法先制备热稳定性和可纺性较好的木质素—丙烯腈共聚物，然后利用丙烯腈共聚物，以湿法纺丝工艺制备连续原丝（具备较强伸张力、成形的木质素-丙烯腈共聚物原丝），获得结构更为紧密的碳纤维，为木质素基碳纤维力学性能的优化提供了有效支撑[16]。

木质素基碳纤维的制备工艺分为熔融纺丝、溶液纺丝及静电纺丝等[17]，应根据设计及应用需求选用不同的工艺，各工艺的优缺点如表2所示。

表2 木质素基碳纤维制备工艺的对比分析

木质素与环氧乙烷（PEO）、聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）等适量聚合物的共混纺丝，可降低木质素的软化温度，提高热熔性和纤维强度[18]，因此可作为未来研究的主要方向。

3.1.2 纺丝工艺

除了原材料改进之外，还需要对聚丙烯腈PAN原丝的制备工艺进行创新。以往常用的溶液纺丝制备方法，有毒化学溶剂使用量过高，生产周期长且成本高。从图1可知，预氧化和碳化环节需要进行废气、溶剂的回收及净化处理。而熔融纺丝工艺效率高、操作便捷，制备的碳纤维表面致密、光滑，径向分布均匀，尤其与聚合物共混后纺丝质量更佳。

利用丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯酰苯甲酮的共聚体，采用熔融纺丝工艺，经紫外线预氧化，完成了碳纤维制备[13]。

采用熔融纺丝工艺制备的PAN原丝[12]，纺丝效率高达500～1 000 m/min，提高了碳纤维的产量和性能，制备的碳纤维纺丝表层光滑、无皮芯结构或沟槽，熔融纺丝PAN纤维与其他原丝应力-应变曲线对比如图3所示。

图3 不同工艺方法的PAN原丝应力-应变曲线

3.2 快速成型工艺技术

3.2.1 热压罐成型工艺的优化

针对热压罐成型工艺成型效率低，且因为应力分布不均容易引发成型构件变形的问题，可将模具分为不同的加热区，设置多个加热器，在真空条件下进行接触加热，原理如图4所示。

图4 热压罐成型工艺中分区域的加热装置

可提高加热效率，减少50%的能耗，而且各个加热区可独立控制。在加工尺寸较大且结构复杂的构件时，可根据不同位置的温度需求进行灵活调控。为实现温度控制的精确性，可开发模拟软件来预测部件形变并相应调整加热温度，确保构件内部残留应力分布的均匀性，提高构件尺寸精度，部件成型效果可达到预设的尺寸与形状，解决了后续组装的问题[19]。

3.2.2 RTM快速成型工艺

RTM成型工艺是液体模塑成型技术，注射压力高达几千MPa，合模和压制效率较高，极大提高了成型效率。压力的大幅度增加可加快树脂填充速度，提高纤维树脂浸润度，缩减注射频率，加速排气，确保纤维制品密实度和表层光滑性。在汽车复合RTM构件设计中，需对模具、加工参数、工艺流程等进行精确设计，以避免分层、夹杂、松散、脱粘等问题[20]，以往需要根据经验进行不断实验、优化，重复循环，耗时耗力，可引入数字化技术进行工艺仿真，对模具结构、材料选择、树脂融合方案、固化时间及温度等工艺过程进行模拟分析，找准设计缺陷和不足，实现碳纤维复合材料的精确、高效制备。

洪都公司利用数字化仿真技术实现了碳纤维复合材料RTM工艺参数的优化以及模具设计的精确性[20]。采用PAM-RTM软件对研发的树脂填充方案进行模拟，并利用PAM-DISTORTION软件平台预测仿真碳纤维的固化变形。具体而言，首先，构建碳纤维RTM工艺材料的数据库，以应用需求为准，将纤维增强材料、树脂等的力学特性融入其中。其次，采用PAM-RTM软件构建工艺流程的仿真数据库，确保工艺仿真的精确性。

4 结束语

汽车应用材料及制作工艺对于节能减排的影响存在较大差异，碳纤维复合材料作为汽车轻量化设计的主要材料，能通过降低整车质量来提高燃油效率，达到节能减排的目的。但也面临着技术应用的瓶颈，为最大限度地控制原材料成本，优化纺丝及成型工艺，满足汽车大规模、高效率的碳纤维需求，可采用木质素、聚乙烯、沥青等材料替代单一的聚丙烯腈PAN，并根据溶液纺丝工艺的效率、溶液用量的局限性，促进熔融纺丝工艺技术的应用。同时，通过加热装置的多元布局，改善传统成型工艺的效率，实现复杂构件热应力分布的均匀性，并利用现代数字仿真技术优化RTM工艺参数及磨具设计的精确性。