面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术

（柳州裕信方盛汽车饰件有限公司，广西柳州 545006）

近些年来，汽车产量增多，保有量提升，能源的消耗随着提升，环境保护、安全性问题日益突出。节能环保也是目前我国乃至全世界汽车工业所面临的最主要问题。我国于2018年也规范了国家新城二氧化碳排放标准。在目前的形势之下，想要将汽车产业实现可持续性发展，就需要研发能够节约能源、减少有害物质排放量的技术，进而降低汽车的能耗，减轻汽车对于环境的污染程度。

有关研究表明：应用汽车轻量化技术，能够使汽车生产的能源消耗量降低，污染物排放量也可以受到控制，且是目前应用最主要的措施之一。汽车轻量化主要使用轻量化材料、结构以及制造技术进行实现。在各种各样的轻量化材料中，其中碳纤维复合材料和各种新型材料相比，其综合力学性能更加优秀，比强度、比模量、比吸能均较高，在等刚度或者等强度的设计原则之下，应用碳纤维复合材料，其结构和低碳钢结构相比，至少减重一半以上，比铝镁合金的结构减重在1/3左右，且碳纤维复合材料的抗疲劳性以及耐腐蚀性均较强，同时，该材料的寿命液相对较长。但是碳纤维的制造成本以及难度较大，导致碳纤维复合材料在汽车上的应用受限[1]。本篇文章，作者从低成本碳纤维技术到材料—结构—性能一体化设计技术，再到高效成型技术、多材料连接技术，最后到回收再利用技术进行分析，分析碳纤维复合材料的作用。

1.低成本碳纤维技术

人们的日常生活几乎已经离不开汽车，汽车逐渐成为刚需，所以，在生产汽车的同时，需要考虑到汽车的可靠性以及经济性。碳纤维复合材料的成本较高，导致无法大面积使用碳纤维复合材料。因此，降低碳纤维成本是目前汽车实现轻量化的重中之重。

1.1 原丝技术

目前，碳纤维一般由三种材料制备而成，分别为：人造丝、沥青以及聚丙烯腈。由聚丙烯腈得到的碳纤维的综合性能优越，应用比较普遍，且聚丙烯腈碳纤维成分构成中，原丝的成本大约为50%，由此可见，想要降低碳纤维成本，最直接的办法就是降低原丝成本。沥青的资源相对丰富，价格较低，含碳量较高，这就使沥青碳纤维的获取成本较低，其发展前景比较广阔。沥青碳纤维可以根据其性能的不同，分成通用级别沥青碳纤维和高性能的沥青碳纤维。目前，全世界中沥青碳纤维的主要生产公司来源于日本和美国。沥青碳纤维的弹性模量高，具有优良的导热性，但是其抗拉强度以及抗压强度较差，制备工艺的难度较高，且沥青的提纯成本相对较高。木质素的来源广泛、价格低、含碳量较高，具有可再生性，其分子结构中的芳香族成分较丰富，受到越来越广泛的关注。木质素碳纤维的拉伸模量、抗拉强度以及断裂延伸率均较为优良，但是，木质素中的化学键较多，拥有较多的不规则结构，想要成功分解，其条件相对苛刻，另外木质素在化学分解过程中，容易发生焦炭情况，所以，采用木质素制备碳纤维时，还需要解决较多的问题[2]。

除了运用新的原料之外，我们还可以对现有的聚丙烯腈原丝的制备工艺进行改进优化，使其制备成本降低。目前，聚丙烯腈原丝一般会采用溶液纺丝方法制备，使用该方法制备碳纤维，能够避免使用到具有毒性的化学溶剂，其成本更低，生产效率更高。有研究表明：聚丙烯腈原丝由熔融纺丝制备而来，可以大幅提高纺丝效率，且得到的纤维表面质量更好。虽然熔融纺丝的优势众多，但是，制备工艺比较复杂，难度较高，无法有效保障原丝的质量，因此，目前一般会使用溶液纺丝方法来制备聚丙烯腈碳纤维。

1.2 预氧化工艺

预氧化工艺既能够对碳纤维的质量进行控制，又能够对碳纤维的产量进行控制。目前，可以通过预处理聚丙烯腈原丝，可以改变预氧化的方法，进而该技能生产碳纤维的过程。我们可以使用化学方法和物理方法来预处理聚丙烯腈原丝。化学方法主要是通过化学改性，使环化温度降低，将预氧速度进行提升，进而降低成本。物理方法是通过紫外线等方法进行处理。物理方法和化学方法可以使环化反应的激活能降低，进而减少预氧化所需时间。

1.3 大丝束碳纤维技术

大丝束碳纤维的性能较小，属于通用级别的碳纤维，主要用在一般工业生产中。大丝束碳纤维的制备成本较低，但是，大丝束碳纤维的丝束较大，容易出现聚集情况，导致无法得到良好的展纱效果。另外，展纱过程中，乱纱以及断纱也比较常见，力学性能的分散性较高，大丝束碳纤维的制造难度因此明显增加。

2.材料-结构-性能一体化技术

利用传统的设计、思想很难将碳纤维复合材料的潜能发挥出来。利用材料—结构—性能一体化设计技术，既能够将零部件数量降低，又能够使制造过程以及装配过程得到优化，使材料性能得以充分发挥，是未来复合材料汽车零部件的主要发展方向。

3.高效成型技术

碳纤维复合材料主要应用在航天、航空工业中，其优点显著，包括：构建纤维体积的含量较高、质量的稳定性良好、成型模具比较简单等。但是，热压罐成型的存在周期相对较长，需要较大的能耗，无法实现大规模工业生产以及高效率生产。液体模塑成型技术和热压成型技术与传统方法相比，效率更高，成本更低、自动化更加容易实现，主要应用在高效成型技术中。

4.多材料连接技术

利用传统方法将汽车车身相连时，需要频繁使用电阻点焊工艺，同时，还要联合粘接、铆接等工艺方法进行装配。在汽车零部件中应用碳纤维复合材料时，需要将碳纤维复合材料和钢铝合金等材料进行连接。但是，碳纤维复合材料和其他材料相比，各种性能、加工制造方法均存在差异，导致通过传统的汽车链接设计、制造方法无法使汽车上复合材料的连接要求得到满足，所以，在连接汽车车身时，就需要考虑到复合材料于其他材料之间的性能是否存在差异，进而寻找能够和碳纤维复合材料相关的多材料连接技术。

4.1 机械连接

机械连接主要是使用螺栓、铆钉等紧固件实现连接。虽然机械连接中存在开孔产生的应力集中、连接效率较低等特点，但是，其具有抗高温性、抗蠕变性、连接强度的分散性小、抗剥离性、易拆卸性等。可以连接汽车的连接性要求较高的位置。

4.2 胶接连接

胶接连接就是通过使用胶粘剂连接构件，使其成为不可以拆卸的整体，胶接连接的另加数目较少，结构效率较高，具有抗疲劳性等特点，但是其容易剥离、承载能力较差，容易发生环境退化以及不可拆卸等情况。汽车零部件的使用条件通常状况下比较恶劣，容易被湿热等环境因素影响，降低其性能，对碳纤维复合材料和金属接头的强度产生影响。

5.回收再利用技术

回收报废汽车和再利用技术能够帮助汽车产业起到可持续性发展，回收汽车零部件中的碳纤维复合材料，再次利用，使环保法律法规的重要内容，原始碳纤维的本本高，再生碳纤维的成本较低，经济效益良好。碳纤维复合材料在汽车上的应用具有广阔的前景，所以，回收再利用技术的发展是极为必要的，在汽车可持续发展的过程中具有重要的意义。

6.结语

汽车轻量化的实现离不开轻质高强金属、复合材料以及塑料材料。轻量化潜力巨大，碳纤维复合材料在汽车中的应用范围也在逐渐增大。碳纤维复合材料在刚被研发出来时，需要较高成本，所以，进应用在F1赛车以及超级跑车上，但是，随着碳纤维成本的降低，碳纤维复合材料应用在普通汽车上也是屡见不鲜的，使普通汽车的轻量化以及安全性得到较大的提升；目前，碳纤维复合材料汽车零部件的用量逐渐增加，其逐渐向自动化、智能化模式转变，也再次降低汽车零部件的低成本，实现广泛轻量化。