汽车轻量化的碳纤维复合材料应用分析*

冯 帆

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

随着经济的不断发展，汽车逐渐成为人类的主要代步工具之一，汽车数量增多的同时，油量消耗数据呈递增状态不断增长，研究数据表明汽车的自重与油量消耗成正比关系，汽车自身重量越大，油量消耗越多，而汽车轻量化发展可以有效降低油量的消耗，实现节能减排的目的，成为汽车制造工业中重要的发展手段之一。除此之外，碳纤维复合材料凭借自身优势在众多制造材料中脱颖而出，成为当前汽车制造的主要原材料之一，摆脱钢材产业一家独大的局面，在未来发展中具有广阔的应用前景。

1 汽车轻量化技术的设计原理

1.1 汽车轻量化

汽车轻量化为实现汽车减重的目的，采用现代设计的方法，通过开展新材料以及对汽车整体进行优化设计的方法，进而实现减重的目的，通过该方法在一定程度上可实现减重与安全环保为一体的综合目标，为汽车行业的未来发展做出巨大贡献。汽车轻量化技术为满足市场竞争力，将以减轻汽车自身重量为核心目标，同时将以提升汽车的性能要求及成本费用为辅助目标，使其成为汽车行业的唯一选择。实际上汽车轻量化技术将以汽车车身的尺寸以及自身功能作为衡量标准，对于已经满足使用要求的汽车，汽车轻量化的整体设计内容将以减轻汽车自重为整体目标，而针对尚在完善中的汽车，轻量化的整体设计内容将以完善汽车功能为主要发展目标，总之，汽车轻量化的设计将根据汽车的实际情况做出功能改进，实现性能、减轻汽车自重以及控制成本为一体的综合目标［1］。

1.2 实现轻量化设计方法

为最大限度地减轻汽车自重，汽车轻量化设计将针对汽车结构采用承载式车身（BIW）的方法，并针对汽车结构实现优化设计，通过现代数值模拟技术减轻汽车内部零件的重量，将汽车内部结构小型化处理，去除冗余结构。汽车轻量化设计的金属材料使用部分将采用高强度钢以及轻质金属，其中高强度钢的使用将在一定程度上减少结构的质量，高强度钢的使用相对于低碳钢在强度上具有一定的优势，可以在保证汽车性能的同时有效控制汽车的自重。而轻质金属材料中密度相对较低的合金材料主要包括铝、镁以及钛合金，由于铝、镁以及钛合金具有一定的特点，因此将作为汽车减重的首选节能材料，其中铝合金具有较好的性能以及回收简便等特点，可以将其应用于压力铸造技术，实现节能减排的目的。镁的密度低于铝合金，是重要的有色金属之一，具有极强的融合能力，可以与其他金属形成高强度的合金，当前镁合金的应用将向着大型集成化方向发展。相对于铝和钢的耐温性来讲，钛合金具有一定的优势，可以在500℃的高温下保证较好的力学性能，强度不输高强度的钢合金，并且具有较强的耐腐蚀性，可以将其应用于较恶劣的环境下进行工作。而汽车轻量化设计的非金属材料使用部分将采用高分子材料以及陶瓷材料和复合材料，将其应用于汽车内部零件之中，具有一定优势。

2 低成本碳纤维技术

2.1 低成本原丝技术

碳纤维凭借自身性能优势，被广泛应用于汽车工业之中，碳纤维又称作“黑色黄金”，因其技术先进，将其应用于汽车工业造成成本略高的现象。为降低汽车制造成本，将开发低成本碳纤维技术，其中以原丝技术为核心部分。目前，市面上的碳纤维组成成分中原丝成本占据总成本的50%以上，降低原丝成本将在一定程度上实现低碳纤维成本的最低化发展，其实现方法可以通过在聚丙烯腈基碳纤维聚合过程中引入新单体的方式达到降低总成本的目的［2］。

2.2 采用大丝束碳纤维

根据根数可以将碳纤维分为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维，将大丝束碳纤维和小丝束碳纤维的性能处于相当的状态下进行对比，可以发现大丝束碳纤维的价格更加便宜。因此，汽车轻量化技术将以大丝束碳纤维作为核心进行研发，实现高品质发展的目标，通过将大丝束碳纤维应用于实际中发现，大丝束碳纤维可以达到产量高产的效果。

3 碳纤维复合材料的高效成型技术

使用碳纤维复合材料制造的汽车具有高品质、高性能的优势，是其他材料制造的汽车所无法比拟的，但碳纤维复合材料尚未广泛应用于汽车制造行业中的主要原因是成本较高，并且使用复合材料制造汽车成型率较低，将其应用于汽车制造行业将花费大量金钱以及时间，性价比低。为改进生产成本高、效率低的劣势，将开发碳纤维复合材料的高效成型技术，通过压缩时间达到降低制造成本的目的，除此之外，快速RTM（HP-RTM）与预浸料模压成型工艺的飞速发展也成为汽车工业重点关注的对象。

3.1 碳纤维复合材料的特性

碳纤维属于新型纤维材料，因其具有含碳量丰富、高强度、高模量等优势，可以将其应用于多种领域，在严苛的环境下也可完美发挥自身优势，具有较强的竞争能力。碳纤维复合材料实际上是碳纤维的增强体，主要由树脂、金属以及陶瓷等基体共同组成，成为复合材料的总称，而应用于汽车制造工业中的碳纤维复合材料将以树脂基碳纤维复合材料为主要组成成分，各类汽车轻量化材料性能比较见表1。从表1可以看出碳纤维复合材料的密度远低于传统汽车制造工业中所用金属材料的密度，将其应用于汽车制造工业中可以在极大程度上实现节能减排的目的，并且可以增加汽车行驶速度，除此之外，碳纤维复合材料的刚性以及吸能性可以保证汽车在行驶过程中的安全，通过震动阻尼可以在整体范围内改善噪音对人类的干扰，从而提升驾驶员的舒适度，将碳纤维复合材料应用于汽车制造工业中可以有效降低生产成本，并增加设计美感［3］。

表1 各类汽车轻量化材料性能比较Table 1 Comparison of performance of various types of automotive lightweight materials

3.2 快速RTM（HP-RTM）成型工艺

RTM（HP-RTM）成型技术的工艺流程十分简单，首先将碳纤维预成型织物放置于模具内，并在其中加入树脂液，通过加温固化的方法使树脂液处于凝固状态，即可脱模，从而得到碳纤维复合材料制件，RTM（HPRTM）成型工艺具有流程简单易操作、能量消耗低且生产周期较短等优势，初期投入低，后期回报较大，可实现自动化生产，减少人力物力的投入，但是成型时间较长，为降低生产周期，将从降低树脂固化时间以及注入树脂时间缩短生产周期，提高生产效率的同时，可以实现全自动化发展。

3.3 预浸料模压成型工艺

预浸料模压成型技术的工艺流程是将制造材料放置于树脂液中，使其完全浸没，从而形成预浸料，流程完毕后，将制作好的预浸料放置于热压机上，通过温度以及压力的共同作用使树脂形成预设的形状，脱模后即可得到碳纤维复合材料制件，该方法生产周期较短，在生产过程中所需成本较低，可以将其应用于大规模的集成化生产，该方法主要应用于汽车制造工业中的覆盖件生产，若想实现碳纤维复合材料汽车制件的高效生产，应通过预浸料对复合材料的高效性进行升级，推进汽车产业化的不断发展。

4 CFRP在汽车轻量化中的应用

4.1 车身构件

当前碳纤维复合材料在汽车工业中主要应用于汽车构件的制造，碳纤维复合材料的使用可以有效降低汽车自身总量，相对于传统汽车制造工业中所使用的材料，碳纤维复合材料更具优势，其自身的碳含量可以使汽车制件更加坚硬，减重的同时将提升汽车行驶速度，使驾驶人员的舒适感提升。

4.2 刹车片

碳纤维复合材料的优良特性促使其成为汽车制造工业中刹车片的理想材料，碳纤维复合材料的主要特性为：良好的耐热性以及抗腐蚀性使其在负载的环境下可以维持自身功能，不易被外界因素所干扰，除此之外，碳纤维复合材料稳定的摩擦系数使汽车在行驶过程中平稳且快速的前进，驾驶者可以通过由碳纤维复合材料制作的汽车中感受到舒适且快速的用车体验。

4.3 轮毂

轮毂在汽车的构件中占有较大比重，通过轮毂可以承受汽车全部的重量，因此，汽车的制造过程中对于轮毂的要求极高，需要轮毂具有较强的抗冲击性，除此之外，还应具有较好的安全性以及耐磨性，通过碳纤维复合材料制造的轮毂在满足要求的同时，可以实现汽车轻量化发展。汽车在行驶过程中，汽车的重力越大，惯性越大，即重力与惯性成正比关系，由碳纤维复合材料制造的轮毂可将惯性降至最低，且保持良好的性能。

4.4 传动轴

碳纤维复合材料所具备的优良特性可以使传动轴的质量更具优势，碳纤维复合材料自身特性的不断发展将在传动轴中充分发挥，使传动轴的重量减轻到原来的一半，除此之外，还将使传动轴具有较好的耐磨性，传动效率更快，使用周期更长，被广泛应用于各大领域［4］。

5 废旧碳纤维复合材料回收技术

随着碳纤维复合材料的广泛应用，大量的碳纤维废料将成为无法攻克的难题，因此应针对碳纤维废料的问题采用物理、热解、化学溶剂三大回收方法对其加以处理。

5.1 物理回收法

物理回收法的实现流程主要通过机械的方法，将金属件进行粉碎并掩埋处理，最终以粉末的形态用于水泥原料，除此之外，还可以将其应用于非结构件聚合物的填充料。目前，该方法在技术上较为成熟，但该技术对于能量的消耗过高，回收后的废料利用率较低，对于设备的损害较大，成本较高。

5.2 热解回收法

在正常状态下，碳纤维复合材料中的树脂不能自动分解，通过热解回收的方法可以实现分离的目的，其原理是将碳纤维复合材料置于高温和无氧环境下，使碳纤维复合材料中的树脂以小链分子的形式析出，从而将碳纤维从碳纤维复合材料中分离，该方法可以最大限度地保留纤维的拉伸强度。

5.3 化学溶剂回收法

相对于物理回收法和热解回收法来讲，化学溶剂回收法具有较大优势，通过化学溶剂将碳纤维复合材料中聚合物的交联结构溶解为低分子聚合物，实现分离的目的，该方法具有较强的灵活性，可以根据复合材料结构的不同，进而选择不同的化学溶剂，并且可以使碳纤维复合材料最大限度的回收，且不破坏碳纤维复合材料自身的性能［5］。

6 结束语

当前，汽车领域正在向着轻量化不断发展，而碳纤维复合材料凭借着自身优势成为汽车制造工业中的主要材料，逐步取代高强度钢以及铝合金在汽车制造工业中应用，随着新技术以及新材料的不断引进，碳纤维复合材料的应用将会十分广泛，通过回收环节可将碳纤维复合材料的作用发挥到极致，取代以往钢材的使用范围面，与之相媲美，具有较大的市场空间，但碳纤维复合材料的价格以及废料处理方面仍存在多种问题急需解决，实现低成本高品质的碳纤维复合材料将会是未来发展的核心，完善的碳纤维复合材料成型技术以及回收处理环节，将为汽车制造工业轻量化发展提供有力依据。