汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是減輕環(huán)境污染和資源短缺雙重壓力的關(guān)鍵技術(shù)之一。在汽車(chē)材料中，碳纖維復(fù)合材料在密度、比強(qiáng)度、比模量等方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)，可減輕汽車(chē)質(zhì)量，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足節(jié)能減排的需求。但因?yàn)樵牧铣杀?、制作工藝及?yīng)用設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)瓶頸，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用受到限制。闡釋了碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化發(fā)展中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，解析了其所存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)新型多元技術(shù)的研發(fā)和融合應(yīng)用，最大限度地發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的作用。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料基體樹(shù)脂輕量化節(jié)能減排

引言

目前，汽車(chē)產(chǎn)量和保有量持續(xù)攀升，對(duì)大氣環(huán)境造成了極大的污染，加之油氣資源危機(jī)，使得汽車(chē)節(jié)能減排問(wèn)題日漸凸顯，尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。2018年1月1日起實(shí)行的《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》國(guó)家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中，氮氧化物、顆粒物排放限值分別比第四階段嚴(yán)格了25%~28%、82%，汽車(chē)排放受到高標(biāo)準(zhǔn)的限制，已達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。而2016年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》（主席令第三十一號(hào)）第一百一十條也明確規(guī)定：銷(xiāo)售的機(jī)動(dòng)車(chē)不符合污染排放標(biāo)準(zhǔn)的，銷(xiāo)售者應(yīng)負(fù)責(zé)修理、更換、退貨，給購(gòu)買(mǎi)者造成損失的，銷(xiāo)售者應(yīng)當(dāng)賠償損失。面對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì)，汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。

汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究顯示，汽車(chē)質(zhì)量每減輕100kg，每100km油耗將減少0.7L;汽車(chē)質(zhì)量每減輕10%，汽車(chē)燃油效率將提高5.5%。

1、汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)

據(jù)英國(guó)材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析，碳纖維復(fù)合材料比低碳鋼輕50%，比輕質(zhì)鋁合金輕30%。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為鋼的7~9倍，且比模量、比強(qiáng)度、彈性強(qiáng)度等方面均具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車(chē)身及其他零部件中，可使整車(chē)質(zhì)量下降35%左右。

美國(guó)能源部DOE等部門(mén)和機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)整體質(zhì)量每下降10%，油耗可降低6%~8%，排放可降低5%~6%。

2、汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的技術(shù)瓶頸

碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中具有巨大的潛在價(jià)值，但目前尚處在研發(fā)和應(yīng)用初期。因技術(shù)的壟斷性以及原材料成本高、溶液紡絲工藝效率低、造價(jià)高等原因，成型工藝不能滿足高效率、規(guī)?；a(chǎn)需求，阻礙了碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

2.1 原材料技術(shù)問(wèn)題

制作過(guò)程中，“母體”的價(jià)格過(guò)高，約占生產(chǎn)成本的45%~60%；且“母體”加工工序繁瑣、效率過(guò)低，設(shè)備投資大，占生產(chǎn)成本的20%~35%；碳纖維原絲需與樹(shù)脂結(jié)合，制作預(yù)浸料等半成品，再經(jīng)過(guò)高溫固化、真空導(dǎo)入、熱壓罐等工藝，才能完成碳纖維復(fù)合材料的制作，生產(chǎn)工藝復(fù)雜且精度要求高。在碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中，碳纖維鋪層、強(qiáng)度、耐久性、透波率等測(cè)試依賴于高精度模具，增加了成本投入，加之其他增強(qiáng)纖維的價(jià)格也居于高位，從原材料到碳纖維，價(jià)格增加了200%；從碳纖維到復(fù)合材料產(chǎn)品，價(jià)格增加了233.33%。碳纖維復(fù)合材料的成本問(wèn)題成為最大困擾，其造價(jià)過(guò)高，超過(guò)了消費(fèi)者預(yù)期。因此，多用于儀表盤(pán)、內(nèi)外飾等次要結(jié)構(gòu)之中，且多局限于高端配置的車(chē)型，迫切需要完成從“貴族材料”到“平民化材料”的轉(zhuǎn)化。

2.2 成型技術(shù)問(wèn)題

3、汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

3.1 高效低成本碳纖維制備技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料制備過(guò)程中，各工藝技術(shù)的成本占比如圖2所示。

PAN原絲價(jià)格達(dá)到總成本的51%，降低原絲材料及加工成本是關(guān)鍵所在。

3.1.1 新型原材料

E.Mora等人以40%的丙酮、60%的乙腈融合劑調(diào)制煤瀝青，以提高瀝青軟化點(diǎn)，確保碳纖維表層光滑性。在采用熱縮聚法對(duì)瀝青進(jìn)行調(diào)制時(shí)，存在喹啉不溶物的殘留，需要精確控制縮聚溫度及時(shí)間。

木質(zhì)素資源豐富，成本低廉，內(nèi)部含有豐富的碳元素，碳化收率較高，是替代PAN的最佳選擇。然而，木質(zhì)素基碳纖維的研發(fā)面臨高純度、高分子量和高碳含量“三高”障礙。因木質(zhì)素基碳纖維具有無(wú)定型三維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，分子量低且分布較寬，無(wú)法承受過(guò)大的伸拉張力，因此，制備的木質(zhì)素原絲直徑粗、取向低。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的歐陽(yáng)琴等人提出，以酯化和自由基共聚兩步法先制備熱穩(wěn)定性和可紡性較好的木質(zhì)素—丙烯腈共聚物，然后利用丙烯腈共聚物，以濕法紡絲工藝制備連續(xù)原絲（具備較強(qiáng)伸張力、成形的木質(zhì)素-丙烯腈共聚物原絲），獲得結(jié)構(gòu)更為緊密的碳纖維，為木質(zhì)素基碳纖維力學(xué)性能的優(yōu)化提供了有效支撐。

木質(zhì)素基碳纖維的制備工藝分為熔融紡絲、溶液紡絲及靜電紡絲等，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用需求選用不同的工藝，各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

木質(zhì)素與環(huán)氧乙烷（PEO）、聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）等適量聚合物的共混紡絲，可降低木質(zhì)素的軟化溫度，提高熱熔性和纖維強(qiáng)度[18]，因此可作為未來(lái)研究的主要方向。

3.1.2 紡絲工藝

采用熔融紡絲工藝制備的PAN原絲，紡絲效率高達(dá)500~1000m/min，提高了碳纖維的產(chǎn)量和性能，制備的碳纖維紡絲表層光滑、無(wú)皮芯結(jié)構(gòu)或溝槽，熔融紡絲PAN纖維與其他原絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比如圖3所示。

3.2 快速成型工藝技術(shù)

3.2.1 熱壓罐成型工藝的優(yōu)化

針對(duì)熱壓罐成型工藝成型效率低，且因?yàn)閼?yīng)力分布不均容易引發(fā)成型構(gòu)件變形的問(wèn)題，可將模具分為不同的加熱區(qū)，設(shè)置多個(gè)加熱器，在真空條件下進(jìn)行接觸加熱，原理如圖4所示。

可提高加熱效率，減少50%的能耗，而且各個(gè)加熱區(qū)可獨(dú)立控制。在加工尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件時(shí)，可根據(jù)不同位置的溫度需求進(jìn)行靈活調(diào)控。為實(shí)現(xiàn)溫度控制的精確性，可開(kāi)發(fā)模擬軟件來(lái)預(yù)測(cè)部件形變并相應(yīng)調(diào)整加熱溫度，確保構(gòu)件內(nèi)部殘留應(yīng)力分布的均勻性，提高構(gòu)件尺寸精度，部件成型效果可達(dá)到預(yù)設(shè)的尺寸與形狀，解決了后續(xù)組裝的問(wèn)題。

3.2.2 TM快速成型工藝

洪都公司利用數(shù)字化仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料RTM工藝參數(shù)的優(yōu)化以及模具設(shè)計(jì)的精確性。采用PAM-RTM軟件對(duì)研發(fā)的樹(shù)脂填充方案進(jìn)行模擬，并利用PAM-DISTORTION軟件平臺(tái)預(yù)測(cè)仿真碳纖維的固化變形。具體而言，首先，構(gòu)建碳纖維RTM工藝材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，以應(yīng)用需求為準(zhǔn)，將纖維增強(qiáng)材料、樹(shù)脂等的力學(xué)特性融入其中。其次，采用PAM-RTM軟件構(gòu)建工藝流程的仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，確保工藝仿真的精確性。

4、結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)應(yīng)用材料及制作工藝對(duì)于節(jié)能減排的影響存在較大差異，碳纖維復(fù)合材料作為汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的主要材料，能通過(guò)降低整車(chē)質(zhì)量來(lái)提高燃油效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。但也面臨著技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，為最大限度地控制原材料成本，優(yōu)化紡絲及成型工藝，滿足汽車(chē)大規(guī)模、高效率的碳纖維需求，可采用木質(zhì)素、聚乙烯、瀝青等材料替代單一的聚丙烯腈PAN，并根據(jù)溶液紡絲工藝的效率、溶液用量的局限性，促進(jìn)熔融紡絲工藝技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)加熱裝置的多元布局，改善傳統(tǒng)成型工藝的效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件熱應(yīng)力分布的均勻性，并利用現(xiàn)代數(shù)字仿真技術(shù)優(yōu)化RTM工藝參數(shù)及磨具設(shè)計(jì)的精確性。