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碳纤维在轻量化汽车领域的应用
发布时间:2021-04-09   浏览次数:59

由格罗夫氢能全新正向开发的碳纤维车身全功率氢能动力乘用车首台样车研制成功,全车身碳纤维正向设计,搭载全球领先的氢燃料电堆,整车质量更轻能耗更低,续航里程1000公里以上;德国三大汽车巨头大众集团、戴姆勒集团和宝马集团在德国汽车工业协会(VDA)撮合下,就汽车行业未来策略达成一致决定:未来属于新能源电动车。在新能源汽车领域,一场关于氢能源汽车和电动车之争剑拔弩张,然而无论新能源汽车采用何种燃料驱动,碳纤维及其复合材料却是决定汽车轻量化的关键!

1、背   景

据有关部门统计,预计我国汽车保有量2025 年达到 3.6 亿辆,而汽车保有量的峰值将会达到 6 亿辆。与汽车工业高速增长相对应,其对环境带来破坏程度也与日俱增。我国汽车的二氧化碳(CO2)排放量大约占总排放量10%,再加上其他有害气体和颗粒物,汽车与环境之间的矛盾不断加剧。因而,在国家大力倡导节能减排和低碳环保政策的强力驱动下,新能源汽车成为汽车工业重要发展方向。

2、汽车轻量化必要性

实验数据表明,汽车整备质量减轻 10%,油耗将减少 6%~8%,排放性改善 6%,制动距离降低 5%,加速时间缩短 8%,转向力矩减少 6%,轮胎寿命提高 7%,材料疲劳寿命提高 10%,CO2 排放量降低 8 ~ 11g/(100km);对于纯电动汽车,整车重量降低 10%,平均续驶能力可以增加 5%~8%。因此,面对节能减排和低碳的双重压力,汽车轻量化是解决我国汽车环保方面的有效途径之一。

目前,汽车轻量化主要是针对汽车结构、变速器、发动机、悬架、车身及其他附件设计,并使用轻质材料的方式实现。目前现代轿车所使用的传统材料主要为钢材、铸铁、铝合金和塑料等。其中,钢材占比约55%~60%, 铸 铁 12%~15%, 铝 占 比 8%~10%,塑料占比约 8% ~ 12%。在满足汽车的使用性能、安全性能和成本要求的前提下,采用轻量化新型材料,可以提高汽车的动力性、降低油耗、改善排放性,达到节能减排和低碳环保的目的。

若要实现汽车轻量化,力学性能优异的碳纤维被寄予厚望。碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量大于 90%,具有加工能耗低、轻质高强、耐腐蚀、容易成型等优点,其成为汽车轻量化的理想材料。比铝还要轻,它的应用可使汽车车身减轻质量 30% ~ 60%。

3、碳纤维复合材料在汽车领域应用优势

碳纤维增强复合材料(CFRP)的使用可使车身、底盘减重 50% 以上,相当于钢结构重量的 1/3~1/6。CFRP所制的板簧,重量仅为 14 kg,比传统材料减重 76%。利用碳纤维制造的汽车传动轴,除了可以减轻重量,由于其高效的吸能和减震性能,还可以降低噪声污染和振动强度,起到很好的降噪和缓冲作用,保证了汽车整体工作的平顺性。比如:英国 GKN 公司使用碳纤维增强塑料制造的传动轴,可减轻重量50%~60%,比钢轴的抗扭性高 10 倍,弯曲刚度高 15 倍。CFRP在汽车领域应用优势主要取决于以下几方面:

3.1 综合力学性能优异

CFRP具有很好的韧性和抗拉强度,其比强度是普通钢、铝合金、钛合金、玻璃钢的 2 ~ 8 倍,比模量是普通钢、铝合金、钛合金、玻璃钢的3~5。而且,其密度在1.45~1.6g/cm3 之间,不到钢的 25%,比铝合金还要轻1/3 左右。碳纤维复合材料的综合力学性能明显优于金属材料,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的 30%~50%,而 CFRP 可达 70%~80%,CFRP 还具有比轻金属更好的振动阻尼特性,比如轻合金需要 9 s 才能停止震动,而碳纤维复合材料 2 s 就能停止。

3.2 可设计性强

碳纤维复合材料的可设计性强, 可依据使用性能要求合理选择基体材料, 设计纤维的排列方式和复合材料的构造形式,灵活地进行产品设计。例如,将碳纤维按照受力方向排布,可充分发挥复合材料强度的各项异性,从而达到节约材料和减轻质量的目的。对于要求具有耐腐蚀性能的产品,在设计时,可选用耐腐蚀性能好的基体材料。

3.3 可实现一体化制造

模块化、整体化也是汽车结构的一种发展趋势。复合材料在成型时易于制成各种形状的曲面,实现一体化制造汽车零部件产品。一体化成型制造不仅可以减少零部件的数量和模具数量,减少零部件连接等工序,还可以极大地缩短生产周期。例如,如果汽车前端模块采用碳纤维复合材料制作,可实现整体一体化成型, 避免金属制件的后续拼焊和后续加工产生的局部应力集中,在保障产品精度和提高性能的同时,减轻汽车零部件质量,降低制造成本。

3.4 吸能抗冲击性强

CFRP具有一定的黏弹性,并且碳纤维与基体之间有微小的局部相对运动,可产生界面摩擦力。在黏弹性和界面摩擦力的协同作用下,CFRP制件具有更好的吸能抗冲击性能。另一方面,经特殊编织的碳纤维复合材料碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,吸收大量的撞击能量,其能量吸收能力比金属材料高4~5 倍,能有效提高车辆安全性,保障成员安全。

3.5 耐腐蚀性能优异

CFRP主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,具有优异的耐酸碱性能,用其制造的汽车零部件无需进行表面防腐处理,其耐候性和耐老化性能较好,寿命一般为钢材的 2~3 倍。

3.6 抗疲劳性能好

CFRP因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用,其抗疲劳性能可达 70%~80%。碳纤维的结构稳定,制成的复合材料经应力疲劳数百万次的循环试验后, 其强度保留率仍有60%,而钢材和铝材分别为 40%和 30%,玻璃钢只有 20%~25%。因此,碳纤维复合材料的抗疲劳性能适合广泛应用于汽车行业。

4、碳纤维复合材料在汽车领域应用及发展历程

4.1 碳纤维复合材料汽车应用情况

据美国相关咨询公司发布的数据,碳纤维复合材料应用在汽车中的 比 例 显 著 提 升。2010 ~2017年,碳纤维复合材料年均增长率将达到31.5%。2017年,全球汽车碳纤维复合材料将增长至 7885t。目前,工厂与一级供应商、碳纤维制造商合作以制造可用的零部件。德国赢创集团与美国江森自控有限公司、雅各布塑料以及东邦化学株式会社研发碳纤维增强塑料材料(CFRP);荷兰昙卡草坪集团与东丽株式会社建立供应协议 ;东丽与戴姆勒股份公司研发奔驰CFRP部件。

宝马集团与碳纤维生产商西格里集团投资1亿欧元对位于美国摩西湖的工厂进行扩建,碳纤维产量由3000t/a提高到6000t/a。该项目生产的碳纤维将用于满足宝马i系列电动汽车市场,同时应用于 2014年底上市的宝马 7系车上,以减轻新型宝马自重并降低CO2的排放量。

4.2汽车用碳纤维复合材料发展历程

20 世纪 70 年代末,福特公司将碳纤维复合材料应用在汽车轻量化上的研究取得了较好的效果;1981 年,碳纤维汽车首次亮相,迈凯伦McLaren MP4-1 车型是全球首款采用碳纤维复合材料制成的汽车,被认为是碳纤维复合材料首次正式出现在汽车工业领域。

随后,美国道奇蝰蛇和 2014 款雪佛兰科尔维特使用碳纤维材料生产了发动机罩和其他部位,其中科尔维特计划实现产销量 2万辆/年。2014年12月2日,宝马宣布与美国波音航空公司展开合作,共同开发碳纤维材料技术应用于新型汽车和飞行器。

2015 年,宝马公司推出碳车身宝马 7 系,其 B 柱、C 柱、中央通道、门梁和车顶棚梁等车身覆盖件均使用碳纤维复合材料,驾驶室扭转刚度性能提升,整车质量下降230kg。2016 年,特斯拉 Roadster 电动跑车,采用碳纤维复合材料车身后整车重量只有 920 kg,与使用其他轻量化材料的汽车相比,质量更轻,加速性能、操控性能和环保性能更好。

2016年,日本帝人公司计划提高其全球碳纤维产能至 36%,达到 18900t,同时扩大美国田纳西州工厂的产能,以满足丰田汽车公司和通用汽车公司的需求;德国大众高尔夫7使用碳纤维车顶,可减重18~20磅 ;宝马7系采用碳纤维材质后比老款减重230kg。

在国内,江苏奥新新能源汽车有限公司于 2015 年1 月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车; 北京现代汽车成功研发了碳纤维发动机盖覆盖件等一系列碳纤维复合材料部件; 奇瑞汽车开发了一款碳纤维复合材料的电动汽车。

目前,利用国外在碳纤维复合材料对汽车进行轻量化改进领域已逐步推广应用,以宝马、奥迪、奔驰、福特、通用、丰田、日产、大众等为代表的知名厂商已开始深入介入碳纤维产业,逐渐将碳纤维复合材料应用到旗下不同车型。国内汽车工业应用碳纤维复合材料尚处于起步阶段。2017 年,北汽集与康得复材签订了中国首个碳纤维汽车部件量产订单,成为中国碳纤维用于汽车轻量化实现量产的开端。以奇瑞、观致、北汽集团为代表的国内汽车厂商已开始在其推出的新能源电动汽车上使用碳纤维复合材料。

迈凯伦Senna碳纤维汽车,车身采用了碳纤维原色与黄色相结合的涂装,灯组中碳纤维结构前LED光带与前脸形成一条直线

5、碳纤维复合材料在汽车领域应用部位

目前,碳纤维复合材料在汽车上的应用部件主要包括汽车车身、制动器衬片、座椅加热垫、燃料贮罐、传动轴、轮毂等部件,其次还包括汽车底盘、仪表盘、引擎盖、座椅及座椅套垫、导流罩和 A 柱等部位。但是,碳纤维增强复合材料在汽车中的应用仍然有限,仅在一些诸如 F1 赛车、高级乘用车、小批量车型上有所应用,如宝马 I3、通用的Ultralite 车身,福特的 GT40 车身等。碳纤维在汽车零部件应用比例如下图所示:

碳纤维在汽车零部件应用比例

5.1 汽车车身

由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,是作为汽车覆盖件的理想非金属材料,既可以减轻车重,又能够保持防撞性能。此外,加工的零部件整合、模块化,安装成本低且投资小,可以很好的解决传统车身喷涂和环保处理等成本。

预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘质量减轻 50%。英国材料实验室研究表明,碳纤维增强材料车身重 172kg,而钢制车身为368kg。新发布的宝马i3新能源汽车通过采用轻质的碳纤维材料,使整车质量减轻 50%多,大大提高了能源利用和驾驶性能。

宝马i3的碳纤维座舱是由宝马与西格里碳纤维公司以高度自动化方式生产的部件,碳纤维座舱的质量减少了50%。美国CSP公司(ContinentalStructural Plastics Inc.)开发了双层材料的发动机罩,外表面采用轻量化增强纤维镀膜板,结构面板采用碳纤维增强材料镀膜板,这款双层发动机罩减重幅度达 35%。2014年 1月,日本丰田Mark XG Sport车型安装了碳纤维发动机罩后,比采用此前钢制发动机罩减轻了6kg的质量。

5.2 制动器衬片

汽车制动器衬片主要使用石棉摩擦材料,制动时易摩擦产生高温出现性能的“热衰退”,而且产生的石棉粉尘有致癌危害。碳纤维复合材料以比强度高、耐热性好、耐磨等优点而应用在刹车片上,成为很好的石棉替代品。

碳纤维制动盘能够在50m内将车速度由300km/h降低到50km/h,制动盘的温度达到900℃以上,碳纤维制动盘可以承受的高温达 2500℃,且制动稳定性好。西格里公司已经在生产碳纤维-陶瓷制动盘装置,应用于PorscheAG、911 Turbo GT和GT IIS车型。

5.3 燃料贮罐

燃料储罐要求质量轻、强度高,可以多次使用,碳纤维复合材料实现了压力容器的轻量化。CNGV储气瓶,压力高达 20MPa,使用寿命 15年以上,化工行业用的槽车以及便携式的空气罐在消防、潜水等领域得到广泛应用。四川新万兴碳纤维复合材料公司年产2.4万只复合材料气瓶。据预计,随着电池汽车的普及,2020年日本将有 500万台汽车使用燃料电池。沃尔沃研发S80新蓄电材料电动车,这种蓄电材料是由多层的碳纤维以及树脂聚合物构成纳米结构的电池以及电容,美国福特也开始使用氢燃料电池,氢燃料电池在汽车领域的应用将迅速上涨。

5.4 座椅加热垫

全球汽车制造商高档汽车都配备座椅加热装置,碳纤维加热座椅装置利用碳纤维加热技术替代传统的座椅加热系统。碳纤维作为热效率达 96%的导热材料,均匀密布于加热垫中,既确保热量座椅均匀受热,又保证了加热垫使用寿命。

5.5 传动轴

汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,考虑到碳纤维增强复合材料各向异性、比强度高和比模量相对较低等特性,以碳纤维增强复合材料替代金属产品。碳纤维传动轴不仅减轻了 60%的质量,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

The Driveshaft Shop为丰田86开发了碳纤传动轴,能为其提供响应更加迅速的动力传动效果。传动轴的主体采用高强度的碳纤维材质构成,配合碳纤轴主体,整根传动轴的质量仅 5.53kg,足足减少了一半。The Driveshaft Shop碳纤传动轴最大可承受的马力极限为 800hp。英国GNK公司研发了碳纤维传动轴,应用于Renault Espace Quadra、ToyotaMark Ⅱ、Audi 80/90 Quattro、Audi A4和A8 Quattros等车型 ;美国摩里逊公司采用Zoltek公司的碳纤维,生产传动轴 60万根/ a。此外,阿斯顿马丁DB8、V8、V12,马自达RX-8,越野MMC Pagero,奔驰欧翼SLSAMG使用日本东丽公司生产的碳纤维汽车传动轴约90万只。

5.6 轮毂

轮毂的轻量化可以减轻簧下质量,让轮胎滚动高效地发挥,在转向和操控等方面进一步提升车型的性能。1972年,米其林开始研发新材料轮毂 ;2008年日本Weds Sports公司第一次使用了碳纤维轮毂。澳大利亚Carbon Revolution公司在 2009年推出了全碳纤维CR-9轮毂,应用于Shelby Ultimate Aero上 ;德国轮毂厂商采取两片式设计,碳纤维材质外环、合金内毂和不锈钢制的螺丝,比相同直径的传统轮毂减重约40%。英国Kahm公司高级汽车专用车轮,使用CFRP制得的RX-X型质量仅为6kg,可最大限度地降低车轮的径向惯性力 ;英国DYMAG公司开发的碳纤维/镁车轮,使用镀钛的硬件连接。宝马在未来 2年内将推出全碳纤维轮毂产品,比现有的合金轮毂减重35%。

6、汽车用碳纤维复合材料加工工艺及装配技术

碳纤维增强复合材料是指将碳纤维作为增强相与热塑性或热固性的树脂材料复合而成的材料。CFRP 制造技术主要包括预浸成形和液体成形工艺, 碳纤维增强聚合物基复合材料工艺类型对比分析如下图 所示


汽车用碳纤维复合材料成型工艺

复合材料汽车部件之间的组合装配及复合材料部件与金属构件间的连接是不可避免的问题。复合材料呈各向异性,层间强度比较低,延展性小,使得复合材料连接部位的设计和分析比金属复杂得多,汽车行业传统金属零部件之间的连接方式也不适用于复合材料的连接,因此,了解和改进汽车复合材料的连接和固定方式,并合理选择是至关重要的。由于开孔打断纤维的连续性,导致局部应力集中。复合材料连接部位通常是整个结构中最薄弱的环节,因此,保证连接强度是复合材料结构设计中的关键。

复合材料连接方式主要分为三大类,即胶接连接、机械连接以及两者的混合连接。对于热塑性复合材料,还有焊接技术。复合材料连接技术设计需要根据构件的具体使用情况和设计要求来确定。

6.1 胶接连接

与机械连接相比, 胶接技术的主要优点是无开孔引起的应力集中,减轻结构质量,抗疲劳,减振和绝缘性能好,外观平整光滑,黏结工艺简单,无电化学腐蚀问题等。但是,胶接技术也存在一些缺点,比如胶接质量控制困难,胶接强度分散性比较大,缺少可靠的检验方法,黏结面的表面处理和黏结工艺要求严格等。对于碳纤维复合材料车身,胶接是主要的连接方式。

6.2 机械连接

机械连接一般使用的是铆钉和螺栓, 是最常用的一种连接方式。机械连接的主要优点是连接可靠性高,维修或更换中可重复拆卸和装配,不需要处理表面,对环境的影响比较小等。机械连接的主要缺点是会增加质量,会导致应力集中,金属与复合材料接触产生电化学腐蚀等问题。铆钉连接和螺栓连接的对比情况如下图所示:

机械连接-铆钉连接和螺栓连接对比

6.3 混合连接

为了提高连接的安全性和完整性, 在一些重要的连接部位,通常同时采用胶接和机械连接的混合连接方式,充分利用 2 种连接方式的优点, 确保连接部位有足够的强度和较高的可靠性。

6.4 焊接

焊接技术主要应用于热塑性复合材料部件, 其基本原理是,加热熔融热塑性复合材料表面的树脂,然后搭接加压,使之接成一体。焊接主要有超声波焊接、电感应焊接和电阻焊接 3 种方式。焊接的优点是连接效果好且周期短,无需表面处理,连接强度高,应力小等;不足之处是不易拆卸,需要加入导电性材料或金属丝等。此外,在复合材料结构件成型过程中,可以在纤维预成型体中预埋金属连接件,成型后复合材料与金属预埋件成为一体, 复合材料部件间可以通过金属预埋件连接,以避免机加工损伤复合材料。

7、发展趋势

碳纤维复合材料由于其具有可塑性好、抗冲击能力强、刚度高且轻质等优点,是汽车产业节能减排、低碳环保的绝佳选择,也是提高新能源汽车续航里程最有效途径之一。 碳纤维复合材料的应用能够满足汽车减重、高强度和减振降噪的功能性要求,实现设计模块化、高效生产,进一步降低生产成本。主要发展趋势如下:

生产成本逐渐降低。碳纤维复合材料的大量应用于汽车领域,碳纤维的价格需要进一步降低,随着国产纤维产量和质量逐步提高,低成本碳纤维在量产汽车里的应用比例将逐步扩大。

应用范围不断拓展。碳纤维复合材料主要应用于汽车车门、座舱、制动片、燃料储罐、座椅、传动轴和轮毂等方面,但从碳纤维复合材料汽车部件的发展趋势来看,碳纤维复合材料将取代金属用于汽车其他结构中。

成型工艺进一步发展。除了采用低成本的原/辅材料,开发汽车部件的碳纤维复合材料是一个复杂的系统工程,根据汽车部件的种类,采用不同的复合材料成型工艺,如树脂、金属、陶瓷等基体的成型,自动化加工技术的应用、零部件的整合等,应用领域的扩大将推动复材成型工艺技术的进步。

碳纤维材料逐渐得到了汽车行业的青睐,成为未来汽车材料发展的主流,需求量不断增加,前景广阔。我国应加快对碳纤维的研发,提高性能、降低成本,使我国碳纤维工业的发展能够满足汽车等行业发展的需求。

参考文献:
      刘頔等,碳纤维增强树脂基复合材料用于新能源乘用车车身轻量化及经济性分析 ;
      王俊峰等,碳纤维在汽车轻量化中的应用;
      冶存良等,汽车轻量化进程中碳纤维复合材料(CFRP)技术应用现状 。

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来源:碳纤维及其复合材料技术
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