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发表于 2021-8-12 14:09:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
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汽车轻量化设计中碳纤维的应用研究
潘 飞(烟台汽车工程职业学院,山东 烟台 265507)
摘 要:将碳纤维应用到汽车轻量化设计中可在降低新能源汽车油耗及排放的同时,提高其续航里程,文章在分析了碳纤维的结构与性能的基础上,对其在汽车轻量化设计中的应用进行了研究,并以聚丙烯腈基碳纤维为例介绍了生产流程,阐述了碳纤维生产及使用过程存在的问题(复合材料成形耗时长、质量不稳定、成本高等),尤其是量产问题亟待解决,根据国内外碳纤维生产现状,分析了在汽车轻量化中碳纤维的应用和发展趋势。
关键词:汽车轻量化设计;碳纤维;复合材料;应用分析
0 引言

[size=1em]不断增加的汽车保有量展现出了汽车工业良好的发展前景,但由此带来的交通安全、能源消耗、环境污染等问题日益突出。汽车工业在倡导节能减排和低碳环保的大背景下想顺利高质量的切入节能环保的发展道路上,除了加大新能源汽车的研发力度及使用范围,还需从汽车制造源头上(包括设计、用料和制造工艺等)探索改进途径。钢材、铸铁、铝合金、塑料等(其中钢材占比最高)是生产汽车普遍使用的材料,通过使用轻量化新型材料可在满足汽车生产成本、使用与安全性能等方面要求的基础上,使车辆的动力性、油耗问题、排放问题得到有效解决,进而达到节能环保的目标,采用轻量化材料是在保证行驶安全性基础上减轻车身自重的一种有效手段,除使用轻质材料外,还需优化设计、改善制造工艺。现阶段包括铝/镁/钛合金、碳纤维复合材料(CFRP)、高强度刚、塑料等在内的轻质材料已应用到了汽车上,具备较强的韧性和抗拉强度优势的碳纤维复合材料在减轻车身质量方面优势明显(相比传统汽车可减少30%~60%的重量),成为汽车轻量化材料的首选[1]。

1 碳纤维复合材料技术现状

[size=1em]迈凯伦MP4-1 车型是于1981年出现的全球首款碳纤维汽车,福特公司于上世纪70 年代开展了关于汽车轻量化中应用碳纤维方面的研究,美国道奇等使用碳纤维完成了发动机罩等部位的生产,日本帝人公司扩大碳纤维产能以供丰田和通用汽车使用,东丽同其他企业合作完成了适用于奔驰的碳纤维部件的研发,德国大众通过碳纤维车顶的使用实现了车顶重量的有效降低(减重18~20磅),相比于老款采用碳纤维材质的宝马重量减轻了230kg。2015年我国奥新新能源汽车有限公司(江苏)完成了首辆碳纤维新能源汽车的研发,北京现代完成了碳纤维发动机盖等部件的研发,奇瑞汽车也完成了一款碳纤维电动汽车的开发。目前整车成本及整车质量是限制新能源汽车发展的重要因素,需使用新型材料替代传统的钢制车身以实现汽车轻量化的设计和生产,碳纤维复合材料具备低密度、高比强、高比模、减震、耐腐蚀等优势,在汽车轻量化上可设计性强、耐疲劳性能好的碳纤维(一种新型复合增强材料,同树脂基体复合而成)的优势明显、应用前景广阔,使用碳纤维复合材料可在显著降低车身质量及油耗的同时有效提高续驶里程,使汽车整体更加轻便灵巧[2]。按照原料不同可将“刚柔并济”的碳纤维复合材料划分为聚丙烯腈(PAN,使用最广,产量占比超过90%)、沥青和粘胶几种基碳纤维,碳纤维继承了纤维与碳材料的优良特性,具有高集成度性、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦等优势,可有效减少制造零部件时使用到的零件数量;良好的可设计性能够使制造成本(尤其是流线型曲面配件)显著降低,其抗震与冲击性吸收性能可达到金属的5倍,可有效保证车上人员在发生汽车碰撞事故时的安全性;普通的碳纤维复合材料的各项力学性能显著由于轻质金属合金材料,但目前受到复杂的生产工艺及高技术含量要求等方面因素的限制,导致生产及使用成本水涨船高,进一步发展高端碳纤维复合材料受到了阻碍。使用碳纤维复合材料可显著境地车身、底盘重量,由其制作的板簧比传统材料减重76%(重量仅为14kg),利用其高效的吸能和减震性能制造的汽车传动轴可使传动轴重量、噪声污染和振动强度得到有效降低,起到较佳的降噪和缓冲作用,进而确保整车工作的平顺性,如由GKN 公司制造的传动轴可减轻50%左右的重量,抗扭性及弯曲刚度分别是钢轴的10 和15 倍。国内碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段,现阶段在汽车上应用的碳纤维部件仍然有限,主要包括车身、引擎盖、传动轴、车底盘、仪表盘、制动器衬片、座椅及座椅套垫、燃料贮罐、轮毂、导流罩、A柱等,仅在部分小批量车型上有所应用(如F1 赛车、高级乘用车等),随着我国汽车轻量化改进中利用碳纤维复合材料的不断推广应用,知名厂商(包括宝马、奥迪、奔驰、丰田、大众等)大多在旗下不同车型中深入使用了碳纤维[3]。

2 碳纤维的结构与性能2.1 碳纤维的结构

[size=1em]作为一种微晶石墨材料(纤维状碳材料,含碳质量分数超过90%),碳纤维主要通过碳化和石墨化处理有机纤维得到,具有高强度(尤其是沿纤维轴方向)、高模量的优势,碳材料的结构形态主要包括石墨结构(其碳原子为六方网络片状,结构是最稳定)、无定型结构、金刚石结构几种,石墨中相互错开的层与层通过范德华力相连,层内则通过共价键连接碳原子。碳纤维普遍存在微观结构缺陷,主要包括表面结构、孔洞结构(降低碳纤维的强力,孔隙粗糙度提高)、皮芯结构(以制约碳纤维强力为主)、微晶结构几种微观结构,使碳纤维的实际力学性能受到不同程度的影响。制备碳纤维时易产生各种缺陷,无法形成理想的石墨点阵结构,因此需采用有效方法手克服碳纤维的微观结构缺陷,以确保碳纤维性能[4]。

2.2 碳纤维的种类及性能

[size=1em]根据原料来源主要可分为粘胶(开发早,因强力低而限制了应用范围)、聚丙烯腈(PAN,产量占比超过90%,使用范围最广,弹性模量较好)、沥青(但提取成本较高、抗拉及抗压强度较低)几种基碳纤维,根据单丝数量PAN基碳纤维可分为小丝束(多应用于飞机、航天器上)和大丝束(被称为“工业级”碳纤维)2种,易粘连、断丝的大丝束性能不如小丝束,且不宜展开的丝束易增加单层厚度进而加大了结构设计难度(如制作板材结构时),大丝束碳纤维的比强、比模量较低[4]。碳纤维在比强度、比模量上表现出了较高的附加值,碳纤维复合材料的比强度(107cm)和比模量(109cm)均显著优于普通钢、铝合金、钛合金、玻璃钢,碳纤维复合材料的密度较小(1.45~1.6g/cm3)比铝还轻,碳纤维及其制成品的性能主要表现在:碳纤维车架制成品(通常不超过1kg)的最大优势在于轻量,碳纤维的密度约为普通钢材的四分之一;提高车辆的舒适性,在震动传输过程中通过避震结构设可使碳纤维车架的震动程度得到有效减缓;通过碳布堆叠及高温成形的模具易加工成多种外形,有效拓宽了适用范围,并且采用碳布堆叠工艺制成的车架的刚性较大;拉伸强度可达钢材(同等截面)的10 倍,受到化学腐蚀及恶劣气候环境的影响较小即耐久性好。但也存在易老化和无法修复的不足[5]。

2.3 PAN基碳纤维的生产工艺流程

[size=1em]碳纤维的生产工艺流程主要包括湿法、干法、干喷和熔融纺丝几种制备工艺,其中的干喷湿纺技术的生产成本低且效率较高,制备的碳纤维品质较佳,成为生产的主流工艺,但相应的纺丝技术较难突破。以应用广泛的PAN 基碳纤维生产为例,采用湿法纺丝生产的工艺流程为:聚合→脱去单体及气泡→访丝液→第一凝固浴→初生纤维→第二三四凝固浴→水洗→热水拉伸→上油→蒸汽拉伸→热定型→原丝→预氧化→低温碳化→高温碳化→超高温石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。相比于传统金属加工工艺,其生产工艺流程对工艺精细度、原材料及设备要求较高,生产成本较高,生产时全部去除前驱体(其成本在碳纤维材料成本中占比超过四成)中的无关成分耗能较大[6]。

3 碳纤维在汽车轻量化中的应用3.1 汽车的轻量化设计

[size=1em]实际经验表明减轻汽车整备质量有利于减少油耗、CO2排放量、制动距离、转向力矩、加速时间,并且能够改善排放性能、提高轮胎寿命和材料疲劳寿命,对于纯电动汽车来说减少的整车重量降低可有效增加平均续驶能力。作为碳纤维复合材料应用与发展的主要趋势,汽车轻量化设计需基于轻量化的零部件(通过优化汽车结构实现)完成,汽车轻量化的主要碳纤维复合材料应用部件包括:①碳纤维复合材料车身,具备质量轻(可比钢制车身质量降低一半以上)、刚度大、易于整合零部件、防撞击能力强的优势,显著提高了能源利用率,有效降低了车身喷涂及环保处理的成本,采用碳纤维复合材料生产的发动机罩的结构面板(美国CSP公司)显著提高了发动机罩质量。②制动器衬片,碳纤维复合材料耐磨、耐热(可达2500℃),在生产刹车片中正逐渐取代石棉,由其制造的制动盘广泛应用于赛车中。③燃料贮罐,质量轻、强度高、可重复使用,S80 电动车(沃尔沃)中的蓄电材料属于纳米结构的电池,由多层碳纤维和树脂聚合物构成。④座椅加热垫,均匀分布的碳纤维可确保座椅加热区热量的均匀释放,使座椅表面更加平整,提升使用寿命和使用体验。⑤传动轴,同传统传动轴相比可减轻约6成的质量,且表现出了良好的耐疲劳性和耐久性特点,如GNK 公司研发的此类传动轴已在Audi A4等车型上广泛应用。⑥轻量化的轮毂显著降低了簧下质量,使轮胎滚动性能得以充分发挥[7]。

3.2 车用碳纤维复合材料的应用前景

[size=1em]结合在宝马车身设计(i3、i8 车型)中应用碳纤维复合材料的案例,结合运用全自动HP-RTM工艺流程(一种新型RTM 工艺技术,实现高性能复合材料零件的大批量生产)成为碳纤维的工业化发展趋势。在合成产品中聚合物基复合材料是碳纤维的主要形态(包含碳纤维复合材料,一种两相材料),具备高强度高模量的碳纤维主要用作承力组件(在拉伸和压缩方面的优势明显),较小模量的基体主要用于传导载荷。在国家政策鼓励,我国新能源汽车在2016 年的销量即达到百万级别,其中的碳纤维复合材料新能源汽车占比在不断增大,随着市场对此类汽车的轻量、节能等功能需求的不断提高,比强度极高的碳纤维复合材料轻于金属等传统材料(同等强度),在汽车领域尤其是新能源汽车中具有广阔的应用前景,随着碳纤维车身部件规模化生产和应用的逐步实现(加快材料到产品的生产周期),会逐渐代替汽车的主要金属结构件,降低材料加工成本,促使碳纤维复合材料汽车产量及质量的不断增加,同时需重点考虑如何有效解决材料回收等问题[8]。

3.3 汽车轻量化生产工业中应用碳纤维的建议

[size=1em]在汽车产业中,碳纤维复合材料凭借自身独特优势已经成为实现节能环保功能的有效手段,在提高新能源汽车续航里程等方面的作用日益凸显,目前在将碳纤维复合材料应用到汽车轻量化设计与生产过程中,仍然缺少行业使用与评价标准以及有效的开发技术支撑,导致生产工艺复杂、量产难度大、生产成本高、质量不稳定等问题。需在政策的扶持和引导下有效攻克这些问题,确保产业化发展的碳纤维能够在汽车轻量化研发中广泛应用:①应及早进行前瞻性布局,由政府牵头汇聚起相关顶尖科研机构,加大对碳纤维开发技术的研究力度,集中攻克关键技术,通过使用成熟先进的技术实现生产工艺复杂程度的有效降低,进而有效降低生产成本。②在顺应汽车行业市场发展趋势广泛研究和应用碳纤维复合材料的同时,需提高对报废汽车的关注,注重研发该材料的后续回收利用技术,及时规划处理大量复合材料垃圾的策略与方法。③完善人才培养机制,培养和引进国内外先进人才,构建其尖端技术的复合型人才队伍,碳纤维技术研发机构的水平取决于尖端核心技术人才,技术研发涉及到多个环节,需通过培养复合型人才配合衔接各环节。同时完善人才的评价和待遇政策[9]。

4 结语

[size=1em]新能源汽车在国家政策的引导下成为未来的开发和使用趋势,具备独特优势的碳纤维复合材料发展前景极其广阔,碳纤维具有易加工、量轻、刚性大、抗冲击能力强等优势,将其应用于汽车中可使车辆的耐久性及舒适性等方面的性能得到有效提高,在汽车节能减排方面发挥出了重要作用,可使新能源汽车续航里程得到有效提高。基于碳纤维复合材料生产的汽车有效兼顾了车身重量和较高的强力,为汽车轻量化设计提供了强大的支撑,但目前应用碳纤维复合材料时仍然普遍存在成形工艺周期过长、量产难度大且成本高、质量不稳定等方面的不足,需掌握车用碳纤维的应用前景,并据此不断优化和完善碳纤维复合材料在汽车轻量化设计中的应用,推动汽车轻量化研发的顺利开展与实际应用。



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发表于 2021-8-17 19:00:15 来自手机 | 显示全部楼层
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