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面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术
张晓平(柳州裕信方盛汽车饰件有限公司,广西柳州 545006)
摘 要:汽车想要实现节能、减排,离不开轻量化技术的应用。汽车轻量化技术中所应用的重要材料基础是碳纤维复合材料。因为碳纤维复合材料的特性比较特殊,制造工艺相对复杂,在实现汽车轻量化过程中使用碳纤维复合材料时,就需要克服较多的困难。本篇文章,作者主要对汽车轻量化中使用的碳纤维复合材料的集中制备技术,为碳纤维复合材料的获取提供一定的帮助。
关键词:汽车轻量化;碳纤维复合材料;关键技术

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。

参考文献

[1] 宋燕利,杨龙,郭巍,等.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J].材料导报,2016,30(17):16-25+50.

[2] 解江浩.节能减排背景下汽车碳纤维复合材料应用的关键技术研究[J].小型内燃机与车辆技术,2018,47(5):87-91.


Key Technologies of Carbon Fiber Composite Materials for Automotive Lightweight Applications
ZHANG Xiaoping
(Liuzhou Yuxin Fangsheng Automotive Trim Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545006)

Abstract:The application of lightweight technology is indispensable for automobiles to achieve energy saving and emission reduction.The important material basis used in automobile lightweight technology is carbon fiber composite materials.Because the characteristics of carbon fiber composite materials are relatively special and the manufacturing process is relatively complicated, many difficulties need to be overcome when carbon fiber composite materials are used in the process of realizing automobile lightweight.In this article, the author mainly focuses on the concentrated preparation technology of carbon fiber composite materials used in automobile lightweight, and provides certain help for the acquisition of carbon fiber composite materials.

Key words:automobile lightweight;carbon fiber composite materials;key technologies


中图分类号:TB33

文献标识码:A

文章编号:1671-2064(2021)02-0079-02

收稿日期:2020-12-17

作者简介:张晓平(1977—),男,江西宜黄人,本科,中级工程师,研究方向:汽车内外饰工艺。



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