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车用碳纤维复合材料基本介绍

着汽车轻量化时代的到来,越来越多的轻量化材料不断地出现在汽车行业内,从应用广泛的PP、PC、PA、ABS等,再到近年火热的碳纤维复合材料。世界对于汽车轻量化的探索从未止步,那么今天小编整理了一篇关于车用碳纤维复合材料的知识,让我们一起了解下吧。


一、碳纤维复合材料概念

碳纤维增强复合材料是指以碳纤维、织物、纤维毡等为增强体,树脂、金属、陶瓷等为基体的复合材料的总称。常见的有树脂基碳纤维复合材料(CFRP)、陶瓷基碳纤维复合材料(CMC)和金属基碳纤维复合材料(MMC)。车用碳纤维复合材料主要以树脂基复合材料为主。


碳纤维复合材料的优异性能



1、力学性能

碳纤维复合材料拉伸强度高,模量大,密度小,具有较高的比强度和比模量。与传统金属材料相比,碳纤维复合材料在高强度和高模量的基础上质量也较轻,有明显的密度优势。相同构件使用碳纤维复合材料与铝合金材料相比,可减重50%;与钢材相比,减重可达70%。下表为碳纤维复合材料与常见金属材料力学性能对比:

表 碳纤维复合材料与常见金属材料力学性能对比

材料种类

密度/g/cm^3

拉伸强度/Mpa

弹性模量/Mpa

比强度/m

比模量/km

高强度钢

7.8

1000

214000

1.3

0.27

铝合金

2.8

420

71000

1.5

0.25

镁合金

1.79

280

45000

1.6

0.25

钛合金

4.5

942

112000

2.1

0.25

碳纤维复合材料

2.0

1100

40000

5.5

0.2

碳纤维复合材料

高强度型

1.5

1400

130000

9.3

0.87

高模量型

1.6

1100

190000

6.2

1.2


2、热力学性能

碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气(惰性气体保护下),2000℃仍有强度,液氮下也不脆断。同时,其热膨胀系数小,比热容高,能储存大量的热能,抗热冲击和热摩擦的性能优异。



3、耐腐蚀性

碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性,除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外,一般的酸碱对它的作用很小。相较于钢材和合金材料,碳纤维复合材料作为汽车材料的安全性和耐久性更好。以下是碳纤维复合材料与常见金属材料的韧性、耐高温性和耐腐蚀性能比较:

表 碳纤维复合材料与常见金属材料的韧性、耐高温性和耐腐蚀性能比较

材料特性

高强度钢

铝合金

镁合金

钛合金

碳纤维

韧性

较差

一般

非常强

耐高温性

200℃

200℃

300℃

500℃

2000℃

耐腐蚀性

一般

较强

非常强



二、常见基体和增强体材料

在复合材料中,碳纤维增强体是承载外力的主体;树脂基体则通过界面层,以剪切应力的形式向碳纤维体传递应力载荷。同时,树脂基体还起到保护碳纤维增强体,免受外界损伤的作用。


1. 树脂基体

复合材料的树脂基体在选择时要考虑其强度、刚度、耐疲劳性、使用温度、耐湿热老化性等方面。常用树脂基体分为以下两大类:


 1)热固性树脂

如:环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等。热固性树脂在加工成型后,聚合物分子内形成不溶不熔的三维网状结构。热固性树脂基材料强度高,是目前碳纤维复合材料使用较多的一类树脂。但其高温不熔,加工难度大,不易回收利用。

图 环氧树脂颗粒


2)热塑性树脂

如:乙烯基树脂、尼龙、聚四氟乙烯树脂等。热塑性树脂可在一定的温度下熔融,降温后塑化成型。具有较好的韧性和可加工性,同时材料可以回收利用,使用成本低。热塑性碳纤维复合材料备受汽车材料界的喜爱,新型高性能热塑性树脂正逐步替代传统热固性树脂,成为车用碳纤维复合材料的基体。


图 聚四氟乙烯树脂颗粒


2. 增强体

增强体材料是碳纤维复合材料的另一个重要组成部分。不同形式的增强体制成的复合材料各项性能也有所不同。在选择增强体材料时应考虑复合材料的力学性能要求、树脂基体和增强体的界面相容性、生产工艺要求等因素。理论上,碳纤维复合材料的增强体形式有三种:碳纤维、碳纤维织物和碳纤维毡。在汽车材料领域的应用中多以纤维增强体形式存在。纤维增强体又可分为短切碳纤维、连续碳纤维和混杂纤维三类。


1)短切碳纤维

一般指20mm以下的碳纤维增强体。短切碳纤维作为增强材料时与树脂基体的浸润较好,结合牢固,复合材料的撕裂强度较高。但短切碳纤维在铺设过程的均匀度难控制,易导致复合材料力学性能的各向异性较大。


2)连续碳纤维

一般指40mm以上的碳纤维长丝增强体。连续碳纤维作为增强材料可有效提高复合材料的拉伸断裂强度和韧性,但其加工过程要比短切碳纤维困难。


3)混杂纤维

混杂纤维增强复合材料是指在同一基体中有两种或者两种以上的纤维增强体。通过改变各纤维的组分、含量和结构可得到不同性能的复合材料。

 图 碳纤维材料


三、成型方法

随着碳纤维复合材料的广泛使用,其加工方法也在不断地推陈出新。从传统劳动密集型的手糊成型到现在机械化程度较高的喷射成型、注射成型等,碳纤复材的成型方法在向着高质量、高效率、低成本的方向发展。常见成型方法及特点:


1. 手糊成型

手工糊制,工艺简便、投资低廉、适用面广。但产品质地疏松密度低、强度不高,而且主要依赖于人工,质量不稳定,生产效率很低。


2. 缠绕成型

纤维能保持连续完整,一般适用于连续碳纤维增强体。机械化生产,生产周期短,劳动强度小。产品不需机械加工,但设备复杂,技术难度高,工艺质量不易控制。


3. 注射成型

分为反应注射成型(RIM)和增强反应注射成型(RRIM)。具有生产效率高、能耗低的特点,可用作短切碳纤维或片状增强体材料的复合。


4. 树脂传递模塑成型(RTM)

生产周期短、无污染、劳动成本低,产品尺寸可精确控制,可用来制造工艺较为复杂的大型高品质产品。

图 生产车间碳纤维架


四、碳纤复材应用难题


1.成本高

从碳纤维的生产到其复合材料的制备都伴随着高成本的投入。相较于钢材、铝材等金属材料,碳纤维复合材料的成本要高出20%。


2.生产周期长、生产效率低、无法量产

传统的金属材料只需几十秒便可成型,而碳纤维复合材料的树脂成型需要数个小时时间。较长的生产周期导致生产效率低下,无法实现量产。


3.产品设计开发难度大、缺少成熟数据库

碳纤维复合材料的生产技术还不够成熟,从树脂基体、增强体的选择,到连接点的选择、连接部位力学分布以及复合工艺都缺少成熟的数据支撑,新产品的开发难度较大。


4.连接和回收技术难题

碳纤复材表面打孔会造成其强度损失,故而连接使用时不适合传统的铆接和螺接。目前常用的方式是使用胶黏剂进行粘黏,但这种方法耐久性不好,易老化。


五、创新技术的应用



1.高压树脂传递模塑成型技术(HP-RTM),缩短生产周期

采用高压技术,实现树脂基体的高压注射、高压浸渍和高压固化。即,高压状态下使树脂基体快速填充模腔,加速树脂与增强体之间的浸润,同时加速树脂反应系统,缩短固化周期。 宝马与西格里合作开发了固化时间为2 min及5 min的环氧树脂,采用HP-RTM技术,实现了“一分钟循环周期”。


2.使用热塑性基体预浸料,缩短生产周期,基体可热熔重复利用,降低成本

由于热固性树脂材料的热稳定性好,目前碳纤维复合材料的树脂基体多采用热固性树脂,热塑性树脂使用较少。但热塑性树脂的成型工艺时间短,具有可再加工性和可回收再利用的特点,可缩短复合材料的生产周期,降低生产成本。目前通用汽车公司与帝人公司在联合开发聚丙烯和聚酰胺两种树脂与碳纤维的复合成型技术。


3.碳纤/玻纤混杂加工成型技术

针对碳纤维复合材料的抗冲击性和断裂韧性差的缺点,将碳纤维和玻璃纤维混杂使用,共同作为增强材料,达到性能互补的作用。戴姆勒公司和克莱斯勒公司采用重叠加料,混合使用碳纤维和玻璃纤维,缩减了零件数量,减轻重量,提高刚度达到22%。


4.新型增强体结构——三维立体织物

三维立体织物具有优异的三维空间,在与树脂复合时可达到良好的浸润效果。这种优异的结构也从根本上解决了传统复合材料复合层间剪切强度低,易分层的问题。


六、总结

近年来,在国内外专家学者不断地努力研究下,碳纤维由于其优良的性能已经越来越多的被应用到了汽车领域,相信在不久的将来碳纤维复合材料会更多的出现在中低端的车型中,而不再是高端车型的专属。

素材来自于中国汽车材料网 作者:付正婷,艾邦高分子整理。 

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