圖1 安裝在底盤(pán)上的碳纖維復(fù)合材料主承載結(jié)構(gòu)

在汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一些小批量生產(chǎn)的高檔汽車(chē)及賽車(chē)已使用了采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制成的主承力結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度、剛性及其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均可與傳統(tǒng)的金屬材料部件相媲美，同時(shí)重量也大為減輕。本文主要從材料和加工工藝等方面對(duì)此進(jìn)行闡述。

自20世紀(jì)70年代第一次石油危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，“汽車(chē)輕量化”便成為全球汽車(chē)制造業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。幾十年來(lái)，人們不斷地通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采用金屬替代方案來(lái)實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。近年來(lái)，隨著工程塑料及復(fù)合材料等非金屬材料在汽車(chē)內(nèi)飾、外飾及功能件應(yīng)用方面的日趨成熟，替代金屬將它們用作結(jié)構(gòu)件正成為汽車(chē)制造業(yè)新的研究課題。這其中，尤其以汽車(chē)主承力結(jié)構(gòu)件（簡(jiǎn)稱(chēng)“主結(jié)構(gòu)件“）的輕量化為制造研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 copyright 123456

近些年來(lái)，隨著長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（LFT）和片狀模復(fù)合材料（SMC）及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了由這類(lèi)材料經(jīng)模壓工藝制成的零部件，如車(chē)門(mén)骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)托架、座椅骨架及散熱器支架等。然而，由于材料本身的限制，其強(qiáng)度、剛性及抗沖擊性等均不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)件特別是主結(jié)構(gòu)件的要求。


圖2 在2005年JEC展會(huì)中展出的復(fù)合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)

主結(jié)構(gòu)件，包括汽車(chē)的A、B、C柱，以及由翼子板、前圍、側(cè)圍、后圍、頂梁和底板等構(gòu)成的車(chē)身框架。由于是汽車(chē)的主要承載部件，為了確保足夠的安全性能，汽車(chē)廠商會(huì)選擇強(qiáng)度、剛性及耐沖擊性能均很高的材料，通常是復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)。相比之下，次承力結(jié)構(gòu)件，包括車(chē)門(mén)、發(fā)罩、行李艙門(mén)和頂板等，它們通常使用的是復(fù)合材料三明治夾心結(jié)構(gòu)（包括蜂窩夾心、泡沫夾心和輕木夾心等芯材）和層和結(jié)構(gòu)。在此，暫不對(duì)三明治夾心結(jié)構(gòu)進(jìn)行表述，主要介紹復(fù)合材料實(shí)體層合結(jié)構(gòu)。

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在汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一些小批量生產(chǎn)的高檔汽車(chē)及賽車(chē)已陸續(xù)使用了碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制成的主結(jié)構(gòu)件和次承力結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度、剛性、抗疲勞性及其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可與傳統(tǒng)的金屬材料部件相媲美。此外，此類(lèi)產(chǎn)品還表現(xiàn)出了極好的抗腐蝕和耐腐蝕性能。與同體積的鋁合金構(gòu)件相比，減重可達(dá)50%。下面將從材料、加工工藝等方面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)闡述。


圖3 Ferrari Enzo 復(fù)合材料車(chē)身

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

作為一種設(shè)計(jì)靈活、輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐沖擊及耐腐蝕的材料，環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料可用于制造多種汽車(chē)部件。除了車(chē)頂棚、門(mén)外板、翼子板以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩等車(chē)身部件外，它還可用于汽車(chē)主結(jié)構(gòu)件。由此類(lèi)材料制成的汽車(chē)部件不僅大大提高了汽車(chē)的安全性能，而且還降低了車(chē)重，減少了燃油消耗，提高了經(jīng)濟(jì)性，另外改善了美觀性，如為車(chē)身帶來(lái)碳纖維的外觀效果。


圖4 制袋完畢，進(jìn)入熱壓罐加熱加壓固化

根據(jù)應(yīng)用的不同，增強(qiáng)材料可選用玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維，甚至硼纖維等。對(duì)于主結(jié)構(gòu)件而言，由碳纖維、芳綸纖維或硼纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料能夠提供更高的強(qiáng)度和剛性，因此成為主結(jié)構(gòu)件的首選材料。近年來(lái)，國(guó)外一些高檔汽車(chē)如奔馳、寶馬、保時(shí)捷和蓮花等，以及世界上的幾大賽車(chē)品牌，如法拉利、瑪莎拉蒂、蘭博基尼和波爾舍等，均已采用了由碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制成的主結(jié)構(gòu)部件。此外，F(xiàn)1方程式賽車(chē)還全部采用了碳纖和硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制成的車(chē)身。一般，碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中的纖維含量在60%～70%左右。與玻纖增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂相比，其密度更低、質(zhì)量更輕、剛性更好且質(zhì)感更加美觀；與金屬材料相比，其強(qiáng)度更優(yōu)，抗疲勞性能更佳。不僅如此，根據(jù)應(yīng)用要求，還可對(duì)碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行局部或整體增韌處理，即通過(guò)加入一些熱塑性樹(shù)脂，如PEEK和PEKK等，提高材料的耐沖擊性能，使其可提供更好的安全性能。由于具有優(yōu)異的綜合性能優(yōu)勢(shì)，目前碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料已被大量用于飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)中，最新研制的波音787商用飛機(jī)所使用的復(fù)合材料量已占到飛機(jī)總質(zhì)量的50%。 123456

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件的加工工藝

眾所周知，熱固性復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)自由度非常大。在制件的生產(chǎn)過(guò)程中，完全可以根據(jù)制品的最終使用性能要求，選擇不同的纖維和基體樹(shù)脂，然后按照不同的方向和厚度完成纖維的鋪層。然而，由于此類(lèi)材料的生產(chǎn)工藝目前仍以手工操作為主，機(jī)械化程度不高，因此很少能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。


圖5 采用預(yù)浸料/熱壓罐工藝的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

目前常用的熱固性復(fù)合材料制件的生產(chǎn)工藝主要包括：手糊成型，手糊袋壓成型（Hand lay-up with bagging film），噴射成型，纏繞、拉擠成型，樹(shù)脂傳遞模塑成型（Resin transfer molding，簡(jiǎn)稱(chēng)“RTM”），樹(shù)脂膠膜浸潤(rùn)成型（Resin film infusion，簡(jiǎn)稱(chēng)“RFI”）以及預(yù)浸料/熱壓罐成型和模壓成型等。對(duì)于制作汽車(chē)主結(jié)構(gòu)件而言，適合的生產(chǎn)工藝主要為手糊袋壓成型、RTM、RFI以及預(yù)浸料/熱壓罐成型等。至于手糊成型，由于生產(chǎn)出的部件孔隙率較高，其強(qiáng)度達(dá)不到主結(jié)構(gòu)件的要求，因此一般不予采用。目前，只有RTM、RFI和預(yù)浸料/熱壓罐成型是可以量產(chǎn)的生產(chǎn)工藝。

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1、手糊袋壓成型

與普通的手糊成型相類(lèi)似，手糊袋壓成型也是由手工將樹(shù)脂和纖維織物交替地鋪層在已涂有脫模劑的模具上，使其達(dá)到設(shè)計(jì)厚度要求。所不同的是，在進(jìn)行加熱加壓前需要先制袋，制袋的目的是為了在鋪層間形成真空并達(dá)到一定的接觸壓力，以降低最終制件的孔隙率，同時(shí)提高層間剪切強(qiáng)度。制袋完成后，即可將其放入熱壓罐或固化爐中，經(jīng)加熱加壓后成型。這種工藝方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工作環(huán)境差，但成本低，目前很少被用于主結(jié)構(gòu)件的制造中。

2、樹(shù)脂傳遞模塑成型

樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）是一種閉模成型工藝，對(duì)于要求雙面光滑且形狀復(fù)雜的部件較為適合，汽車(chē)的A、B、C柱以及翼子板等部件可采用該成型工藝。其特點(diǎn)是，先按設(shè)計(jì)要求在模具型腔中放置增強(qiáng)材料預(yù)成型體，然后合模加壓，從澆口處向型腔中灌注預(yù)先計(jì)量好的定量液態(tài)樹(shù)脂，使其充滿(mǎn)纖維預(yù)成型體的纖維間空隙，經(jīng)加熱固化后成型。當(dāng)模具本身帶有加熱功能時(shí)，加熱固化過(guò)程可直接在模具中完成，否則可使用固化爐完成此過(guò)程。該工藝可使用的纖維增強(qiáng)材料包括兩種類(lèi)型，一種為手工鋪貼纖維，另一種是經(jīng)過(guò)三維編織的預(yù)成型纖維。 copyright 123456

為了確保主結(jié)構(gòu)件獲得更高的強(qiáng)度和質(zhì)量，還可采用真空輔助的RTM工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)“VARTM”）。該工藝是在合模后，先對(duì)型腔抽真空，然后再灌注樹(shù)脂，這樣可以有效地排除型腔中的空氣，從而降低制品的孔隙率以提高強(qiáng)度。


圖6 采用RFI工藝制作的車(chē)身

需要說(shuō)明的是，由于樹(shù)脂是在閉模狀態(tài)下被灌注到型腔中的，壓力越大，樹(shù)脂的浸潤(rùn)性就越好，可保證樹(shù)脂可以充滿(mǎn)整個(gè)型腔。因此，RTM工藝對(duì)模具的要求相對(duì)較高，要求模具要具有較高的強(qiáng)度，以承受極高的壓力和溫度。例如，當(dāng)固化溫度為180℃時(shí)，要求模具必須能夠耐受200℃的高溫，同時(shí)要能夠承受3～4kg/cm2的壓力。當(dāng)然這是指用于生產(chǎn)數(shù)量較少的非金屬模具而言，對(duì)于批量較大的零件，通常采用金屬模具。不僅如此，模具的澆口和冒口位置的選取和設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵，一般需要憑經(jīng)驗(yàn)，或在電腦上進(jìn)行仿真模擬，否則會(huì)出現(xiàn)“干區(qū)”或“貧膠”現(xiàn)象。除了需要使用RTM注射機(jī)等專(zhuān)用設(shè)備外，RTM工藝一般不需使用熱壓罐，因而其設(shè)備成本相對(duì)較低。總之，采用RTM工藝生產(chǎn)的制品具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的表面質(zhì)量和較高的尺寸精度，與手糊袋壓成型相比，其生產(chǎn)效率較高。

3、預(yù)浸料/熱壓罐成型與樹(shù)脂膠膜浸潤(rùn)成型

無(wú)論是手糊袋壓成型還是樹(shù)脂傳遞模塑成型，鋪層是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情，要求技工要富有經(jīng)驗(yàn)且手藝嫻熟。正因如此，使得這兩種工藝生產(chǎn)效率低下，不能滿(mǎn)足較高的量產(chǎn)需求。

為了解決這一問(wèn)題，目前一些材料供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出了所謂的“預(yù)浸料”。這是一種樹(shù)脂與纖維預(yù)混好的半固化態(tài)材料，即纖維預(yù)先經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸潤(rùn)，并將被樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)的纖維鋪放到特殊載體上，形成布狀或帶狀預(yù)浸料，甚至絲狀預(yù)浸料。其工藝特點(diǎn)是，逐層鋪貼預(yù)浸料于模具上，形成零件疊層，然后經(jīng)熱壓罐加壓加熱固化成型。使用該材料時(shí)，在操作過(guò)程中不易出現(xiàn)纖維的滑動(dòng)和彎曲現(xiàn)象，纖維方向的一致性和準(zhǔn)直度可以得到較好的控制。此外，在熱壓罐壓力的作用下，可以實(shí)現(xiàn)較高的纖維含量，故可以得到較高的力學(xué)性能。 copyright 123456

由于使用半成品的預(yù)浸料，可以連續(xù)鋪貼，提高了速度，因而取代了以往重復(fù)交替的纖維和樹(shù)脂的逐層鋪貼工序，使得生產(chǎn)效率大為提高，成為一種普遍采用的量產(chǎn)化的生產(chǎn)工藝。根據(jù)制品的不同，預(yù)浸料成型工藝的產(chǎn)量一般在幾千到幾萬(wàn)件之間，非常適合于定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。


圖7 Mosler MT900S全復(fù)材車(chē)身

一般情況下，預(yù)浸料成卷狀供應(yīng)。為了防止受熱后失效，通常需要將其放置在-18℃的低溫環(huán)境中保存。使用時(shí)，先對(duì)其解凍，然后按照電腦上排序好的零件展開(kāi)圖切割下料，其切割可由機(jī)器完成。下料后，根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)、按施工工藝要求在模具上進(jìn)行手工逐層鋪貼。接著進(jìn)行制袋，以使其內(nèi)部處于真空狀態(tài)并產(chǎn)生負(fù)壓，最終消除成型過(guò)程中的孔隙率。制袋完成后，將其送入熱壓罐或固化爐中，在170～180℃的溫度下，6～8h即固化成型。 copyright 123456

預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是：施工簡(jiǎn)便，對(duì)工人的技能要求不高，生產(chǎn)效率高，制品質(zhì)量穩(wěn)定且強(qiáng)度高，因此，該工藝已成為汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的主流生產(chǎn)技術(shù)。需要說(shuō)明的是，在熱壓罐中固化成型的制品與在固化爐中成型的制品相比，其致密性更高。這是因?yàn)闊釅汗蘅赏瑫r(shí)加熱加壓，其施加的壓力通常為2～3個(gè)大氣壓，而固化爐則不能施壓，這使得在熱壓罐中成型的制品具有更高的致密度，其強(qiáng)度性能更好，因而更適合于主結(jié)構(gòu)件的成型。對(duì)于次結(jié)構(gòu)件而言，固化爐成型完全可滿(mǎn)足其強(qiáng)度和質(zhì)量要求。當(dāng)然，熱壓罐的成本幾乎為固化爐的2～3倍。

盡管預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝能進(jìn)一步提高制品的強(qiáng)度和質(zhì)量，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，但其昂貴的材料及設(shè)備成本卻使得汽車(chē)廠商望而卻步，目前也只有一些高檔汽車(chē)和賽車(chē)的結(jié)構(gòu)件采用這種成型工藝。


圖8 鋪貼制袋完畢的零件準(zhǔn)備進(jìn)熱壓罐固化

為了降低成本，可以用樹(shù)脂膠膜浸潤(rùn)成型（RFI）工藝取代預(yù)浸料成型工藝。該工藝是在干纖維的下面鋪放膠膜，并將零件和模具包覆于真空袋中，在熱壓罐內(nèi)完成固化成型。在固化過(guò)程中，隨著溫度的升高，膠膜熔化，在壓力和真空的作用下，樹(shù)脂浸潤(rùn)分散到纖維內(nèi)部空隙固化成型。與預(yù)浸料/熱壓罐工藝類(lèi)似，RFI工藝施工方便，不需要高技能的操作人員，并且制品的質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度高。由于該工藝不使用預(yù)浸料，因而材料成本相對(duì)降低，并可對(duì)纖維進(jìn)行縫編處理，加強(qiáng)了零件方向上的強(qiáng)度，對(duì)大型制件有一定益處。當(dāng)制品需要雙面光時(shí)，還可采用閉模熱壓成型的方式。

主要的碳纖維材料供應(yīng)商

由于制造工藝復(fù)雜，目前碳纖維制造技術(shù)主要集中在全球少數(shù)幾家廠商手中，并且每家廠商所采用的工藝也不盡相同。另外隨著航空市場(chǎng)的發(fā)展，在產(chǎn)能沒(méi)有增加的情況下，使得全球的小絲束碳纖維需求相對(duì)緊張。目前全球可提供小絲束碳纖維的公司主要有：日本的東麗（Toray）公司、東邦（Toho）公司和三菱（Mesitsubishi）公司，美國(guó)的Cytec公司和Hexcel公司，以及臺(tái)灣的臺(tái)塑。其中日本3家公司的產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的85%，其產(chǎn)品品級(jí)涉及航空級(jí)、工業(yè)級(jí)和建筑級(jí)。美國(guó)Cytec公司只提供航空級(jí)的產(chǎn)品，除此之外，Cytec還提供碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料。該公司的預(yù)浸料包括兩種固化溫度等級(jí)，一種為121℃，另一種為177℃。需要說(shuō)明的是，隨著固化溫度的提高，材料的強(qiáng)度也就越好，同時(shí)其價(jià)格也更加昂貴。 內(nèi)容來(lái)自123456

基于碳纖維優(yōu)越的綜合性能優(yōu)勢(shì)，除航空和汽車(chē)工業(yè)外，建筑及其他許多工業(yè)領(lǐng)域也已開(kāi)始關(guān)注這種材料。隨著需求的日益增大，有限的產(chǎn)能導(dǎo)致碳纖維材料的價(jià)格一直居高不下，從而阻礙了其在汽車(chē)零部件特別是在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

結(jié)語(yǔ)

碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在部分高檔汽車(chē)及賽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的成功應(yīng)用表明，復(fù)合材料完全可以替代金屬被用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)件中。然而，由于材料和設(shè)備昂貴，再結(jié)合目前汽車(chē)生產(chǎn)的工藝鏈和產(chǎn)品鏈，以及材料回收重復(fù)利用等問(wèn)題，目前其綜合考量成本與效益還不具備量產(chǎn)化的條件，導(dǎo)致碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用具有很大的局限性，這使得鋼材及高強(qiáng)度鋁合金目前仍然是汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的主流材料。盡管如此，近年來(lái)，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展讓人們看到了新的希望。隨著長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)次承力結(jié)構(gòu)件應(yīng)用方面的日益成熟，相信人們一定會(huì)找到更具成本效益的、同時(shí)能滿(mǎn)足使用性能要求的材料解決方案，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件、特別是主結(jié)構(gòu)件的輕量化。

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另外，還需要強(qiáng)調(diào)的是，作為一種完全有別于金屬材料的新型材料，復(fù)合材料的汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，它離不開(kāi)大量的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的積累。要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料汽車(chē)零部件的規(guī)?；a(chǎn)，還需要制訂相應(yīng)的各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括材料的檢驗(yàn)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)工藝規(guī)范等。在實(shí)際的復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)材料的利弊特性，針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)形狀、性能和成本要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早期即開(kāi)始為具體的工藝方案、可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及處理方法等做出盡可能細(xì)致的分析和規(guī)劃，這是實(shí)現(xiàn)高水平復(fù)合材料機(jī)構(gòu)的重要前提。因此，開(kāi)發(fā)復(fù)合材料汽車(chē)部件是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，國(guó)外很多整車(chē)廠已建有完整的復(fù)合材料工藝體系和設(shè)計(jì)體系，相比之下，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)行業(yè)在此方面還是一個(gè)空白。隨著復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用的日益增多，建立專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成為國(guó)內(nèi)汽車(chē)整車(chē)廠商的當(dāng)務(wù)之急。 123456

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