随着汽车轻量化不断发展，节能、环保、安全、舒适已成为当今材料界和汽车界的研究热点。研究显示，车重每减少100kg，每百公里油耗可降低0.3～0.5L，二氧化碳的排放可以减少12g左右。车重减轻，可以提高车辆的加速度和制动效果。传统汽车钢铁材料约占车体总重的3/4，用碳纤维增强复合材料（CFRP）制造的车身和底盘在等刚度、等强度下可以减重40%~60%，相当于钢结构的1/3~1/6。

　　因此，CFRP正日益成为汽车轻量化的首选材料，逐渐得到汽车行业越来越广泛的认可和应用。单目前，我国复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，因此，开发碳纤维复合材料在汽车上的应用研究具有很大的发展空间和应用前景。本文以碳纤维复合材料汽车前地板的研制为例，对其结构方案设计、纤维预成型体制作、成型工艺及性能测试进行了研究。

　　目标产品以金属白车身为设计依据，原金属汽车前地板横截面呈“几”字形，外形尺寸为1.7m×1.3m，重量为27.7kg，金属板厚为0.8mm左右，由21个板金冲压件组装焊接而成，采用碳纤维复合材料制作，目标：与金属钢制地板相比，减重不低于40%；弯曲刚度：在1kN载荷下，中心点垂直挠度应小于2mm；扭转刚度：≥100000N·m2/rad；一阶模态：≥20Hz。经过重新修改设计后的前地板根据预先的有限元模拟，为了能够达到与原金属汽车前地板相同的刚度值，复合材料汽车前地板主板厚度为2.5mm，中央通道部分厚度为3.0mm。

　　对于汽车前地板这种主受力结构件，一般需要首选快速成型的碳纤维复合材料。本项目设计选用性能较好的日本东丽碳纤维T700CS-12K织物，面密度分别为480g/m2和200g/m2；单轴向布为200g/m2。树脂体系选用某型号环氧树脂体系。

　　复合材料成本已成为制约复合材料规模化应用的瓶颈，以快速RTM成型技术为代表的低成本复合材料技术已成为目前复合材料领域的研究热点之一。RTM工艺具有一系列的优点，可以一次性快速成型大型、复杂（包括带夹芯或插件）的构件；无需胶衣涂层即可为构件提供光滑表面，后处理工作量小；预成型体尺寸易控，可设计性强；生产周期适中，可实现半自动或自动化生产，效率高；纤维含量较高；能够应用计算机辅助设计进行模具和产品设计，可实现充模过程的模拟；无需二次粘接。鉴于以上技术优点，本项目选用了快速RTM成型工艺试制地板。

　　在样件中心位置分别按照50.10kg、（50.10kg+30.45kg)、（50.10kg+30.45kg+20.30kg)三个加载块顺序加载，并记录各测点的变形量，根据地板弯曲刚度加载-变形数据可知，碳纤维复合材料地板中心在1kN载荷下，中心点垂直挠度为0.76mm，满足设计指标小于2mm的要求。通过地板加载-扭转刚度数据可知：碳纤维复合材料地板扭转刚度大于3.5×10000N·m2/rad，满足设计指标大于10000N·m2/rad的要求。

　　通过对白车身汽车地板的结构设计确定碳纤维复合材料作为汽车前地板材料，选择RTM为成型工艺，采用多点注射的快速RTM模具，成功制备了碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料前地板。通过静态弯曲刚度、扭转刚度及模态试验测试，结果满足汽车整车厂提出的技术要求，在保证与金属前地板互换性的基础上，重量减轻效果明显，证明复合材料在汽车领域使用的可行性，为未来汽车轻减化技术提供了一条可行的途径。

　　阅读延伸：《碳纤维复合材料在汽车上的应用优势》