碳纤维复合材料在汽车行业未来发展方向分析

  虽然碳纤维树脂基复合材料在汽车领域的应用具有巨大前景,但是其材料、工艺成本较高、生产周期较长效率较低、在汽车领域内设计应用理念相对落后等已成为制约碳纤维复合材料在汽车领域推广的瓶颈。因此拓展设计思路、低成本材料、提高制造效率已经成为碳纤维树脂基复合材料在车用领域亟待解决的关键问题。

  1.拓展设计理念

  材料设计是提升材料利用率、发挥材料本身优势的核心。碳纤维树脂基复合材料具有各项异性复杂结构一体化成型的特点和优势。针对不同部件承载的差异性选择不同的结构形式和模块化设计方案可以充分体现复合材料的灵活设计性。例如碳纤维复合材料汽车底盘采用格栅结构或进行筋条局部加强大大提高了部件的承载强度和结构刚度。

  宝马i3引擎盖采用夹层结构一方面碳纤维复合材料制备的面板保证了力学性能的要求另一方面芯材的使用进一步降低了引擎盖的整体重量。目前国内碳纤维树脂基复合材料在汽车领域的设计经验不足数据积累较少相关设计规范验及证标准欠缺,因而有必要借鉴航空航天复合材料设计准则结合汽车结构自身特点从设计思想上增强碳纤维树脂基复合材料的应用意识促进其在汽车行业的发展。

  2.低成本原材料

  对于汽车行业从原材料的制备方面降低成本是实现由金属材料到碳纤维复合材料车身替代的基础。而目前碳纤维原丝经预氧化、碳化、石墨化等过程制备碳纤维是-个高耗能过程这导致碳纤维成本居高不下。

  3.高效率制造工艺

  提高碳纤维树脂基复合材料在汽车领域的制造效率包括缩短树脂体系固化时间及提高模具、设备利用率两个方面,以环氧树脂、双马来酰亚胺树脂为代表的传统航空用树脂固化周期长、能耗大不适合汽车行业快节奏成型的要求需开发适用于汽车部件高效率生产的快速固化树脂体系。目前国内外在汽车用快速固化树脂研究方面均取得了一定进展。

  宝马i系列碳纤维复合材料部件生产过程中所使用的灌注树脂,可实现注射后5min内完成固化。国内开发的热固性快速固化预浸料其树脂体系满足长储存周期(室温/30天,-18℃/365天),成型快速(150℃/5min或130℃/10min)的要求。

  航空航天用复合材料成型工艺如热压罐工艺、模压工艺等为保证产品树脂固化的要求升降温速率较慢,因而模具、设备占用时间长利用率低。针对车用复合材料部件要求生产速度快的特点优化生产工艺流程建立自动化、连续化制造技术显料制件集中后处理等手段都能有效提高生产效率。

  在世界能源危机大众节能环保意识提高的大背景下降低能源消耗和环境污染已经成为汽车工业发展亟待解决的关得尤为关键。例如模压工艺中添加模具快速冷却系统缩短冷却时间并配合机械手拾取制件对复合材键问题,而碳纤维树脂基复合材料所具有的质轻高强可设计性好易于实现结构一体化等优势已成为未来汽车轻量化的重要推动力量。相信随着碳纤维树脂基复合材料技术的不断进步必将实现其在汽车领域的专业化、标准化的应用。