用于結(jié)構(gòu)件的環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料及加工技術(shù)

圖1 安裝在底盤上的碳纖維復(fù)合材料主承載結(jié)構(gòu)

在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一些小批量生產(chǎn)的高檔汽車及賽車已使用了采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(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，“汽車輕量化”便成為全球汽車制造業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。幾十年來，人們不斷地通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采用金屬替代方案來實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。近年來，隨著工程塑料及復(fù)合材料等非金屬材料在汽車內(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)件正成為汽車制造業(yè)新的研究課題。這其中，尤其以汽車主承力結(jié)構(gòu)件（簡稱“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，隨著長纖維增強(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，國內(nèi)外已出現(xiàn)了由這類材料經(jīng)模壓工藝制成的零部件，如車門骨架、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)合材料車身結(jié)構(gòu)

主結(jié)構(gòu)件，包括汽車的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)成的車身框架。由于是汽車的主要承載部件，為了確保足夠的安全性能，汽車廠商會(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，包括車門、發(fā)罩、行李艙門和頂板等，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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在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一些小批量生產(chǎn)的高檔汽車及賽車已陸續(xù)使用了碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(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)合材料車身

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(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)氧樹脂基復(fù)合材料可用于制造多種汽車部件。除了車頂棚、門外板、翼子板以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩等車身部件外，它還可用于汽車主結(jié)構(gòu)件。由此類材料制成的汽車部件不僅大大提高了汽車的安全性能，而且還降低了車重，減少了燃油消耗，提高了經(jīng)濟(jì)性，另外改善了美觀性，如為車身帶來碳纖維的外觀效果。


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，國外一些高檔汽車如奔馳、寶馬、保時(shí)捷和蓮花等，以及世界上的幾大賽車品牌，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方程式賽車還全部采用了碳纖和硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的車身。一般，碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(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)氧樹脂進(jìn)行局部或整體增韌處理，即通過加入一些熱塑性樹脂，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，目前碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(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

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，樹脂傳遞模塑成型（Resin transfer molding，簡稱“RTM”），樹脂膠膜浸潤成型（Resin film infusion，簡稱“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似，手糊袋壓成型也是由手工將樹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，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、樹脂傳遞模塑成型

樹脂傳遞模塑成型（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)樹脂，使其充滿纖維預(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)，加熱固化過程可直接在模具中完成，否則可使用固化爐完成此過程。該工藝可使用的纖維增強(qiáng)材料包括兩種類型，一種為手工鋪貼纖維，另一種是經(jīng)過三維編織的預(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（簡稱“VARTM”）。該工藝是在合模后，先對(duì)型腔抽真空，然后再灌注樹脂，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工藝制作的車身

需要說明的是，由于樹脂是在閉模狀態(tài)下被灌注到型腔中的，壓力越大，樹脂的浸潤性就越好，可保證樹脂可以充滿整個(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/熱壓罐成型與樹脂膠膜浸潤成型

無論是手糊袋壓成型還是樹脂傳遞模塑成型，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，不能滿足較高的量產(chǎn)需求。

為了解決這一問題，目前一些材料供應(yīng)商開發(fā)出了所謂的“預(yù)浸料”。這是一種樹脂與纖維預(yù)混好的半固化態(tài)材料，即纖維預(yù)先經(jīng)過樹脂浸潤，并將被樹脂浸潤過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，該工藝已成為汽車結(jié)構(gòu)件的主流生產(chǎn)技術(shù)。需要說明的是，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)備成本卻使得汽車廠商望而卻步，目前也只有一些高檔汽車和賽車的結(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，可以用樹脂膠膜浸潤成型（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。在固化過程中，隨著溫度的升高，膠膜熔化，在壓力和真空的作用下，樹脂浸潤分散到纖維內(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。另外隨著航空市場的發(fā)展，在產(chǎn)能沒有增加的情況下，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)容來自123456

基于碳纖維優(yōu)越的綜合性能優(yōu)勢，除航空和汽車工業(yè)外，建筑及其他許多工業(yè)領(lǐng)域也已開始關(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零部件特別是在汽車結(jié)構(gòu)件應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

結(jié)語

碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在部分高檔汽車及賽車結(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)氧樹脂復(fù)合材料在汽車結(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結(jié)構(gòu)件的主流材料。盡管如此，近年來，長纖維增強(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。隨著長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車次承力結(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)能滿足使用性能要求的材料解決方案，以實(shí)現(xiàn)汽車結(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)早期即開始為具體的工藝方案、可能出現(xiàn)的問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，開發(fā)復(fù)合材料汽車部件是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，國外很多整車廠已建有完整的復(fù)合材料工藝體系和設(shè)計(jì)體系，相比之下，國內(nèi)的汽車行業(yè)在此方面還是一個(gè)空白。隨著復(fù)合材料在汽車工業(yè)應(yīng)用的日益增多，建立專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成為國內(nèi)汽車整車廠商的當(dāng)務(wù)之急。 123456

來源： 科研轉(zhuǎn)載