节能减排背景下汽车碳纤维复合材料应用的关键技术研究

汽车轻量化设计是减轻环境污染和资源短缺双重压力的关键技术之一。在汽车材料中，碳纤维复合材料在密度、比强度、比模量等方面具有比较大的优势，可减轻汽车质量，改善燃油经济性，满足节能减排的需求。但因为原材料成本、制作工艺及应用设计等方面的技术瓶颈，碳纤维复合材料的应用受到限制。阐释了碳纤维复合材料在汽车轻量化发展中的应用优势，解析了其所存在的关键技术问题。通过新型多元技术的研发和融合应用，最大限度地发挥碳纤维复合材料在汽车工业中的作用。

关键词：碳纤维复合材料基体树脂轻量化节能减排

引言

目前，汽车产量和保有量持续攀升，对大气环境造成了极大的污染，加之油气资源危机，使得汽车节能减排问题日渐凸显，尾气排放标准更加严格。2018年1月1日起实行的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》国家大气污染物排放标准中，氮氧化物、颗粒物排放限值分别比第四阶段严格了25%~28%、82%，汽车排放受到高标准的限制，已达到欧盟标准。而2016年1月1日实施的《中华人民共和国大气污染防治法》（主席令第三十一号）第一百一十条也明确规定：销售的机动车不符合污染排放标准的，销售者应负责修理、更换、退货，给购买者造成损失的，销售者应当赔偿损失。面对这一严峻形势，汽车节能减排技术的创新与发展成为当务之急。

汽车轻量化设计是节能减排的关键技术之一，研究显示，汽车质量每减轻100kg，每100km油耗将减少0.7L;汽车质量每减轻10%，汽车燃油效率将提高5.5%。

1、汽车碳纤维复合材料的性能优势

据英国材料系统实验室的数据分析，碳纤维复合材料比低碳钢轻50%，比轻质铝合金轻30%。碳纤维复合材料的拉伸强度为钢的7~9倍，且比模量、比强度、弹性强度等方面均具有无可比拟的优势，如表1所示。将碳纤维复合材料应用于车身及其他零部件中，可使整车质量下降35%左右。

美国能源部DOE等部门和机构的数据显示，汽车整体质量每下降10%，油耗可降低6%~8%，排放可降低5%~6%。

2、汽车碳纤维复合材料应用的技术瓶颈

碳纤维复合材料在汽车工业中具有巨大的潜在价值，但目前尚处在研发和应用初期。因技术的垄断性以及原材料成本高、溶液纺丝工艺效率低、造价高等原因，成型工艺不能满足高效率、规模化生产需求，阻碍了碳纤维复合材料的广泛应用。

2.1 原材料技术问题

制作过程中，“母体”的价格过高，约占生产成本的45%~60%；且“母体”加工工序繁琐、效率过低，设备投资大，占生产成本的20%~35%；碳纤维原丝需与树脂结合，制作预浸料等半成品，再经过高温固化、真空导入、热压罐等工艺，才能完成碳纤维复合材料的制作，生产工艺复杂且精度要求高。在碳纤维复合材料产品研发设计中，碳纤维铺层、强度、耐久性、透波率等测试依赖于高精度模具，增加了成本投入，加之其他增强纤维的价格也居于高位，从原材料到碳纤维，价格增加了200%；从碳纤维到复合材料产品，价格增加了233.33%。碳纤维复合材料的成本问题成为最大困扰，其造价过高，超过了消费者预期。因此，多用于仪表盘、内外饰等次要结构之中，且多局限于高端配置的车型，迫切需要完成从“贵族材料”到“平民化材料”的转化。

2.2 成型技术问题

3、汽车碳纤维复合材料应用的关键技术创新

3.1 高效低成本碳纤维制备技术

碳纤维复合材料制备过程中，各工艺技术的成本占比如图2所示。

PAN原丝价格达到总成本的51%，降低原丝材料及加工成本是关键所在。

3.1.1 新型原材料

E.Mora等人以40%的丙酮、60%的乙腈融合剂调制煤沥青，以提高沥青软化点，确保碳纤维表层光滑性。在采用热缩聚法对沥青进行调制时，存在喹啉不溶物的残留，需要精确控制缩聚温度及时间。

木质素资源丰富，成本低廉，内部含有丰富的碳元素，碳化收率较高，是替代PAN的最佳选择。然而，木质素基碳纤维的研发面临高纯度、高分子量和高碳含量“三高”障碍。因木质素基碳纤维具有无定型三维结构的物质，分子量低且分布较宽，无法承受过大的伸拉张力，因此，制备的木质素原丝直径粗、取向低。对此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的欧阳琴等人提出，以酯化和自由基共聚两步法先制备热稳定性和可纺性较好的木质素—丙烯腈共聚物，然后利用丙烯腈共聚物，以湿法纺丝工艺制备连续原丝（具备较强伸张力、成形的木质素-丙烯腈共聚物原丝），获得结构更为紧密的碳纤维，为木质素基碳纤维力学性能的优化提供了有效支撑。

木质素基碳纤维的制备工艺分为熔融纺丝、溶液纺丝及静电纺丝等，应根据设计及应用需求选用不同的工艺，各工艺的优缺点如表2所示。

木质素与环氧乙烷（PEO）、聚丙烯（PP）、聚乙烯醇（PVA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PLA）、聚丙烯腈（PAN）等适量聚合物的共混纺丝，可降低木质素的软化温度，提高热熔性和纤维强度[18]，因此可作为未来研究的主要方向。

3.1.2 纺丝工艺

采用熔融纺丝工艺制备的PAN原丝，纺丝效率高达500~1000m/min，提高了碳纤维的产量和性能，制备的碳纤维纺丝表层光滑、无皮芯结构或沟槽，熔融纺丝PAN纤维与其他原丝应力-应变曲线对比如图3所示。

3.2 快速成型工艺技术

3.2.1 热压罐成型工艺的优化

针对热压罐成型工艺成型效率低，且因为应力分布不均容易引发成型构件变形的问题，可将模具分为不同的加热区，设置多个加热器，在真空条件下进行接触加热，原理如图4所示。

可提高加热效率，减少50%的能耗，而且各个加热区可独立控制。在加工尺寸较大且结构复杂的构件时，可根据不同位置的温度需求进行灵活调控。为实现温度控制的精确性，可开发模拟软件来预测部件形变并相应调整加热温度，确保构件内部残留应力分布的均匀性，提高构件尺寸精度，部件成型效果可达到预设的尺寸与形状，解决了后续组装的问题。

3.2.2 TM快速成型工艺

洪都公司利用数字化仿真技术实现了碳纤维复合材料RTM工艺参数的优化以及模具设计的精确性。采用PAM-RTM软件对研发的树脂填充方案进行模拟，并利用PAM-DISTORTION软件平台预测仿真碳纤维的固化变形。具体而言，首先，构建碳纤维RTM工艺材料的数据库，以应用需求为准，将纤维增强材料、树脂等的力学特性融入其中。其次，采用PAM-RTM软件构建工艺流程的仿真数据库，确保工艺仿真的精确性。

4、结束语

汽车应用材料及制作工艺对于节能减排的影响存在较大差异，碳纤维复合材料作为汽车轻量化设计的主要材料，能通过降低整车质量来提高燃油效率，达到节能减排的目的。但也面临着技术应用的瓶颈，为最大限度地控制原材料成本，优化纺丝及成型工艺，满足汽车大规模、高效率的碳纤维需求，可采用木质素、聚乙烯、沥青等材料替代单一的聚丙烯腈PAN，并根据溶液纺丝工艺的效率、溶液用量的局限性，促进熔融纺丝工艺技术的应用。同时，通过加热装置的多元布局，改善传统成型工艺的效率，实现复杂构件热应力分布的均匀性，并利用现代数字仿真技术优化RTM工艺参数及磨具设计的精确性。

来源：小型内燃机与车辆技术