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CFRP用于新动力乘用车车身轻量化及经济性分析

碳纤维一般会与环氧树脂胶融合成复合材料应用，这类复合材料承继了碳纤维自身极强的强度、比应变速率、耐疲劳极限和吸能耐久性等一系列优势，另外，承继了环氧树脂胶秘方设计方案形式多样、运用目的性强等特性。与铝合金型材零部件对比，碳纤维复合材料减脂实际效果可做到20%～40%，与钢类金属产品对比，碳纤维复合材料的减脂实际效果乃至可做到60%～80%.应用碳纤维复合材料，不但缓解了全车品质，仍在一定水平上危害和更改了汽车生产制造加工工艺。

1 加工工艺种类

碳纤维增强高聚物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP)，就是指将碳纤维做为增强各相热固性塑料或热固性塑料的复合树脂复合型而成的原材料。CFRP复合材料的生产技术关键包含预浸成型和液體成型加工工艺，碳纤维增强高聚物基复合材料加工工艺种类数据分析如表1所显示。

2 汽车构件连接安装技术性

复合材料汽车构件中间的组成安装及复合材料构件与金属结构间的连接是难以避免的难题。复合材料呈各种各样，固层抗压强度较为低，可塑性小，促使复合材料连接位置的设计方案和剖析比金属材料繁杂得多，汽车领域传统式金属材料零部件中间的连接方法也不适感用以复合材料的连接，因而，掌握和改善汽车复合材料的连接和固定不动方法，并有效挑选是尤为重要的。

因为打孔切断化学纤维的持续性，造成 部分应力。复合材料连接位置一般 是全部构造中最欠缺的阶段，因而，确保连接抗压强度是复合材料总体设计中的重要。复合材料连接方法关键分成三大类，即胶接连接、机械设备连接及其二者的混和连接。针对热固性塑料复合材料，也有焊接工艺。复合材料连接技术性设计方案必须依据预制构件的实际应用状况和设计方案规定来明确。

2.1 热接连接

与机械设备连接对比，热接技术性的关键优势是无开孔造成的应力，缓解构造品质，缓解疲劳，减震和绝缘层性能好，外型整平光洁，粘结加工工艺简易，无电化学反应难题等。可是，热接技术性也存有一些缺陷，例如热接质量管理艰难，热接抗压强度渗透性较为大，缺乏靠谱的检测方式，粘结面的金属表面处理和粘结加工工艺规定严苛等。针对碳纤维复合材料车体，胶接是关键的连接方法。

2.2 机械设备连接

机械设备连接一般应用的是螺栓和地脚螺栓，是最常见的一种连接方法。机械设备连接的关键优势是连接可信性高，检修或拆换中可反复拆装和安装，不用解决表层，对自然环境的危害较为小等。机械设备连接的关键缺陷是会提升品质，会造成 应力，金属材料与复合材料触碰造成电化学反应等难题。螺栓连接和地脚螺栓连接的比照状况如图所示1所显示。

2.3 混和连接

为了更好地提升连接的安全系数和一致性，在一些关键的连接位置，一般 另外选用热接和机械设备连接的混和连接方法，灵活运用2 种连接方法的优势，保证连接位置有充足的抗压强度和较高的可信性。

2.4 电焊焊接

焊接工艺关键运用于热固性塑料复合材料构件，其基本概念是，加温熔化热固性塑料复合材料表层的环氧树脂，随后钢筋搭接充压，使之连接成一体。电焊焊接关键有超音波焊接、电感应电焊焊接和电阻器电焊焊接3 种方法。电焊焊接的优势是连接效果非常的好且周期时间短，不用金属表面处理，连接抗压强度高，地应力小等;存在的不足是不容易拆装，必须添加导电率原材料或铁丝等。除此之外，在复合材料零部件成形全过程中，能够在化学纤维预成形体中预埋件金属材料连接件，成形后复合材料与金属材料埋件变成一体，复合材料构件间能够根据金属材料埋件连接，以防止机械加工损害复合材料。

3 用以汽车的运用优点

在挑选汽车原材料时必须考虑到一系列要素，例如结构力学性能、轻量、原材料可靠性、原材料的可设计方案性和可工艺性能等。每一个要素都是对汽车的设计方案、生产制造、市场销售、应用等造成不容忽视的危害。近些年，碳纤维增强高聚物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP)以其特有的性能特性，变成备受大家关心的汽车新型材料。与别的汽车原材料对比，碳纤维增强高聚物基复合材料具备下列优点。

3.1 综合性结构力学性能出色

车配碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的相对密度为1.5～3g/cm3，仅为一般碳素钢的1/4～1/5，比铝合金型材也要轻1/3上下，但碳纤维复合材料的综合性结构力学性能显著好于金属复合材料，其抗压强度是不锈钢板材的3～4倍。钢和铝的疲劳极限是抗压强度的30%～50%，而CFRP达到70%～80%.另外，CFRP还具备比有色金属更强的震动减振特点，例如轻铝合金必须9s才可以终止振动，而碳纤维复合材料3s就能终止，强度和比应变速率高。

3.2 可设计方案性强

碳纤维复合材料的可设计方案性强，可根据应用性能规定有效挑选常规原材料，设计方案化学纤维的排序方法和复合材料的结构方式，灵便地开展设计产品。比如，将碳纤维依照承受力方位排列，可充分运用复合材料抗压强度的各项异性，进而做到节省原材料和缓解品质的目地。针对规定具备抗腐蚀性能的商品，在设计方案时，可采用抗腐蚀性能好的常规原材料。

3.3 可完成一体化生产制造

模块化设计、统一化也是汽车构造的一种发展趋向。复合材料在成形时便于做成各种形状的斜面，完成一体化生产制造汽车零部件商品。一体化成形生产制造不但能够降低零部件的总数和磨具总数，降低零部件连接等工艺流程，还能够巨大地减少生产周期。比如，假如汽车前端开发控制模块选用碳纤维复合材料制做，可完成总体一体化成形，防止金属材料制品的事后拼焊和事后生产加工造成的部分应力，在确保商品精密度和提升性能的另外，缓解汽车零部件品质，减少制造成本。

3.4 吸能耐冲击性强

碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)具备一定的黏延展性，而且碳纤维与常规中间有细微的部分相对速度，可造成页面滑动摩擦力。在黏延展性和页面滑动摩擦力的协同效应下，CFRP制品具备更强的吸能耐冲击性能。另一方面，经独特手工编织的碳纤维复合材料撞击吸能构造在髙速撞击中破裂为较小的残片，消化吸收很多的碰撞动能，其动能吸收力比金属复合材料高4～5倍，能合理提升车子安全系数，确保组员安全性。

3.5 耐蚀性好

碳纤维增强高聚物基复合材料关键由碳纤维丝束和复合树脂构成，具备出色的耐腐蚀性能，用其生产制造的汽车零部件不用开展表层防腐蚀解决，其耐老化和抗老化性能不错，使用寿命一般为不锈钢板材的2～3倍。

3.6 高溫性能好

碳纤维在400 ℃下列性能维持十分平稳，在1 000 ℃时仍无很大转变。

3.7 缓解疲劳性能好

碳纤维增强原材料因化学纤维对疲惫裂痕拓展有阻拦功效，其缓解疲劳性能达到70%～80%碳纤维的构造平稳，做成的复合材料经地应力疲惫数千万次的循环系统实验后，其抗压强度保存率仍有60%，而不锈钢板材和铝型材各自为40%和30%，玻璃钢防腐仅有20%～25%因而，碳纤维复合材料的缓解疲劳性能合适广泛运用于汽车领域。

4 用以新能源技术新能源客车的合理性剖析

因为碳纤维的引入，车体可减脂50%之上，以典型性A级车型的车体减脂100kg为例子，全车轻量的实际意义比较突出，可从下列好多个层面略加论述:①针对1台续驶300km、装用电量45kW・h的新能源客车而言，以领域权威专家“每减脂100kg，提升8%上下的续航里程数”测算，一样的续航里程数能够降低3.8kW・h的装用电量，节约电池花费约为0.六万元;②以行车四十万千米生命期、水电费均值依照0.9元/kW・h测算，全车生命期内可节省水电费400000/100×1.2×0.9=0.432万余元(按100km节约1.2mW・h电量计算);③由于碳纤维原材料的运用，以五万辆的全车生产规模为例子，所节省的加工工艺项目投资、机器设备项目投资换算到电动式汽车的经济发展剂量中，每辆车中的摊销费约节省2000元;④由于加工工艺精减，工作人员成本费最少节省一千元/台。

之上数项累计，每辆车可均值节省0.6 0.432 0.2 0.1=1.332万余元成本费，但这种花费不能抵减由于碳纤维的引进所产生的原材料自身成本费的提升。不难看出，碳纤维车体的运用现阶段仍存有很大的难题。假如要营销推广轻量车体，只有从减少加工工艺和机器设备的资金投入层面下手。之上数项累计，每辆车可均值节省0.6 0.432 0.2 0.1=1.332万余元成本费，但这种花费不能抵减由于碳纤维的引进所产生的原材料自身成本费的提升。不难看出，碳纤维车体的运用现阶段仍存有很大的难题。

假如要营销推广轻量车体，只有从减少加工工艺和机器设备的资金投入层面下手。

假如汽车完成碳纤维车体批量生产，碳纤维原材料自身的成本费也会大幅降低，全部领域效用也非常极大，经济收益也将愈发显著。这种只是是以碳纤维的视角剖析的，假如再考虑到铝合金型材车体减脂达50kg的要素，按一样的大道理顺向累加，经济发展效用尽人皆知。

5 用以车体的发展趋向

由于碳纤维增强复合材料的特性，这类原材料慢慢遭受了汽车生产商的亲睐。据统计，在汽车行业，碳纤维需求量正以年平均34%的速率提高，到今年将做到2.三万吨。图2为碳纤维增强复合材料用以车体的发展趋势路线地图。

当今，碳纤维增强复合材料的关键运用于车体遮盖件、车的身上的装饰设计件和零部件上。比如，宝马汽车公司已在其开发设计的多种多样车系中很多选用碳纤维复合材料生产制造车体零部件，这早已变成碳纤维复合材料运用于汽车生产制造的关键時刻。另外，宝马汽车公司还与法国西格内企业(SGL)进一步协作，项目投资一亿欧产品研发成本低碳纤维，并将碳纤维生产量从每一年3000t提升到9000t，用于考虑持续提高的宝马i系列产品电动式汽车及其别的车系的要求。

6 结语

总的来说，碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)以其与众不同的性能优点变成将来汽车新型材料的关键发展前景。殊不知，这类原材料要想在汽车行业应用推广，还必须从下列几层面下手进行技术转移协作产品研发：①进一步寻找更成本低的碳纤维先行者体;②产品研发碳纤维生产制造新技术新工艺，例如先行者体原材料的防老化技术性;③提升碳纤维生产制造加工工艺主要参数或选用纳米技术碳纤维，以进一步提高CFRP复合材料的性能;④产品研发便捷、合理的CFRP制品成形生产技术，例如成形迅速干固技术性、复合材料流通性控制系统等;⑤运用现代电子技术剖析技术性(CAE)筛选不一样的碳纤维复合材料，并提升成形加工工艺主要参数。

来源于：复合材料网

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