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2019車身新材料新工藝

碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用

2019-7-4 09:01 88 0 來自: 邸峨梅 未來出行學院
簡介
【汽車輕量化在線】復合材料簡單來講就是由原子組成的晶體結構,是將兩種或兩種以上物理性質不同的材料經過特殊的加工制成的材料,其基本構架分為基體與增強體,以土坯為例,基體就是土坯的泥,增強體就是稻草。一、 ...

【汽車輕量化在線】復合材料簡單來講就是由原子組成的晶體結構,是將兩種或兩種以上物理性質不同的材料經過特殊的加工制成的材料,其基本構架分為基體與增強體,以土坯為例,基體就是土坯的泥,增強體就是稻草。


一、什么是碳纖維復合材料?


復合材料涉及到的基體包括金屬基、非金屬基、聚合物基,跟汽車相關的復合材料主要是聚合物基,其中比較成熟的是熱固性環氧樹脂基。另一方面,增強體按照形態結構可以分為納米、粉末、短切纖維、長纖維,今天主要講到的是延續纖維增強體。目前復合材料汽車應用主要以碳纖維為主、以其他纖維為輔的連續纖維增強復合材料,這也是目前各大主機廠爭相嘗試的方向。



目前碳纖維復合材料基體是熱素性樹脂,它的常溫狀態有液體和固體,但是實際成形狀態其實是液體。復合材料之所以復雜,是因為增強體形態非常多,增強體形態有碳纖維,碳纖維主要有長纖,長纖是碳纖維生產出來的初始狀態,經過短切之后就是短切纖維,長纖維還可以與傳統紡織纖維一樣進行編織、機織、針織成各種不一樣的花紋,這是干纖維的狀態。因此大家選擇的余地會非常廣。會根據零件不同的要求、不同的承載要求、不同的使用工況,可以進行樹脂的選擇、纖維的選擇,纖維還可以選擇它的纖維狀態。



碳纖維目前比較常規的生產方式是聚丙烯腈基纖維通過高溫碳化除雜質,經過碳原子規則排列形成碳纖維。大家都知道碳是很神奇的元素,鉆石、石墨都是碳,碳纖維也不例外,只是碳原子排列狀態不一樣,最終得到的物質狀態不一樣。碳纖維的本質就是一種碳原子規則排列,碳原子規則排列所含雜質越少,其強度越高。


業內常說的碳纖維T300、T700、3K、12K等,主要是從它的兩種性能指標來區分的,從絲束來說是3K平紋、3K斜紋,K代表著絲束中所含千根纖維數量,3K就是絲束中含有3000根碳絲,碳絲細度大概在3-5微米,性能量就是T700、T800、M30、M40。


樹脂分為熱塑和熱固。熱固就是它固化膠粘之后不會再有物理狀態的變化,熱塑意味著形態和塑料類似,高溫情況下就會熔融,從而實現不同形狀。從工藝特點上來說,熱塑成型溫度非常高,大概300度-400度,熱固則是常溫到200度之間。因此二者存儲方式也不同,熱固樹脂一般需要冷藏,熱塑則不需要,常溫存儲即可


二、復合材料的特點及優勢


輕量化是業內一直討論的話題,復合材料具備密度低、拉伸強、模量高的特點,同時具備耐腐蝕性,做一些表面處理即可提高抗腐蝕的性能,但缺點就是對濕熱比較敏感。復合材料是一種多空隙產品,所以有一定吸濕量,從而會影響到性能。但從目前航空航天應用案例來看,吸濕量帶來的性能下降比例很小,足以滿足汽車的使用壽命。如果要把碳纖維應用到汽車外飾件上,會增加汽車的賣點,但目前還有一個比較敏感的特點是目前使用的熱固性豢養舒適不耐光照,就是不耐紫外線,長時間照射情況下存在顏色變黃的問題,如果作為外飾件,需要在噴器過程中增加抗紫外線的成份。



選材的核心原則是低成本、高效益。在選材過程中,在選擇基體,尤其是選擇纖維的時候要選擇性能滿足要求,甚至性能超過要求的材料,因為碳纖維性能越高,降成本的幅度會越大。


目前常規使用的樹脂包括環氧、不飽和聚酯、聚氨酯,環氧是從航空航天行業延用下來,是應用案例比較成熟的材料,不飽和聚酯是玻璃鋼行業,目前與玻纖匹配的應用案例比較多,存在的主要問題是性能比較差。相比之下環氧性能更好,環氧使用環境同樣更好。


聚氨酯是從寶馬i3開始出現在大眾視野里的一種材料,但目前僅在寶馬工藝上有一定應用,國內用量幾乎沒有。



在碳纖維的主要供應商中,日本東麗是生產碳纖維的鼻祖,其他幾家碳纖維供應商、型號、性能標準基本都是以東麗作為參照。目前來說,從成本可接受度、性能等方面尚可滿足要求。從日本東麗的T700和T300兩種性能的纖維中進行選擇,拉伸強度一般在3500,拉伸模量230。但是從目前前途K50設計來說,這個剛度依然偏小。


纖維構成的織物有單向纖維,即沒有經過紡織的機織、針織、編織等工藝,沒有形成織物。單向纖維特點是一致性比較好,這也意味著復合材料性能是相對穩定的。而經過機織、針織、編織后,纖維方向拉伸一次性承載纖維的數量會減少,即機織、針織的性能比單向差一些。但其優點在于抗疲勞過程中,承載每個力的纖維斷掉會有次承載纖維承載,纖維抗疲勞性能非常好。


三、碳纖維復合材料在汽車上的應用

復合材料在汽車上的應用有幾個特點,一個是顛覆原有生產流程,燃油車、鈑金車、金屬車的四大工藝使用復合材料后,沖壓、焊接環節就沒有了,取而代之的是復合材料的成型工藝,目前業內普遍叫做模壓車間。輕量化,就是比強度、比模量要低,比金屬減重50%—60%,比鋁合金減重20%-30%,從安全性來說,復合材料的吸能模式和金屬不一樣,復合材料單位重量的吸能效率要比金屬的高。復合材料和金屬畢竟是兩種不一樣的材料,振動頻率不一樣,振動阻力更大,這就會提高整車的舒適度。


復合材料在汽車應用上目前有三方面的需求:第一是輕量化,可以從材料屬性實現輕量化;第二是結構補強,這是碳纖維短期在汽車應用上最有前景的一個方面;第三是用戶體驗,國內目前碳纖維還停留在用戶體驗階段,碳纖維是汽車銷售過程中一個賣點。


四、復合材料的設計準則



復合材料的設計準則首先要考慮的是使用碳纖維的必要性。要知道自己的需求是什么;再一個是根據碳纖維的性能,運用碳纖維后零部件想要達到什么樣的性能要求;此外就是要用什么樣的碳纖維,用T300、T400、M40還是航空航天級別的;再一個取決于零部件結構復雜程度,復合材料生產工藝通過什么工藝實現;還有就是量產可行性問題、一致性問題、維修性問題。



與其說復合材料是一種材料,不如說是一種結構。復合材料原材料有纖維基體,纖維基體構成復合材料一級結構,即織物、預浸料、樹脂構成的單層結構。第二層結構就是設計,預浸料是一種有方向性的產品,可以通過碳纖維各種角度的設計使產品擁有無限可能。再一個就是產品結構設計,就是我們汽車零部件的外形設計,這是它的三級結構。


復合材料產品的設計流程主要就是輸入需求、原材料選擇,這兩個特有的設計環節就是疊層設計,需要考慮在什么樣的角度下、鋪設層數、鋪設厚度等問題,同時根據應力分析、失效分析形成閉環流程,通過模擬、調整角度、層數,達到最終的使用要求。


設計方法不多說了,主要看鋪層設計以及纖維方向的角度。坐標系、角度、數量、涂層順序即構成復合材料的結構與設計環節。


從方便角度來看,設計材料過程中會將纖維方向定義成整車的X方向作為纖維0度方向,一般這個角度是作為應力剪切,90度是來改善橫向強度,來調整泊松比。鋪層數量一般就是產品數量除以織物數量以及經驗值。復合材料目前難以大規模應用的原因就是還處在經驗階段,不能精確結算。



這是鋪層角度的設計準則,有兩個比較關鍵的點就是,鋪層角度盡量對稱,如果不對稱的話就會在某個方向作用力更大,從而出現應力、產生變形。所以說,想要這個零部件達到我們預先設計的結構形狀的話,基本上就要滿足對稱鋪層的要求。


對于特別復雜的零部件,碳纖維的鋪覆性是有局限的。大家可以想像,一張紙要鋪到球上會產生什么的問題?會產生褶皺。復合材料的鋪層也會存在這個問題,復合材料的原材料是一卷一卷的布,怎么實現一個復雜的產品,就需要鋪層設計。如果變形性非常大,鋪貼性非常不好,要進行分塊設計,這就是鋪層設計軟件要做的工作。這個是鋪覆性的仿真分析這兩種方案的對比。


在做汽車零部件的時候,我們一開始也會有很大的困擾。我們到底怎么去分塊、怎么去把這張布鋪到上面,大家都沒有經驗。我們也找過好多供應商,一問好像大家也都說不出個所以然來。所以碳纖維應用到汽車領域的弊端和局限性,就是我們的經驗不足。


寶馬i3在應用碳纖維上做了很多年研究。它的鋪層方式的理念主要是先把整個零件分塊,每塊會有一個預形承壓機,再把小塊拼成一個大塊,中間有搭接、有連接,再放到模具里面整體成型。我們目前做的跟它的理念差不太多,細節就在于怎么分。分的方式有什么影響呢,目前CAE還計算不出來,只能憑經驗。



這是鋪層軟件的輸出,它會輸出鋪層順序表,并且有一個非常形象的鋪層展開圖,鋪層順序、鋪層角度一目了然。根據這個展開圖會生成裁切圖,我們再生產過程中,原材料要裁切成這樣的形狀,鋪貼到模具上,然后通過加熱加壓把它做成零部件。



復合材料是一種材料,如果想做成產品的話,產品結構特征設計就有特殊的要求。這個是復合材料目前能夠形成的幾種結構方式,一個是單層板,一個是三維編織,另一個是三明治結構。目前常規用的是單層板結構,三明治結構也在用,但應用案例極少。


它的特征要求,根據產品的壁厚、遠角,還有一個R角的計算公式,對于復合材料來說,R角越大越容易成型,如果R角設計不好的話會出現缺陷,就是數值會堆積,纖維有剛度,纖維在很小的R角里面是鋪覆不到位的。



這是我們目前K50上的一個案例分析,一開始的特征結構特別像鈑金件,根本沒有按照復合材料的結構特征來進行設計,右邊是優化后的,優化的幾個點是增大圓角、增大拔膜角度、設計下陷過渡區、簡化復雜曲面。


碳纖維可以生產出結構極度復雜的產品,但是結構復雜了,生產效率就會變低、成品率會變低,這就是大家在做結構設計的時候要平衡考慮的地方。


碳纖維還有一個優勢是可以跟金屬件預埋,可以變厚度。我們原來設計的是碳纖維做出來后把金屬的加強版粘上去,但是因為粘接要有粘接工裝、還有尺寸公差等一系列問題。所以現在我們改成把金屬板預埋進去,一體成型就可以了,就沒有粘接這個流程了。




一開始我們設計零件的時候,基本采取金屬材料的等厚度設計,因為金屬改變厚度不太容易,但是對于復合材料來說,可以不通過加強筋的形式局部增強,而是通過局部增厚的方式來進行增強。這是能體現碳纖維優勢的另一個地方。


性能分析,金屬和復合材料性能上最大的不同是,金屬是各向同性的,在提取輸入物理屬性的時候,可能一個模量就夠了。而復合材料是一個層合板,是纖維和基體的復合,所以要輸入很多的數據,最起碼是,纖維方向上的拉伸和壓縮,跟纖維垂直方向上的拉伸和壓縮,還有它的層間性能,也是需要提取的一個變量。另一個不一樣的地方是許用值,金屬的許用值是可以計算的,而復合材料的許用值只能定性分析,沒有辦法計算。如果要進行強度校核的話,許用值實驗是必須做的一種實驗。



復合材料是纖維和基體的復合,這是復合材料的應力-應變曲線,一般情況下它會比纖維的數據低30%—50%,纖維的比例越高越接近碳纖維的性能,也就是說強度越強,纖維的比例越低性能越低。但是從功率來說,纖維體系不能無限強,因為這兩種材料在進行復合的時候還有界面問題,即樹脂和纖維要充分浸潤,材料的整體性能才會好。



復合材料和金屬另一個不同是破壞模式,這是金屬和復合材料破壞模式的對比,最大的不一樣是復合材料的裂紋延伸是不可預測的,因為還有基體、樹脂,界面比較復雜。再就是復合材料抗疲勞性能比金屬要好。



復合材料的連接方式主要有機械連接、膠接、混合連接和縫合鏈接。混合連接是機械連接和膠接的組合,用的比較多。縫合連接是航空航天中應用的高成本連接方式,是在纖維和樹脂混合之前對纖維Z向增強,因為成本極高的,一般不予考慮。



目前來說膠接的缺點是不可控,一致性差,檢測不好做,膠接中會產生氣泡,某個地方膠量少從外觀上其實看不出差異的,所以很難全面檢測。


機械連接會造成纖維損傷,從而導致復合材料性能大幅度下降。機械連接的破壞模式,對于復合材料來說主要是擠壓破裂、劈裂、基體斷裂、纖維斷裂、層間剪切、拉脫等。復合材料開孔,孔的周邊肯定會有破壞,打孔的周邊其實是有分層的,分層的地方連接力特別弱,所以在機械連接的位置會進行局部加厚,來補償造成的性能損失。


五、復合材料的工藝技術路線


復合材料工藝會因為原材料不同而產生不同的工藝,樹脂和纖維成型之前是分開的,成型過程中這兩種材料才會混合到一起加熱加壓固化,能實現的結構類型是層合板、三維編織、三明治結構。預浸料半成品能做能實現的結構類型是層合板、三明治結構。



這是幾種常見工藝。寶馬i3用的是纖維和樹脂分開的工藝RTM,這種工藝的特點是成型速度比較高,效率比較高。目前產量需求不高,因此考慮到綜合成本,熱壓罐、模壓、真空導流用得比較多。超級跑車最先嘗試使用碳纖維,當時使用的工藝是真空導流,目前主要用的是熱壓罐,熱壓罐的好處是能實現極度復雜的零部件結構,怎么樣算是極度復雜呢,就是能做一體式乘員艙。寶馬i3做的乘員艙,也是幾個部分膠接粘到一起的,熱壓罐可以實現整個乘員艙一體固化,不需要任何膠接、鉚接。


工藝的選擇要綜合考慮制件構型特點、力學性能、外觀和批量的要求。


六、碳纖維復合材料的應用機遇和挑戰

需求驅動變革。碳纖維應用也是曲折前進的過程。飛機的輕量化應用帶動了復合材料的突變,碳纖維要在汽車上批量化應用也需要另一個突變,但現在這個突變還沒有出現。


電動車行業需要輕量化,這是原動力,是碳纖維發展的機會。次動力是電動車制造本身就是一個顛覆,電動汽車的“新”可以與碳纖維的“新”相結合,顛覆傳統車的生產工藝。


此外就是量產化工藝,寶馬i3給行業樹立了很好的榜樣,在量產化上實現了一定的突破。但i3在工藝方面還不太成熟的地方就是適用性太窄,雖然在碳纖維行業、復合材料行業做到了目前能達到的最小成型時間,但是對零件復雜程度的改進還不夠,即批量生產的工藝只適用于結構相對簡單的情況,對于結構復雜的批量化工藝還需要時間驗證。


復合材料面臨著很多的挑戰。首先是成本,需要有降成本方案。其次是效率低,所以要嘗試快速成型工藝。第三是一致性差,人工參與程度高。這在短時間內沒法改變,材料的本性造成了人工參與度比較高,需要依靠自動化行業來突破,專門根據材料特有的特性,專門設計特有的輕量化過程。第四材料性能分散性大,比如纖維和樹脂的混合,受到很多因素的影響,溫度、壓力、人工,所以需要大量積累數據庫。第五是復合材料的軟件開發緩慢。第六是復合材料涂裝工藝不完善,要做到傳統金屬的涂裝效果一致,外觀要求達到跟金屬一樣的一致性,還是有困難的。第七是符合材料汽車設計缺乏標準,傳統的設計是以金屬為基礎的,有對標,而復合材料的設計沒有對標、也沒有標準。最后是材料回收問題,雖然比較遙遠,但確實是我們未來需要考慮的一個問題。



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