碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展.pdf

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1、P L A S T l(S F E A T U R E S 碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展 综述了碳纤维及其增强复合材料的发展概况、结构与性能及先进的工艺方法；分析了各 种碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展和存在的问题。碳纤维增强复合材料在汽车工 业上的应用前景是非常可观的，要得到广泛的应用还需要将降低碳纤维生产成本和加大技术 研究力度相结合。碳纤维是用分解温度低于熔融 温度的纤维聚合物，通过1 0 0 0。C 以上 固相 热 解而 制 成 的纤 维状 的碳 素材料。碳 纤维 的含碳量 在9 0 以上，具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比，具有较高 的比强度和比模量，在2

2、0 0 0。C以 上高温惰性气体环境中碳纤维是 唯一一种 强度 不下 降 的材料。此 外，碳纤维还具有其他多种优 良性 能：低 密度、耐高温、耐腐蚀、耐 摩擦、抗疲劳、高振动衰减性、低 的热膨胀系数、导 电导热性、电磁 屏蔽性、纺织加工性优 良。碳纤维 增强复合材料用于汽车工业有很 多 优势，如减轻汽车质量、提高燃油 经济性；可设计性强；零部件 一体 化，从而降低制造成本、缩短开发 周期；提高耐冲击和安全性；优 良 的耐腐蚀性和耐化学药品性等。1碳纤维及其复合材料的发 展概况 基于宇航领域对高强度、高模 量、低 密度材料的迫切需求，日本 人A S h i n d o 于2 0 世纪5 0 年代

3、首先发 明了用聚丙烯腈纤维(P AN)制造 碳纤维；2 0 世纪6 O 年代出现了力学 吉林大学材料科 学与工程 学院 曹永友李 青青王强 性能优异 的聚丙 乙烯腈(P AN)基 碳纤维；2 O 世纪7 0 年代开始生产中 间相沥青基碳纤维，其模量更高。P AN基碳纤维是 目前产量最大(约 占全部碳纤维产量的9 0)的一种 碳纤维。各向同性沥青基碳纤维虽 然原材料便宜，但性能差；中间相 沥青基碳纤维性能优异。但工艺过 程复杂 因而价格较高。按 力 学 性 能 分 类 碳 纤 维 通 常 分 为 超 高 模 量 碳 纤 维(E 4 5 0 G P a)、高 模 量 碳 纤 维(E=3 5 0-4

4、 5 0 GP a)、中模量碳 纤 维(E=2 0 0-3 5 0 GP a)、低模量 高强度碳纤维 E 1 0 0 GP a，抗拉 强度大于3 0 GP a)、超高强度碳纤 维(抗拉强度大于4 5 GP a)及通用 级碳纤维(E 1 0 0 GP a 抗拉强度 1 GP a 左右)。通常P AN基碳纤维 的强度高，中间相沥青基碳纤维的 模量高。各 向同性沥青基碳纤维和 一些 P AN基碳 纤 维属 于 通 用级 碳纤 维。含碳量高于9 9的碳纤维又称 之为石墨纤维。1 1碳纤维的结构 碳纤维是 由许多微 晶体堆砌而 成 的 多晶体 微 晶体 的厚 度为4 1 0 n m 长度为1 0-2 5

5、 n m，每个微 晶体 由大约1 2 3 0 个碳原子层面组 成。层面趋向沿碳纤维轴向排列 因而其轴向的强度高、模量大 而 径向强度和模量相 对较低。在P AN 基碳纤维中，碳原子层严格平行的 区域很小 较大范围内的碳原子层 之间交互缠绕 呈乱层排列状态。中间相沥青基碳纤维中碳原子层的 择优取 向排列很 明显，尤其在经过 高温处理后。由于中间相沥青基碳 纤维强烈的 光学各向异性，在偏光 光学显微镜下与P AN基碳纤维 的截 面有明显区别。生产碳纤维增强复 合材料使用的原料及具体处理工艺 等因素都会影响碳纤维的结构。1 2碳纤维的性能 各种类型的碳纤维的性能见表 1。碳原子的择优取 向与碳纤维

6、的 弹性模量有密切的关系，见 图1。择 优取向角度为0。时碳原子层与碳纤维 轴向完全一致：择优取向角度为9 0。时碳原 子层 垂直于纤维 的轴向。高模量碳纤维有很好的择优取 向。热处理温度和碳纤维种类对择 优取 向有 明显 的影响。热处理温度 越高 择优取 向角度越小。中间相 沥青基碳纤维通常I：L P AN基碳纤维 5 4 I 汽车工艺与材f-l-A T S d I 200 8年 第 1 0期 p L A S T I(S F E A T U R E S 0 8 00 7 00 6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 1 0O 0 择优取向角度(。)图1沥青基碳纤维模量与择优取向角度

7、 之间的关系 更易于获得高取向、高模量。超高模 量碳纤维通常由中间相沥青基碳纤维 制备。有的模量已达9 0 0 GP a。中间相沥青基碳纤维模量高但 其强度不 11 P AN 基碳纤维。因为中间 相沥青基碳纤维石墨化程度高，对缺 陷(杂质 空穴等)敏感。即使其弹 性模量接近单晶石墨强度与理论值 的差别也很大。碳纤维有明显的各向 异性，径向方向的强度和模量远低于 轴向方向。在复合材料的设计中纤 维方向应设计成承载方向，从而发挥 碳纤维轴 向的优异 力学 性能。碳 纤维 轴 向 方 向 的热 导率 很 高、线膨胀系数很低，在常温下 为 负值。利用这一特点制成 的复合材 料的线膨胀系数在一定的温度范

8、围 内接近于零 因而特别适合那些尺 寸稳定性要求极为严格的场合。碳纤维沿轴向的电阻率很小，有时利用其导电性，将其用于电磁屏 蔽、消除静电等。碳纤维径向方向力 学性能差，导电和导热性能也差。碳纤维耐多种酸、碱及有机溶 剂 的腐 蚀。碳纤维在2 0 0 0。C以上 的 惰性气氛 中仍具有室温下的强度，但其耐氧化性能差 5 0 0。C以上就 发生 明显氧化，因而高温氧化气氛 中使用的碳纤维或其复合材料应采 取有效的防氧化措施。碳纤维 的摩擦性能好，由碳纤 维制备的C C复合材料和C Si C复合 材料可作 为摩擦材料用于飞机制动 片、汽车制动片及离合面片。碳纤维 比表面积大 经适 当的 化学处理制作

9、的活性碳纤维是一种 非常好的吸附材料。复 合 材 料 中应 用 的碳 纤 维 有 的采 用连 续碳 纤维 有 的采 用 不 连续 碳纤维。碳纤维 复 合材料 根 据基体 材料 可 分 为树 脂 基复合 材 料(CFRP)、陶瓷 基复 合材 料(C M C)和 金 属 基 复 合材 料(MMC)。C C复合材料技术 比较 成熟，应 用较广，一般将其 归于陶 瓷基复合材料。2 碳纤维复合材料在汽车上 应用的新进展 汽车工业采用玻璃纤维复合材 料、碳纤维复合材料替代金属材料 是提高汽车性能、实现汽车轻量化的 有效途径之一。选用碳纤维复合材料 制作结构件、覆盖件，可减轻质量达 3 0 左右。随着碳纤维

10、价格的不断降 低 使用碳纤维复合材料 的车型不 断涌现(尤其适合小批量、多品种车 型)很多汽车制造厂商生产的高 档、豪华轿车(如奔驰、宝马、奥 迪、福特、大众、本田、日产等)几 乎都开始试应用或已经采用了各种碳 纤维复合材料。今后碳纤维复合材料 将在汽车上有更广泛的应用。2 1碳纤维增强树脂基复合材料 碳纤维 增强树脂基复合材料比 强度高、比模量高、抗疲劳性和阻 尼性好、具有各向异性及性能可设 计性，是碳纤维复合材料中应用最 广的一类复合材料。福特公司2 0 0 7 年所做 的研究证 明了碳纤维增强树 脂基复合材料在车辆领域应用的可 行性，其研究报告称，复合材料可 2 0 0 8 年第1 O

11、期 汽车T艺与材料 A T&M I 5 5 p L A S T I C S F E A T U R E S 以将零部件种类减为原来的8，加 工费用相对钢材降低6 0 粘结费用 相对焊接减少2 5-4 0 而且碳纤 维增强树脂基复合材料结构件具有极 好的韧性和抗冲撞性能还可以通过 设计实现一些特殊性能要求。碳纤维增强树脂基复合材料按 基体性质分可分为热 固性复合材料(主要有环氧、聚酯、乙烯基等，酚 醛在汽车复合材料中应用较少)和热 塑性复合材料两大类。当前，汽车用 碳纤维增强树脂基复合材料仍以热 固性树脂 为主，特 别是片状模塑料(S MC)相当广泛地用于汽车零部 件的制造，尤其是在美国和德国。

12、在“200 7世 界 碳 纤 维 前 景”(GI o b a l Ou t l o o k o f Ca r b o n F i b e r 2 0 0 7)会议上，弗柏福奇公司复合 材 料工程 师迈 克尔 斯 金纳指 出，碳纤维增强热塑性树脂 的工艺发展 使 其市场份额不 断增长。1 9 9 7 年 以来，欧洲热塑性复合材料年增长 6-9 几乎是热固性复合材料的 2 倍。有人预测，未来1 0 年内两者的 用量将趋于相等。从未来发展趋势 看汽车设计者将更偏爱有利于回 收和环保的热塑性复合材料。树脂传递模塑工艺(RT M)是 复合材料较为常用的一种成型工艺，该工艺是将纤维增强材料或预成坯铺 放到

13、闭模模腔内，用压力将树脂液 注入模腔。浸透纤维或预成型坯然 后固化 脱模成型制品。其工艺特点 为，可以制造两面光洁的制品：成型 效率高 适合于中等规模(年产量 为2 万-5 万件)的复合材料产品的生 产：闭模成型技术不污染环境；增强 材料可根据产品受力情况任意铺放。生产设备投资少属于低成本、高性 能的复合材料成型技术，尤其适合干 小批量、多品种的汽车结构件和覆盖 件的生产国外已普遍应用。例如欧 洲国家采用RT M制造地板，与钢相 比可减重5 0、减少零部件数7 0。2 2碳纤维增强陶瓷基复合材料 碳纤维增强陶瓷基复合材料采 用高纯超细氧化物、氮化物、硼化 物和碳化物等原料 经过预处理 破碎、磨

14、粉、混合、成型、干燥、烧结等工序 同时通过化学气相渗 透、熔体渗透，反应、裂解工艺或粉 末冶金等特殊工艺加入碳纤维增强 体，得到结构精细的无机非金属材 料。它既有陶瓷材料耐高温、耐腐 蚀、硬度高和耐磨损等特性，又具 有碳纤维材料的强度和韧性，应用 领域十分广泛。用于高温下的碳纤 维增强陶瓷基结构复合材料主要有 C C、C Si C和Si C Si C三种。碳纤 维增强的Si C基复合材料是除C C复 合材料之外最重要的高温结构复合 材料。目前已开始批量用于汽车等 领域，如制动盘制动器衬片、离合 器面片等，并有望大规模应 用。用 结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮 增压发动机、燃气轮机和绝热发动 机

15、，可以将发动机的燃烧温度从7 0 0 -8 0 0。C提高到1 0 0 0。C以上，热效 率提高1 倍以上。结构陶瓷质量为铁 的一半 节能效果非常显著，同时 还能减少环境污染，节约钢材等金 属材料。但陶瓷材料性能的再现性 和 可 靠 性 差，不 能确 保 大 量生 产 的 稳定性，同时陶瓷有加工困难、质 脆、稍有缺陷就容易破裂以及成本 高等缺点 目前还没有广泛使用。2 3碳纤维增强金属基复合材料 近年来，金属基复合材料因优异 的性能在汽车工业得到了广泛应用。碳纤维增强金属基复合材料可提高金 属的比强度和比模量、减少金属的热 膨胀系数。采用比较常用的方法(如 浸渗法、固态扩散法、粉末冶金法、搅拌

16、铸造等)可使其广泛甚至批量地 用于汽车零部件的制造。为了减轻质量、降低能耗，碳 纤维增强金属基复合材料在汽车方 面主要用于汽车车身、芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片和发动机零件。早在 1 9 7 9 年。福特汽车公司就用碳纤维 复合材料制造了试验车的车身、车架 等1 6 0 个部件，结果整车减重3 3 汽油利用率提高了4 4 同时大大降 低了振动和噪声。2 4 C C 复合材料 C C 复合材料就是以碳纤维增强 的碳基复合材料。其制备有两个主 要步骤：首先是制备碳纤维预制成 形体，然后是致密化处理。C C 复合材料2 O 世纪5 0 年代最早 用于宇宙飞船的热防护目前广泛用 于飞机制动盘及固体火箭发

17、动机的喷 管 同时也在其他领域获得了推广应 用。但是C C复合材料生产周期长、价格昂贵，而且抗氧化性能差。C C复合材料与石墨一样，高温 力学性能很好在2 0 0 0。C以上仍具 有与室温条件下相同的强度，而且 与石墨相比，其强度尤其是韧性得 到了很大程度的改善(见表2)。与钢制动材料相比，C C复合制 动材料 的密度低、比热容大、高温 强度高、制动效果比较理想，使用 寿命长。随着人们对汽车安全性和 舒适性要求的提高C C复合材料也 开始用于F1 赛车、豪华车和高档车 的制动和离合器。C C复合材料价格 高、抗氧化性能差是限制其应用推 广的不利因素。如果能有效解决这 些问题，NC C复合材料可

18、在更大的 范围内替代 多晶石墨 并可能开发 出新的用途。3 碳纤维增强复合材料与未 来汽车 碳纤维 增强复合材料逐渐开始 5 6 汽车工艺与材料 A T S d V I 2 008年 第 1 O期 p L A 5 T f C S F E A T U R E S 注：A、B、C分别表示 沥青 基、P AN基7 L r a y o n,-纤维增 强的C C复合材 料，G表 示石墨。应用于汽车工业但是进展缓慢主 产规模小、价格高、应用基础研究薄 要原因在于碳纤维价格太贵。此外 弱等。因此要促进碳纤维复合材料 制约碳纤维及其复合材料业发展 的 在汽车上的广泛应用，首先必须降低 几大问题还有碳纤维原丝质

19、量差、生 碳纤维成本。随着低成本的碳纤维生 产技术和预浸料技术等新兴生产工艺 技术的发展，碳纤维复合材料将大规 模取代现用的工程材料。其次，要加 强碳纤维及其复合材料的应用技术研 究，主要包括碳纤维及其复合材料结 构设计技术的研究、碳纤维及其复合 材料成型工艺、性能指标和质量控 制、碳纤维及其复合材料相应标准的 建立与完善、碳纤维复合材料的修补 技术等。第三，要扩大碳纤维复合材 料应用范围。以前开发其在航空、航 天和高技术领域的应用是依靠国家投 入而大丝束碳纤维在民用工业尤其 是汽车工业的应用不能只靠国家投 入，更需要汽车工业和材料工业自身 的投入与努力才能实现。碳纤维复合 材料正在受到汽车工

20、业的瞩目其优 良的性能及减轻车重的作用对汽车制 造商有着巨 大的 吸引 力。圃 _-_-_I_-_-_-_-_-_ (上接第5 3 页)(I WGC 一 1)会议，此后每次的会议规 材料以及绿色复合材料，还介N T 其 Lv O 圭。童。镁 0 冀0 C S C N T质量分数 图7 C S C N T 含量对热导率的影响 对绿色复合材料 的研究，在 日 本、欧 洲及东 南 亚各 国都 非常活 跃，有许多关于绿色复合材料的研 究成果。2 0 0 2 年 1 1 月在德 岛大学 召开 了第一 次绿 色复合 材料 国 际 O O许多研究论文 涉 及最近4-5 年复合 材料主要的研究领域。关 于绿色

21、复合 材料 的 研究和技术现状，有 绿色 复合材料与环境、绿色 复合材料天然纤维、绿 色复合材料的特性与成型方 法、绿色复合材料的应 用等许多论文。4 结束语 本文不仅详细描述了碳纤维增 强塑料、非热压成型技术 纳米复合 它一些引人注目的技术开发情况。例 如低T o 值环氧树脂的开发 该树脂以 碳酸钾为催化剂实现固化，即使高温 下也具有刚性不下降的特性 采用该 树脂作CF R P的基材，在2 5 0。C下的 弹性模量可保持为2 5。C时其弹性模 量的8 0 ，从而提高 了开发经济性和 成型性能均优越的CF RP 的可行性，目前正在对该CF RP 材料的高温特性 进行评价。如上所述 今后在纤维增 强塑料复合材料领域，应开发适合各 种各样满足先进的F R P 材料要求的树 脂。在 增强纤维 目前所具备 的良好特 性基础上，通过添加纳米管进行改 性，提高基材树脂的成型性、浸渍性 以及与纤维的界面强度，努力开发出 高温下特性优越的树 脂材料。圃 2 0 0 8 年第1 0 期 i 汽 车 工 艺 与 材 料 A T S d 5 I 5 7