作者介紹：潘鼎，東華大學(xué)材料學(xué)學(xué)科研究員、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)增強(qiáng)體專業(yè)委員會(huì)主任委員。主要研究成果有“硝酸一步法聚丙烯腈原絲”獲國(guó)防科委科技成果二等獎(jiǎng) 、“化學(xué)纖維成型理論和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究”獲國(guó)家教委二等獎(jiǎng)等。
前言：隨著汽車保有量的激增、不可再生燃油的消耗，汽車輕量化越來(lái)越受到大家的關(guān)注。碳纖維（CF）及碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，為其提供了可能；事實(shí)表明：CFRP是汽車工業(yè)輕量化道路上的主要材料。
但是，CFRP的高量產(chǎn)應(yīng)用受到成本高、循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、回收性難等挑戰(zhàn)。在各國(guó)政府的大力支持下，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始形成“碳纖維、復(fù)合材料供應(yīng)商+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的聯(lián)盟式產(chǎn)業(yè)化布局，在原料及加工技術(shù)的低成本化、零部件及車體制造技術(shù)一體化、零部件回收再利用方面已逐步取得進(jìn)展。
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我們先看一個(gè)實(shí)例：
碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在汽車車體及零部件中的廣泛應(yīng)用已成為當(dāng)下一大市場(chǎng)主流。德國(guó)寶馬公司作為全球領(lǐng)先的汽車生產(chǎn)商于2007年確立可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，率先全面開啟CFRP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用模式。
圖2：寶馬新一代7系，車身大量使用了碳纖維
在寶馬汽車中有三十多種零部件使用了碳纖維復(fù)合材料（CFRP），分別有：車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺(tái)、裝飾條、儀表盤、傳動(dòng)軸、特殊動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、座椅、座椅套墊、前擴(kuò)散器、尾擾流板、后擴(kuò)散器、后視鏡外殼、懸掛臂、前唇、側(cè)裙、側(cè)格柵、車用箱包、導(dǎo)流罩、A柱、遮陽(yáng)罩、散熱器面罩、側(cè)護(hù)板、低位踏板、副保險(xiǎn)杠等外部和車身、內(nèi)飾和外飾配件等系統(tǒng)。
圖3：CFRP在寶馬汽車零部件的應(yīng)用比例
一、全球車用碳纖維供需情況
CFRP應(yīng)用在汽車中的比例顯著提升。2010-2017年，年均增長(zhǎng)率將達(dá)到31.5%。預(yù)計(jì)2017年，全球汽車CFRP需求量將增長(zhǎng)至7885t。
圖4：世界碳纖維消費(fèi)結(jié)構(gòu)示意圖
2013年CFRP在交通工具領(lǐng)域產(chǎn)值達(dá)22億美元，其中汽車領(lǐng)域10.1億元，占總產(chǎn)值46%，卡車領(lǐng)域占18%,摩托車占15%，客運(yùn)火車占13%。2020年汽車市場(chǎng)CFRP產(chǎn)值將達(dá)到60億美元。
表1：全球各領(lǐng)域碳纖維需求量（長(zhǎng)按圖片可以放大清晰查看）
二、汽車輕量化的途徑和效益
使用清潔燃料、輕量化、提高發(fā)動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、和減少風(fēng)阻是傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排的最有效的四大要素。
改換石油能源為零毒排放的新能源汽車，固然是節(jié)能減排的最優(yōu)選擇，但電源系統(tǒng)的明顯增重，采用增大電源的做法只能“惡性循環(huán)”節(jié)能難以見效；提高發(fā)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)效率及減少風(fēng)阻對(duì)于節(jié)能減排具有一定功效；而“輕量化”是與傳統(tǒng)及新能源汽車都密切相關(guān)的最基本最重要的因素。
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1、輕量化兩大要素
1)材料：在沒有找到汽車用鋼合適的替代材料時(shí)，只有寄希望于汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或鋼材性能的提高上。但鋼材的比重是無(wú)法逾越的天敵。故成效不大。尋找最佳的鋼材替代材料是汽車界有史以來(lái)始終孜孜以求的目標(biāo)。
2)部件設(shè)計(jì)：模塊化、整體化的設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)省連接件的數(shù)量和重量。
圖5：通過模塊化設(shè)計(jì)的碳纖維底盤
2、CFRP在汽車中應(yīng)用的十大優(yōu)越性：
1.比強(qiáng)度高，最佳輕質(zhì)高強(qiáng)車體材料。
2.軸向強(qiáng)度、模量高，無(wú)蠕變，制作傳動(dòng)軸。
3.正面碰撞時(shí)成無(wú)數(shù)細(xì)小碎片，吸收大量的撞擊能（4倍于鋼結(jié)構(gòu)）高安全性。
4.兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟，可加工性強(qiáng)。
5.有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性好，壽命長(zhǎng)，維修費(fèi)用低。
6.冷熱膨脹系數(shù)小，極端氣候條件下尺寸穩(wěn)定性高。
7.活性碳纖維超級(jí)電容器可提高能量密度，又可降低成本適用于電動(dòng)車制動(dòng)。
8.復(fù)合材料容易成型，制得滿足空氣動(dòng)力學(xué)原理及美觀需求的外形曲面。
9.表皮光滑美觀，制造車身，可以省去高成本、繁瑣的涂裝工藝。
10.將不同零件一體成型，便于汽車結(jié)構(gòu)的模塊化、整體化制造。
3、高量產(chǎn)五大挑戰(zhàn)：
1）CF成本高（20%）
鋼材0.8~1$/kg鋁材2.4~2.6$/kg 樹脂5~15 $/kg 碳纖維20~30$/kg 鋼材20倍。
2)循環(huán)周期長(zhǎng)加工成本高（70~80%）
循環(huán)周期：金屬?zèng)_壓部件,1個(gè)/60s (幾十年不變）,俗稱“60s工藝”；CFRP熱固性樹脂固化交聯(lián)時(shí)間：數(shù)小時(shí)（上百倍）。
3）設(shè)計(jì)和工程開發(fā)難度大，缺少成熟數(shù)據(jù)庫(kù)
CFRP 鋪層數(shù)量、角度、層間結(jié)合、零部件集成方式、脆性材料，應(yīng)力集中，連接部位力學(xué)分布、連接位置及強(qiáng)度需充分考慮等均需復(fù)雜設(shè)計(jì)。
4）材料回收：
95%報(bào)廢零部件需回收再利用，熱固性樹脂CFRP不溶不熔，難以達(dá)到。
5.其它問題：
材料表征、虛擬模擬、廢料水平。
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三、已有創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)
1、快速鋪層：
三維預(yù)成型創(chuàng)新技術(shù)。一種為層壓復(fù)合材料生產(chǎn)織物層的新方法，用了像尼龍搭扣一樣的可在Z軸方向上實(shí)現(xiàn)連接的鉤-環(huán)鎖扣，將臨近的織物層連接起來(lái)。
圖7：Z-pins嵌入全厚度縫合三維預(yù)成型技術(shù)
傳統(tǒng)工藝：Z-pins嵌入全厚度縫合三維預(yù)成型技術(shù)
1）復(fù)雜、耗時(shí)、勞動(dòng)密集型手工鋪層；
2）低強(qiáng)度；
3）高成本。
圖8：鉤/環(huán)搭接的“互鎖型”技術(shù)
最新工藝：鉤/環(huán)搭接的“互鎖型”技術(shù)
1）快速、方便自動(dòng)化操作巡回周期90s;
2)撕裂、耐壓、剪切、沖擊強(qiáng)度分別提高50%～100%、20%、15%及60%～100%;
3)直接生產(chǎn)成本及間接成本分別降低50%及30%。
2、寶馬樹脂傳遞模塑工藝：
圖9：樹脂傳遞模塑工藝
3、一體成型設(shè)計(jì)，模塊化、整體化制造創(chuàng)新技術(shù)
通過設(shè)計(jì)和工程開發(fā)，用自動(dòng)化加工方法，使多個(gè)金屬部件復(fù)合成幾個(gè)部件來(lái)解決。車身零部件數(shù)減少到1/10。材料特性既能滿足自身要求，又達(dá)到減重及縮短循環(huán)周期的目的,潛力無(wú)量。
圖10：一體成型設(shè)計(jì)
4、低成本新型碳纖維制造創(chuàng)新技術(shù)
1)改性瀝青
日本三菱公司通過裂解輪胎冷凝物為原料，合成優(yōu)質(zhì)瀝青，規(guī)?；a(chǎn)廉價(jià)高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。
圖11：改性瀝青合成高性能瀝青基碳纖維過程
2)木質(zhì)素碳纖維
美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）從紙漿廢液中提取的木質(zhì)素，通過熔紡和碳化制成了低成本碳纖維。生產(chǎn)成本可控制在4~5$/kg。
3)聚烯烴碳纖維
陶氏化學(xué)將聚乙烯等纖維以無(wú)氧狀態(tài)“蒸烤”炭化,把碳纖維在平面上排列或編織成片，再用樹脂加固之后才成為CFRP。35%高碳化率制備低成本碳纖維。降低成本1/2 (11$/kg)以下。避免大量極毒廢氣體排放。
4)低成本高強(qiáng)PANCF原絲的制備
東麗公司采用高與超高分子量混合聚合體，用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲，提高紡速百倍以上的創(chuàng)新工藝，制備了高強(qiáng)（超過T-1000)高模（超過M-50）低成本PANCF 原絲。東華大學(xué)也在跟蹤研究。并已試制出紡速為500~1000m/min的熔融紡絲的低成本PAN原絲。
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5)節(jié)能加工能源
美國(guó)ORNL用新型微波等離子源碳化技術(shù)高速制備低成本CF。
寶馬利用成本僅3美分/kwh(降低成本4/5)水力發(fā)電能源制碳纖維。
5.挑戰(zhàn)循環(huán)周期的創(chuàng)新工藝
1)高壓樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（HP-RTM）
寶馬與西格里合作開發(fā)了固化時(shí)間為2min及5min的環(huán)氧樹脂。采用壓力高達(dá)2900psi（203kg/cm2），注射速率為200g/s的HP-RTM技術(shù)，優(yōu)化了樹脂系統(tǒng)、工藝和模具設(shè)計(jì)正確組合的RTM工藝，實(shí)現(xiàn)了“一分鐘循環(huán)周期”。
2)熱塑性基體材料預(yù)浸料
通用汽車公司與帝人公司聯(lián)合采用無(wú)需更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行交聯(lián)或固化的熱塑性基體材料的預(yù)浸料復(fù)合材料加工技術(shù)。
3)短周期RTM工藝
戴姆勒公司和東麗工業(yè)公司采用東麗公司開發(fā)的“短周期RTM（Short Cycle RTM）”工藝，大大縮短了CFRP部件的循環(huán)周期。
4)?SMC成型加工技術(shù)
戴姆勒公司和克萊斯勒公司采用重疊加料，混合CF和玻纖SMC材料技術(shù)?？s減了零件數(shù)量，減輕重量，提高剛度22%。
6、其他CFRP零部件加工創(chuàng)新技術(shù)
1)CFRP零部件3D打印技術(shù)
美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）用熔融沉積制造技術(shù)將碳素纖維顆粒打印成一體式汽車底盤。剛度、強(qiáng)度分別提高了5-7倍與3倍不但提高零件的屬性，還減少了加工時(shí)間。
2)虛擬手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)
用兩臺(tái)3D攝像機(jī)、紅外傳感器等部分組成的圖像識(shí)別系統(tǒng)，只需幾個(gè)手勢(shì)，即可完成檢驗(yàn)工作：可加速檢測(cè)過程，精確記錄偏差數(shù)據(jù)。提升了檢驗(yàn)員工作的舒適度及工作效率。
3)連接技術(shù)
集散板熔融、震動(dòng)熔融、超聲波熔融一體加熱、加壓連接法。對(duì)一體化加工，增加結(jié)合部CF體積分?jǐn)?shù)。提高強(qiáng)度避免開裂有顯著效益。
7、國(guó)內(nèi)創(chuàng)新技術(shù)
1）碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型關(guān)鍵技術(shù)
中科院寧波材料所在復(fù)合材料體系、熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、設(shè)計(jì)技術(shù)、連接技術(shù)以及關(guān)鍵裝備等方面取得重要進(jìn)展。
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圖13：專家驗(yàn)收中科院寧波材料所的成果
2）聚賽龍工程塑料公司發(fā)明專利《碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料》被授權(quán)
2015年3月11日，聚賽龍公司申請(qǐng)的發(fā)明專利《碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺/聚苯硫醚復(fù)合材料及其制備方法》被授權(quán)，專利號(hào)ZL201210493679.3。
圖14：聚賽龍（圖片來(lái)源于2015年廣州橡塑展，由艾邦高分子拍攝）
據(jù)悉，該技術(shù)采用PPS與PEI制備PEI/PPS合金材料，可明顯改善PEI的耐溶劑性能、耐熱性、加工流動(dòng)性，同時(shí)還可以降低PEI的材料成本。本發(fā)明材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱溫度高、耐溶劑、加工流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于機(jī)械、電子電氣、航天航空、軍工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。
8、CFRP回收技術(shù)
1)CFRP碎料回用
寶馬用退役戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼等可提供足夠載體的部件,切碎后，重新合成CFRP用于汽車零部件制造。
2)CF溶出回用
英國(guó)諾丁漢大學(xué)利用超臨界流體的溶解能力，用廉價(jià)溶劑體系，溶解CFRP中的環(huán)氧樹脂，可分離出單一形式、性能幾乎100％保留的碳纖維。
四、CFRP應(yīng)用的實(shí)施效果及發(fā)展趨勢(shì)
1、汽車輕量化設(shè)計(jì)總方案
圖15：全生命周期內(nèi)汽車輕量化技術(shù)體系構(gòu)成
2、CFRP應(yīng)用的實(shí)施效果
行駛安全化：強(qiáng)度為鋼及塑料的200%及400% 撞擊吸收能量4倍于鋼；
節(jié)能資源化：最適合抵償新能源汽車能源部分帶來(lái)的增重；
零件壽命化：高強(qiáng)高模、耐高溫、抗蠕變、耐疲勞、防腐；
環(huán)境人性化：質(zhì)輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，低噪音、阻尼震動(dòng)，舒適度高；
環(huán)保清潔化：廢氣排放銳減自潤(rùn)滑性免加潤(rùn)滑劑；
車體輕量化：比鋼及塑料輕300-400%及30~40%；
車型個(gè)體化：加工性良好易形成多種外型。
3、CFRP應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)
1）高端汽車向普及型發(fā)展；
2）裝飾件向結(jié)構(gòu)件發(fā)展；
3）實(shí)現(xiàn)汽車燃油化向清潔能源化發(fā)展。
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