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科技創(chuàng)新

新能源汽車碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)

2023-04-17 487
隨著全球能源危機(jī)爆發(fā)和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各國(guó)紛紛推行降低汽車油耗的政策，并突破口放在了汽車輕量化方面。
碳纖維及其復(fù)合材料是目前眾多汽車輕量化解決方案中最前沿、最具潛力的材料。尤其是近兩年，新能源汽車的快速發(fā)展給碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展提供了巨大機(jī)遇。
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)、耐腐蝕、綜合性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。已經(jīng)成為汽車輕量化進(jìn)程中不可或缺的重要材料。
碳纖維的應(yīng)用可使汽車減重30%～60%，被譽(yù)為汽車輕量化的“王者之材”，是新能源汽車“瘦身革命”的領(lǐng)導(dǎo)者，在汽車輕量化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

碳纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維增強(qiáng)材料與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的材料，其中碳纖維樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的，也是應(yīng)用最廣的一類復(fù)合材料。
全球碳纖維復(fù)合材料消費(fèi)領(lǐng)域占比圖
目前碳纖維復(fù)合材料已在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、飛機(jī)制造等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，近年來(lái)在體育休閑、汽車制造、工業(yè)機(jī)械、軌道交通、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展。
01強(qiáng)度高
碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，比絕大多數(shù)金屬的比強(qiáng)度高7倍以上。其碰撞吸收能是鋼的6-7倍、鋁的3-4倍，進(jìn)一步保障了車輛安全。
02耐久性
碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)需進(jìn)行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。采用CFRP材料生產(chǎn)的功能性零部件的疲勞強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鋼材。
03輕量化
碳纖維復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車用金屬，比鋼結(jié)構(gòu)減重50%以上，比鎂鋁合金結(jié)構(gòu)減重30%，直接影響車輛的節(jié)能、加速、制動(dòng)性能。
04舒適度
碳纖維復(fù)合材料所具有的更高的震動(dòng)阻尼可降低整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能，提升駕乘的舒適性。
05設(shè)計(jì)感強(qiáng)
碳纖維復(fù)合材料集成度高，造型自由，不僅可減少零部件數(shù)量，節(jié)約生產(chǎn)投入等，而且可以增強(qiáng)設(shè)計(jì)感。
各類汽車輕量化材料性能比較

面向汽車輕量化的碳纖維關(guān)鍵技術(shù)

01低成本碳纖維技術(shù)
通過在聚丙烯腈基碳纖維聚合過程中引入新單體的方式達(dá)到降低總成本的目的。
目前，可通過對(duì)PAN原絲進(jìn)行預(yù)處理和改變預(yù)氧化過程中的工藝方法改進(jìn)碳纖維生產(chǎn)過程。對(duì)PAN原絲進(jìn)行預(yù)處理可分為化學(xué)方法和物理方法。
化學(xué)方法主要為采用高錳酸鉀，苯甲酸等試劑對(duì)PAN進(jìn)行化學(xué)改性，降低環(huán)化溫度，提高預(yù)氧速度和降低成本；
物理方法主要為采用紫外線、電子束、X射線、γ射線。以化學(xué)與物理的方法進(jìn)行處理，可以降 低環(huán)化反應(yīng)的激活能從而減少預(yù)氧化時(shí)間。
02 RTM成型技術(shù)
RTM（樹脂傳遞模塑成型技術(shù)）是復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù)（LCM）的典型工藝之一。
RTM工藝流程十分簡(jiǎn)單， 首先將碳纖維預(yù)成型織物放置于模具內(nèi)，并在其中加入樹脂液，通過加溫固化的方法使樹脂液處于凝固狀態(tài)，即可脫模，從而得到碳纖維復(fù)合材料制件。
RTM工藝可以一次成型大型、復(fù)雜的構(gòu)件，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，尺寸易于控制，表面質(zhì) 量高，生產(chǎn)周期短，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或自動(dòng)化生產(chǎn)。
RTM成型工藝過程示意圖
03熱壓成型技術(shù)
熱壓成型工藝是在一定的溫度與壓力下，樹脂基體發(fā)生熔融流動(dòng)，重新浸漬纖維，從而制備一定形狀的復(fù)合材料零件。
熱壓成型工藝具有較短的成型周期，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過程，可使用傳統(tǒng)金屬板料成形設(shè)備，同時(shí)適用于熱塑性復(fù)合材料的低成本制造過程，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的高效成型具有廣闊應(yīng)用前景。
復(fù)合材料熱壓成型工藝過程示意圖
隨著科技的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車幾乎走進(jìn)了每個(gè)人的生活，成為人們不可或缺的生活必需品，對(duì)于人們的生活、出行等方面有著極大的便利條件。加之碳纖維復(fù)合材料的諸多優(yōu)點(diǎn)使得其在在汽車輕量化領(lǐng)域的的應(yīng)用市場(chǎng)非常廣闊。


來(lái)源:中歐SENIA
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中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)

中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)英文譯文名為CHINA COMPOSITES INDUSTRY ASSOCIATION,縮寫CCIA。成立于1984年8月，是經(jīng)中華人民共和國(guó)民政部注冊(cè)，具有獨(dú)立法人資格的社會(huì)團(tuán)體 （社證字第3258號(hào)）。中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)是新中國(guó)對(duì)外開放后成立的第一批一級(jí)行業(yè)社團(tuán)組織，由國(guó)家建材局發(fā)起，北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院組織成立，接受國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)黨建工作局黨建管理。


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