全球首款全碳纤维汽车亮相进博会!

　　第三届中国国际进口博览会的汽车展区，一辆“身轻如燕”的超级跑车Apollo IE颇为“吸睛”。该系列是全球首款全碳纤维量产超级跑车，重量只有1250千克，全球限量发售10台，在进博会上做中国首发。

　　近年来，汽车产量与保有量的不断增加加剧了能源、环境、安全等方面的问题。汽车轻量化是降低能耗，减少排放最有效的措施之一。在众多轻量化材料中，碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能：比强度(强度与密度之比)、比模量(模量与密度之比)和比吸能(有效破坏长度内单位质量吸收的能量)高，既能够满足设计部件高强度、轻量化的设计要求，还能提高汽车的安全性能。

　　低成本碳纤维技术

　　由于汽车是大宗产品，在其生产时需同时考虑可靠性和经济性。碳纤维的高成本严重地制约了碳纤维复合材料在汽车上的大规模应用。

　　1.1原丝技术当前，商业化生产的碳纤维主要由3类前体材料制备得到：聚丙烯腈(PAN)、沥青和人造丝。PAN基碳纤维由于优越的综合性能得到了广泛应用。还可以采用聚丙烯腈以外的低成本原料(如沥青、木质素、低密度聚乙烯等)制备碳纤维原丝，或通过改进现有聚丙烯腈原丝的制备工艺，达到降低成本的目的。

　　1.2大丝束碳纤维技术大丝束碳纤维是指每束碳纤维的根数为24k以上的碳纤维，大丝束碳纤维制备属于低成本生产技术，其售价只有小丝束碳纤维的50%-60%，性能价格比(单位价格的强度、模量、比强度和比模量)远高于小丝束碳纤维。然而由于大丝束碳纤维的丝束较大，易于聚集，展纱效果不好，造成树脂在大丝束碳纤维中的浸润性较差，单丝中易产生孔隙等制造缺陷。同时，展纱过程中易于出现乱纱和断纱，导致力学性能分散性较大，增大了大丝束碳纤维的制造难度。

　　1.3混杂纤维技术将碳纤维与其他纤维进行混杂，在性能上可以互补，能有效降低生产成本。与成本低的玻璃纤维混杂，综合性能优异，但弹性模量较低;与芳纶纤维混杂，综合性能优异，但湿热条件下性能明显下降。因此混杂还需要探讨制造工艺方法、纤维百分比、铺层顺序等获得最优混杂纤维结构。

　　高效成型技术

　　2.1RTM成型技术树脂传递模塑(RTM)成型技术是复合材料液体模塑成型技术(LCM)的典型工艺之一。其主要工艺原理是先在模腔中铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型件，然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或真空吸入闭合模腔内，充分浸润纤维，树脂固化脱模得到复合材料构件。RTM工艺可以一次成型大型、复杂的构件，可设计性强，尺寸易于控制，表面质量高，生产周期短，可实现半自动化或自动化生产。

　　RTM成型工艺过程示意图

　　2.2热压成型技术热压成型工艺是在一定的温度与压力下，树脂基体发生熔融流动，重新浸渍纤维，从而制备一定形状的复合材料零件。热压成型工艺具有较短的成型周期，易于实现自动化生产过程，可使用传统金属板料成形设备，同时适用于热塑性复合材料的低成本制造过程，对于碳纤维复合材料汽车零部件的高效成型具有广阔应用前景。

　　多材料连接技术

　　3.1机械连接采用螺栓、铆钉等紧固件实现构件的连接。虽然机械连接存在开孔产生应力集中、接头质量大、连接效率低等缺点，但是其具有抗高温和抗蠕变能力强、连接强度分散性小、抗剥离能力大、易于拆卸和组装等显著优点。在对汽车连接性能要求较高的部位，机械连接仍然是其他连接方式不可替代的。

　　3.2胶接技术胶接连接具有零件数目少、结构效率高、抗疲劳、表面光滑等突出优点，然而也存在易于剥离、承载能力较低、易于出现环境退化、不可拆卸等缺点。汽车零部件的使用条件往往较为恶劣，易于经受湿、热、腐蚀等环境因素的影响，使胶层与混合接头的界面性能降低，影响碳纤维复合材料与金属接头的强度。

　　碳纤维复合材料在汽车上的应用

　　4.1应用于汽车车身、底盘及承力部件在保证安全性的同时具有十分明显的减重效果。英国材料系统实验室(MSL)的研究结果表明，在各种材料制造的车身中碳纤维复合材料是最轻的，尤其是与钢制车身相比，轻量化效果达53%以上。

　　4.2应用于车身及其结构件碳纤维复合材料具有良好的抗冲击性和能量吸收能力，良好的碰撞安全性可以减少撞击可能产生的碎片。碳纤维复合材料质量仅有钢的50%左右，在碰撞时吸收能量的能力却是钢或铝的4~5 倍，使汽车碰撞安全性显著提高。如碳纤维复合材料制成的两根纵梁应用于梅赛德斯-奔驰SLR 跑车，可以彻底吸收正面碰撞时产生的能量，以保证乘客厢的结构基本不受影响。

　　4.3应用于传动系统和发动机部件碳纤维复合材料振动衰减系数大，吸振能力强，不仅能减轻车的质量，还可以减少振动、降低噪声，从而增加乘坐舒适度。

　　结语

　　汽车轻量化是汽车产业的核心技术和重要发展方向，已经成为国家制造业的发展战略，同时报废汽车的回收与再利用也是汽车产业可持续发展的重要组成部分，当我们把精力集中于开发碳纤维复合材料汽车零部件，注重使用过程的节能与环保，也要有长远目光，综合考虑复合材料的回收与再利用技术，提高碳纤维在生命周期的使用率，促进环保节能型汽车的发展与推广。