碳纤维复合材料应用于汽车车身的优势分析

  传统情况下车身以钢、铝等纯金属材料采用冲压、锻造、焊接等工艺方法制造。因而车身整体质量较重。

  上世纪以来塑料及其复合材料在车身的用量逐年增加并经历了三个阶段:第一阶段:通用改性塑料例如聚丙烯( PP)、聚氯乙烯( PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物( ABS) .聚酰胺( PA)等力学、耐热性能的改性,主要用于汽车内外饰件。

  第二阶段:长/短玻璃纤维增强热塑或热固性复合材料主要用于汽车非承力结构件和部分功能件。

  第三阶段:以碳纤维增强树脂基体为代表的先进树脂基复合材料主要应用于车身次承力和部分主承力结构其具有质轻高强、可设计性好、易于实现结构功能一体化、抗腐蚀性能好等优点成为替代传统金属材料实现整车轻量化的关键因素。

  碳纤维树脂基复合材料具有以下特点和优势:

  (1)比强度比模量高。与铝(2.7 g/cm3) 及钢(7.8 g/cm3),相比碳纤维增强树脂基复合材料的整体密度在1.6g/cm3,左右单位体积具有明显的重量优势。其比强度、比模量要高于铝合金达到甚至超过钢的水平。

  (2)可设计性优异。以碳纤维为代表的长纤维增强树脂基复合材料相比传统金属材料具有各向异性的特点可以根据复合材料部件力学性能要求有针对性的进行铺层设计对承力的关键部位进行局部增强通过格栅、点阵、夹层等特殊结构设计实现结构重量的最优化和性能的最大化。

  (3)易于实现结构功能一-体化。复合材料既是一种材料也是一种结构在成型过程中具有材料结构-体化成型的特点。对于复杂结构金属材料通常分块成型采用焊接、螺接等连接方式装配而碳纤维树脂基复合材料可以通过共固化、共胶接二次交接等整体化成型技术实现部件的一次性整体成型不仅减少因金属部件连接造成的重量增加同时避免部件连接引起的内应力不均造成服役过程中的失效。

  (4)抗疲劳、冲击性能好。车体服役过程中在颠簸、扭转等疲劳载荷及撞击等冲击载荷的作用下树脂基复合材料可通过较好的弹性变形储存并释放外部能量避免造成严重的塑性变形及初始裂纹的产生。相比金属材料部件易发生初始裂纹瞬间的裂纹扩展失效破坏树脂基复合材料破坏裂纹受纤维的阻滞作用呈现渐变式破坏过程这都可以大大提高整车结构的安全性、可靠性和乘坐舒适性。

  (5)抗腐蚀性能好。传统金属材料部件在严寒、湿热、盐雾、油污的等条件下易发生腐蚀破坏服役寿命缩短性能下降对整体结构的稳定性产生不利影响。而树脂基复合材料具有热膨胀系数小对湿热等条件不敏感部件使用寿命长维护成本低的特点。