碳纤维材料在汽车轻量化中到底有什么作用【新

“这是全球最轻,而且在侧面碰撞测试中也不会破碎的发泡车门饰板”。丰田纺织通过在聚丙烯中添加自主开发的来源于植物的“高耐冲击生物树脂”,开发出了泡沫成型后仍具备高强度性质的车门饰板样品。其重量比固态成型的原有产品轻340g,因此可以减轻汽车的重量。该公司在“人与车科技展2016”(5月25~27日,太平洋横滨国际会展中心)上首次展出了这种发泡成型车门内饰板。

碳纤维增强复合材料( Carbon FiberReinforced Polymer,CFRP) 是作为增强材料的碳纤维和作为基体材料的树脂组成,早期的碳纤维复合材料主要用于军事领域。

虽然树脂在进行泡沫成型之后能够减轻重量,但存在强度降低、容易破碎的问题。因此,车门饰板此前主要采用固态成型技术来生产。丰田纺织通过在聚丙烯中添加新型耐冲击改性剂团粒然后再发泡成型,使成型品具备了耐冲击性。新型耐冲击改性剂在高速面冲击测试中表现出了比汽车用聚丙烯和市售的高冲击复合材料更高的强度。

随着材料性能、成型工艺的提高及价格成本的下降,碳纤维复合材料被越来越多的应用到一般工业和体育休闲等领域。在全球节能和环保趋势的推动下,汽车的油耗问题越来越引起重视,轻量化设计成为汽车节能减排的有效途径,而碳纤维复合材料的材料性能及发展趋势正顺应了汽车工业的发展需求。

新型耐冲击改性剂是聚丙烯和聚酰胺11组成的聚合物复合材料。利用橡胶作为相容剂,提高了极性独立的PP和PA11的亲和性,并形成了复合材料。材料内部为包藏式结构,PA11分布在PP中、橡胶存在于PP和PA11的界面及PA11内部。这种结构在受到外部冲击时,会由柔软的橡胶来吸收冲击能量。而且,由于橡胶存在于PP和PA11的界面以及PA11的内部,因此橡胶的表面积会增大,耐冲击性增强。

碳纤维复合材料比钢铁轻50%,比铝材轻30%,减重效果明显,因此不少汽车厂家在汽车制造和改装过程中为追求极致轻量化开始尝试大量应用碳纤维复合材料。随着新能源汽车的发展,碳纤维复合材料在汽车上将得到越来越广泛的应用。

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PA11使用印度产蓖麻油为原料制造。物性平衡性出色,耐冲击性、耐热性及刚性较高。将其与价格低廉的聚丙烯组合在一起,“可以取长补短”。出于这种想法,丰田纺织开发出了这种聚合物复合材料。新材料的耐冲击强度非常高,夏比冲击强度达到了78kJ/m2,“耐冲击强度为树脂中全球最高水平”。通过将其用作耐冲击改性剂,实现了新的发泡成型车门饰板。

碳纤维复合材料部件的特点

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丰田纺织已经完成了这种车门饰板的基础开发和量产化研究,估计很快就会在新款车上投入实用。

质量轻强度高

汽车上常用的碳纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0g/cm3,只有普通碳钢1/4~1/5,比铝合金还要轻1/3左右,而且碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料,其抗拉强度高于钢材3~4倍,刚度高于钢材2~3倍,耐疲劳性高于钢材2倍,重量比钢材轻3~4倍,热膨胀系数小4~5倍。

新葡萄京娱乐场8522,若按比强度计算,碳纤维复合材料大大超过碳钢,而且可超过某些特殊的合金钢,因此具有更高的比强度。使用碳纤维材料,在减轻车身质量的同时,也可使功率需求更小,进而采用更小的驱动引擎和悬挂装置,通过减少动能而减少冲击危险,这种螺旋式的结果将使车身质量进一步减轻。因此用碳纤维材料件替换原来的钢制件,其轻量化效果明显。

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可设计性好

碳纤维复合材料的可设计性非常强,可以根据不同的用途要求,灵活地进行产品设计。根据产品结构受力情况,通过调整纤维的结构及排列制成各向异性和不同厚度的制品,并且可以应用夹层结构,提高部件整体刚性,以达到最佳轻量化设计方案。

将碳纤维按照受力方向进行排布,可充分发挥复合材料强度的各项异性从而达到节约材料和减轻重量的目的。而金属材料由于其各向同性,会出现在满足最大受力方向的技术要求之后,另一方向的强度就会过剩的问题。

对于有耐腐蚀性能要求的产品,设计时可选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料,而对于其他一些性能要求,如介电性能、耐热性能等,都可通过选择合适的原材料来满足。此外,为使产品成本达到可接受的程度,可适当选用低成本材料替换,如不同纤维混合铺层,在满足部件性能指标的同时节省材料成本。

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零部件一体化

汽车从节能角度考虑应当设计成空气阻力最小的外形,同时兼顾其美观性。钢制薄板在冲压成型时由于工艺原因导致外形及结构往往受到限制,而使用复合材料在成型时利用它的流动性,比较易于制成各种形状的曲面,达到一体化成型效果,更容易满足空气动力学设计的要求以及美观方面的需要。

模块化、整体化也是汽车结构的一种发展趋势,碳纤维复合材料通过合理的模具设计,可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一体成型。因此,复合材料适合于制造钢制薄板难于制造、生产效率低、难于保证精度的汽车零件。

如莲花跑车以整车使用碳纤维材质为目标,将车身零部件轻量化、一体化,不仅减轻了车身重量,并且使得部件的刚度、强度大大增加,提高了整车性能。

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耐冲击性

碳纤维复合材料表现的耐冲击性也良好,以聚合物为基体的碳纤维复合材料具有一定的粘弹性力学性能,可以吸收一定的冲击能量。

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