环氧树脂与碳纤维复合材料及加工技术

环氧树脂与碳纤维复合材料及加工技术

科研转载

图1 安装在底盘上的复合材料主承载结构

在汽车工业发达国家，一些小批量生产的高档汽车及赛车已使用了采用碳纤增强环氧树脂复合材料制成的主承力结构件，其强度、刚性及其他各项性能指标均可与传统的金属材料部件相媲美，同时重量也大为减轻。本文主要从材料和加工工艺等方面对此进行阐述。

自20世纪70年代第一次石油危机爆发以来，“汽车轻量化”便成为全球汽车制造业关注的重点之一。几十年来，人们不断地通过优化结构设计以及采用金属替代方案来实现减重的目标。近年来，随着工程塑料及复合材料等非金属材料在汽车内饰、外饰及功能件应用方面的日趋成熟，替代金属将它们用作结构件正成为汽车制造业新的研究课题。这其中，尤其以汽车主承力结构件（简称“主结构件“）的轻量化为制造

研究的重点和难点。

近些年来，随着长纤维增强复合材料（LFT）和片状模复合材料（SMC）及其加工技术的快速发展，国内外已出现了由这类材料经模压工艺制成的零部件，如车门骨架、发动机托架、座椅骨架及散热器支架等。然而，由于材料本身的限制，其强度、刚性及抗冲击性等均不能满足结构件特别是主结构件的要求。

图2 在2005年JEC展会中展出的复合材料车身结构

主结构件，包括汽车的A、B、C柱，以及由翼子板、前围、侧围、后围、顶梁和底板等构成的车身框架。由于是汽车的主要承载部件，为了确保足够的安全性能，汽车厂商会选择强度、刚性及耐冲击性能均很高的材料，通常是复合材料层合结构。相比之下，次承力结构件，包括车门、发罩、行李舱门和顶板等，它们通常使用的是复合材料三明治夹心结构（包括蜂窝夹心、泡沫夹心和轻木夹心等芯材）和层和结构。在此，暂不对三明治夹心结构进行表述，主要介绍复合材料实体层合结构。

在汽车工业发达国家，一些小批量生产的高档汽车及赛车已陆续使用了碳纤增强环氧树脂复合材料制成的主结构件和次承力结构件，其强度、刚性、抗疲劳性及其他各项性能指标均可满足设计要求，可与传统的金属材料部件相媲美。此外，此类产品还表现出了极好的抗腐蚀和耐腐蚀性能。与同体积的铝合金构件相比，减重可达50%。下面将从材料、加工工艺等方面对此进行详细阐述。

图3 Ferrari Enzo 复合材料车身

碳纤增强环氧树脂复合材料

作为一种设计灵活、轻质、高强、耐冲击及耐腐蚀的材料，环氧树脂基复合材料可用于制造多种汽车部件。除了车顶棚、门外板、翼子板以及发动机罩等车身部件外，它还可用于汽车主结构件。由此类材料制成的汽车部件不仅大大提高了汽车的安全性能，而且还降低了车重，减少了燃油消耗，提高了经济性，另外改善了美观性，如为车身带来碳纤维的外观效果。

图4 制袋完毕，进入热压罐加热加压固化

根据应用的不同，增强材料可选用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维，甚至硼纤维等。对于主结构件而言，由碳纤维、芳纶纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料能够提供更高的强度和刚性，因此成为主结构件的首选材料。近年来，国外一些高档汽车如奔驰、宝马、保时捷和莲花等，以及世界上的几大赛车品牌，如法拉利、玛莎拉蒂、兰博基尼和波尔舍等，均已采用了由碳纤增强环氧树脂复合材料制成的主结构部件。此外，F1方程式赛车还全部采用了碳纤和硼纤维增强环氧树脂复合材料制成的车身。一般，碳纤增强环氧树脂复合材料中的纤维含量在60%～70%左右。与玻纤增强的环氧树脂相比，其密度更低、质量更轻、刚性更好且质感更加美观；与金属材料相比，其强度更优，抗疲劳性能更佳。不仅如此，根据应用要求，还可对碳纤增强环氧树脂进行局部或整体增韧处理，即通过加入一些热塑性树脂，如PEEK和PEKK 等，提高材料的耐冲击性能，使其可提供更好的安全性能。由于具有优异的综合性能优势，目前碳纤增强

环氧树脂复合材料已被大量用于飞机的主承力结构和次承力结构中，最新研制的波音787商用飞机所使用

的复合材料量已占到飞机总质量的50%。

碳纤增强环氧树脂复合材料主结构件的加工工艺

众所周知，热固性复合材料的可设计自由度非常大。在制件的生产过程中，完全可以根据制品的最终使用性能要求，选择不同的纤维和基体树脂，然后按照不同的方向和厚度完成纤维的铺层。然而，由于此类材料的生产工艺目前仍以手工操作为主，机械化程度不高，因此很少能实现量产。

图5 采用预浸料/热压罐工艺的生产现场

目前常用的热固性复合材料制件的生产工艺主要包括：手糊成型，手糊袋压成型（Hand lay-up wit h bagging film），喷射成型，缠绕、拉挤成型，树脂传递模塑成型（Resin transfer molding，简称“RT M”），树脂胶膜浸润成型（Resin film infusion，简称“RFI”）以及预浸料/热压罐成型和模压成型等。对于制作汽车主结构件而言，适合的生产工艺主要为手糊袋压成型、RTM、RFI以及预浸料/热压罐成型等。至于手糊成型，由于生产出的部件孔隙率较高，其强度达不到主结构件的要求，因此一般不予采用。目前，只有RTM、RFI和预浸料/热压罐成型是可以量产的生产工艺。

1、手糊袋压成型

与普通的手糊成型相类似，手糊袋压成型也是由手工将树脂和纤维织物交替地铺层在已涂有脱模剂的模具上，使其达到设计厚度要求。所不同的是，在进行加热加压前需要先制袋，制袋的目的是为了在铺层间形成真空并达到一定的接触压力，以降低最终制件的孔隙率，同时提高层间剪切强度。制袋完成后，即可将其放入热压罐或固化炉中，经加热加压后成型。这种工艺方法劳动强度大，生产周期长，工作环境

差，但成本低，目前很少被用于主结构件的制造中。

2、树脂传递模塑成型

树脂传递模塑成型（RTM）是一种闭模成型工艺，对于要求双面光滑且形状复杂的部件较为适合，汽车的A、B、C柱以及翼子板等部件可采用该成型工艺。其特点是，先按设计要求在模具型腔中放置增强材料预成型体，然后合模加压，从浇口处向型腔中灌注预先计量好的定量液态树脂，使其充满纤维预成型体的纤维间空隙，经加热固化后成型。当模具本身带有加热功能时，加热固化过程可直接在模具中完成，否则可使用固化炉完成此过程。该工艺可使用的纤维增强材料包括两种类型，一种为手工铺贴纤维，另一

种是经过三维编织的预成型纤维。

为了确保主结构件获得更高的强度和质量，还可采用真空辅助的RTM工艺（简称“VARTM”）。该工艺是在合模后，先对型腔抽真空，然后再灌注树脂，这样可以有效地排除型腔中的空气，从而降低制品的

孔隙率以提高强度。

图6 采用RFI工艺制作的车身