用于結構件的環氧碳纖維復合材料及加工技術（上）
在汽車工業發達，一些小批量生產的高檔汽車及賽車已使用了采用碳纖維增強環氧樹脂復合材料制成的主承力結構件，其強度、剛性及其他各項性能指標均可與傳統的金屬材料部件相媲美，同時重量也大為減輕。本文主要從材料和加工工藝等方面對此進行闡述。
自20世紀70年代次石油危機爆發以來，“汽車輕量化”便成為汽車制造業關注的重點之一。幾十年來，人們不斷地通過優化結構設計以及采用金屬替代方案來實現減重的目標。近年來，隨著工程塑料及復合材料等非金屬材料在汽車內飾、外飾及功能件應用方面的日趨成熟，替代金屬將它們用作結構件正成為汽車制造業新的研究課題。這其中，尤其以汽車主承力結構件（簡稱“主結構件“）的輕量化為制造研究的重點和難點。
近些年來，隨著長纖維增強復合材料（lft）和片狀模復合材料（smc）及其加工技術的快速發展，國內外已出現了由這類材料經模壓工藝制成的零部件，如車門骨架、發動機托架、座椅骨架及散熱器支架等。然而，由于材料本身的限制，其強度、剛性及抗沖擊性等均不能滿足結構件特別是主結構件的要求。
主結構件，包括汽車的a、b、c柱，以及由翼子板、前圍、側圍、后圍、頂梁和底板等構成的車身框架。由于是汽車的主要承載部件，為了確保足夠的安全性能，汽車廠商會選擇強度、剛性及耐沖擊性能均很高的材料，通常是復合材料層合結構。相比之下，次承力結構件，包括車門、發罩、行李艙門和頂板等，它們通常使用的是復合材料三明治夾心結構（包括蜂窩夾心、泡沫夾心和輕木夾心等芯材）和層和結構。在此，暫不對三明治夾心結構進行表述，主要介紹復合材料實體層合結構。
在汽車工業發達，一些小批量生產的高檔汽車及賽車已陸續使用了碳纖增強環氧樹脂復合材料制成的主結構件和次承力結構件，其強度、剛性、抗疲勞性及其他各項性能指標均可滿足設計要求，可與傳統的金屬材料部件相媲美。此外，此類產品還表現出了極好的抗腐蝕和耐腐蝕性能。與同體積的鋁合金構件相比，減重可達50%。下面將從材料、加工工藝等方面對此進行詳細闡述。
碳纖維增強環氧樹脂復合材料
作為一種設計靈活、輕質、高強、耐沖擊及耐腐蝕的材料，環氧樹脂基復合材料可用于制造多種汽車部件。除了車頂棚、門外板、翼子板以及發動機罩等車身部件外，它還可用于汽車主結構件。由此類材料制成的汽車部件不僅大大提高了汽車的安全性能，而且還降低了車重，減少了燃油消耗，提高了經濟性，另外改善了美觀性，如為車身帶來碳纖維的外觀效果。
根據應用的不同，增強材料可選用玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維，甚至硼纖維等。對于主結構件而言，由碳纖維、芳綸纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基復合材料能夠提供更高的強度和剛性，因此成為主結構件的選材料。近年來，國外一些高檔汽車如奔馳、寶馬、保時捷和蓮花等，以及上的幾大賽車品牌，如法拉利、瑪莎拉蒂、蘭博基尼和波爾舍等，均已采用了由碳纖增強環氧樹脂復合材料制成的主結構部件。此外，f1方程式賽車還全部采用了碳纖和硼纖維增強環氧樹脂復合材料制成的車身。一般，碳纖增強環氧樹脂復合材料中的纖維含量在60%～70%左右。與玻纖增強的環氧樹脂相比，其密度更低、質量更輕、剛性更好且質感更加美觀；與金屬材料相比，其強度更優，抗疲勞性能更佳。不僅如此，根據應用要求，還可對碳纖增強環氧樹脂進行局部或整體增韌處理，即通過加入一些熱塑性樹脂，如peek和pekk等，提高材料的耐沖擊性能，使其可提供更好的安全性能。由于具有優異的綜合性能優勢，目前碳纖增強環氧樹脂復合材料已被大量用于飛機的主承力結構和次承力結構中，新研制的波音787商用飛機所使用的復合材料量已占到飛機總質量的50%。
碳纖維增強環氧樹脂復合材料主結構件的加工工藝
眾所周知，熱固性復合材料的可設計自由度非常大。在制件的生產過程中，完全可以根據制品的終使用性能要求，選擇不同的纖維和基體樹脂，然后按照不同的方向和厚度完成纖維的鋪層。然而，由于此類材料的生產工藝目前仍以手工操作為主，機械化程度不高，因此很少能實現量產。
目前常用的熱固性復合材料制件的生產工藝主要包括：手糊成型，手糊袋壓成型（hand lay-up with bagging film），噴射成型，纏繞、拉擠成型，樹脂傳遞模塑成型（resin transfer molding，簡稱“rtm”），樹脂膠膜浸潤成型（resin film infusion，簡稱“rfi”）以及預浸料/熱壓罐成型和模壓成型等。對于制作汽車主結構件而言，適合的生產工藝主要為手糊袋壓成型、rtm、rfi以及預浸料/熱壓罐成型等。至于手糊成型，由于生產出的部件孔隙率較高，其強度達不到主結構件的要求，因此一般不予采用。目前，只有rtm、rfi和預浸料/熱壓罐成型是可以量產的生產工藝。
1、手糊袋壓成型
與普通的手糊成型相類似，手糊袋壓成型也是由手工將樹脂和纖維織物交替地鋪層在已涂有脫模劑的模具上，使其達到設計厚度要求。所不同的是，在進行加熱加壓前需要先制袋，制袋的目的是為了在鋪層間形成真空并達到一定的接觸壓力，以降低終制件的孔隙率，同時提高層間剪切強度。制袋完成后，即可將其放入熱壓罐或固化爐中，經加熱加壓后成型。這種工藝方法勞動強度大，生產周期長，工作環境差，但成本低，目前很少被用于主結構件的制造中。
2、樹脂傳遞模塑成型
樹脂傳遞模塑成型（rtm）是一種閉模成型工藝，對于要求雙面光滑且形狀復雜的部件較為適合，汽車的a、b、c柱以及翼子板等部件可采用該成型工藝。其特點是，先按設計要求在模具型腔中放置增強材料預成型體，然后合模加壓，從澆口處向型腔中灌注預先計量好的定量液態樹脂，使其充滿纖維預成型體的纖維間空隙，經加熱固化后成型。當模具本身帶有加熱功能時，加熱固化過程可直接在模具中完成，否則可使用固化爐完成此過程。該工藝可使用的纖維增強材料包括兩種類型，一種為手工鋪貼纖維，另一種是經過三維編織的預成型纖維。
為了確保主結構件獲得更高的強度和質量，還可采用真空輔助的rtm工藝（簡稱“vartm”）。該工藝是在合模后，先對型腔抽真空，然后再灌注樹脂，這樣可以有效地排除型腔中的空氣，從而降低制品的孔隙率以提高強度。
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自20世紀70年代次石油危機爆發以來，“汽車輕量化”便成為汽車制造業關注的重點之一。幾十年來，人們不斷地通過優化結構設計以及采用金屬替代方案來實現減重的目標。近年來，隨著工程塑料及復合材料等非金屬材料在汽車內飾、外飾及功能件應用方面的日趨成熟，替代金屬將它們用作結構件正成為汽車制造業新的研究課題。這其中，尤其以汽車主承力結構件（簡稱“主結構件“）的輕量化為制造研究的重點和難點。
近些年來，隨著長纖維增強復合材料（lft）和片狀模復合材料（smc）及其加工技術的快速發展，國內外已出現了由這類材料經模壓工藝制成的零部件，如車門骨架、發動機托架、座椅骨架及散熱器支架等。然而，由于材料本身的限制，其強度、剛性及抗沖擊性等均不能滿足結構件特別是主結構件的要求。
主結構件，包括汽車的a、b、c柱，以及由翼子板、前圍、側圍、后圍、頂梁和底板等構成的車身框架。由于是汽車的主要承載部件，為了確保足夠的安全性能，汽車廠商會選擇強度、剛性及耐沖擊性能均很高的材料，通常是復合材料層合結構。相比之下，次承力結構件，包括車門、發罩、行李艙門和頂板等，它們通常使用的是復合材料三明治夾心結構（包括蜂窩夾心、泡沫夾心和輕木夾心等芯材）和層和結構。在此，暫不對三明治夾心結構進行表述，主要介紹復合材料實體層合結構。
在汽車工業發達，一些小批量生產的高檔汽車及賽車已陸續使用了碳纖增強環氧樹脂復合材料制成的主結構件和次承力結構件，其強度、剛性、抗疲勞性及其他各項性能指標均可滿足設計要求，可與傳統的金屬材料部件相媲美。此外，此類產品還表現出了極好的抗腐蝕和耐腐蝕性能。與同體積的鋁合金構件相比，減重可達50%。下面將從材料、加工工藝等方面對此進行詳細闡述。
碳纖維增強環氧樹脂復合材料
作為一種設計靈活、輕質、高強、耐沖擊及耐腐蝕的材料，環氧樹脂基復合材料可用于制造多種汽車部件。除了車頂棚、門外板、翼子板以及發動機罩等車身部件外，它還可用于汽車主結構件。由此類材料制成的汽車部件不僅大大提高了汽車的安全性能，而且還降低了車重，減少了燃油消耗，提高了經濟性，另外改善了美觀性，如為車身帶來碳纖維的外觀效果。
根據應用的不同，增強材料可選用玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維，甚至硼纖維等。對于主結構件而言，由碳纖維、芳綸纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基復合材料能夠提供更高的強度和剛性，因此成為主結構件的選材料。近年來，國外一些高檔汽車如奔馳、寶馬、保時捷和蓮花等，以及上的幾大賽車品牌，如法拉利、瑪莎拉蒂、蘭博基尼和波爾舍等，均已采用了由碳纖增強環氧樹脂復合材料制成的主結構部件。此外，f1方程式賽車還全部采用了碳纖和硼纖維增強環氧樹脂復合材料制成的車身。一般，碳纖增強環氧樹脂復合材料中的纖維含量在60%～70%左右。與玻纖增強的環氧樹脂相比，其密度更低、質量更輕、剛性更好且質感更加美觀；與金屬材料相比，其強度更優，抗疲勞性能更佳。不僅如此，根據應用要求，還可對碳纖增強環氧樹脂進行局部或整體增韌處理，即通過加入一些熱塑性樹脂，如peek和pekk等，提高材料的耐沖擊性能，使其可提供更好的安全性能。由于具有優異的綜合性能優勢，目前碳纖增強環氧樹脂復合材料已被大量用于飛機的主承力結構和次承力結構中，新研制的波音787商用飛機所使用的復合材料量已占到飛機總質量的50%。
碳纖維增強環氧樹脂復合材料主結構件的加工工藝
眾所周知，熱固性復合材料的可設計自由度非常大。在制件的生產過程中，完全可以根據制品的終使用性能要求，選擇不同的纖維和基體樹脂，然后按照不同的方向和厚度完成纖維的鋪層。然而，由于此類材料的生產工藝目前仍以手工操作為主，機械化程度不高，因此很少能實現量產。
目前常用的熱固性復合材料制件的生產工藝主要包括：手糊成型，手糊袋壓成型（hand lay-up with bagging film），噴射成型，纏繞、拉擠成型，樹脂傳遞模塑成型（resin transfer molding，簡稱“rtm”），樹脂膠膜浸潤成型（resin film infusion，簡稱“rfi”）以及預浸料/熱壓罐成型和模壓成型等。對于制作汽車主結構件而言，適合的生產工藝主要為手糊袋壓成型、rtm、rfi以及預浸料/熱壓罐成型等。至于手糊成型，由于生產出的部件孔隙率較高，其強度達不到主結構件的要求，因此一般不予采用。目前，只有rtm、rfi和預浸料/熱壓罐成型是可以量產的生產工藝。
1、手糊袋壓成型
與普通的手糊成型相類似，手糊袋壓成型也是由手工將樹脂和纖維織物交替地鋪層在已涂有脫模劑的模具上，使其達到設計厚度要求。所不同的是，在進行加熱加壓前需要先制袋，制袋的目的是為了在鋪層間形成真空并達到一定的接觸壓力，以降低終制件的孔隙率，同時提高層間剪切強度。制袋完成后，即可將其放入熱壓罐或固化爐中，經加熱加壓后成型。這種工藝方法勞動強度大，生產周期長，工作環境差，但成本低，目前很少被用于主結構件的制造中。
2、樹脂傳遞模塑成型
樹脂傳遞模塑成型（rtm）是一種閉模成型工藝，對于要求雙面光滑且形狀復雜的部件較為適合，汽車的a、b、c柱以及翼子板等部件可采用該成型工藝。其特點是，先按設計要求在模具型腔中放置增強材料預成型體，然后合模加壓，從澆口處向型腔中灌注預先計量好的定量液態樹脂，使其充滿纖維預成型體的纖維間空隙，經加熱固化后成型。當模具本身帶有加熱功能時，加熱固化過程可直接在模具中完成，否則可使用固化爐完成此過程。該工藝可使用的纖維增強材料包括兩種類型，一種為手工鋪貼纖維，另一種是經過三維編織的預成型纖維。
為了確保主結構件獲得更高的強度和質量，還可采用真空輔助的rtm工藝（簡稱“vartm”）。該工藝是在合模后，先對型腔抽真空，然后再灌注樹脂，這樣可以有效地排除型腔中的空氣，從而降低制品的孔隙率以提高強度。
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