前言

2024年是實施“十四五”規劃承前啟后的關鍵一年，十四五規劃綱要中強調了綠色發展的重要性，提出“減量化、再利用、資源化”。汽車產業作為國民經濟發展的支柱產業，其輕量化、電動化是突破產業綠色發展瓶頸的兩大重要舉措。碳纖維增強樹脂復合材料（CFRPs）作為高新技術領域的新型材料，具有較高的比強度，是減輕車輛自重，進一步提升新能源汽車里程數的理想型材。我國碳纖維復合材料市場雖起步較晚，但在新能源汽車迅猛發展的助力下，車用碳纖維復合材料的市場也逐步活躍起來，預計在2025年間實現近10 %的復合增長率。

碳纖維復合材料應用適應性較強，在傳統車輛中，大到保險杠、發動機蓋、車頂棚，小到內飾、儀表盤、把手覆材，都可選用CFRPs替代原材料來實現車輛的輕量化。而在新能源汽車中，電池箱占車輛自重25%~30%，耐腐蝕耐高溫的CFRPs無疑是代替原鋼材質的最優選項。由于成型零件的大小和結構不同，CFRPs在制備工藝的選用上也具有多樣性，而碳纖維束的力學性能具有各向異性，不同的工藝流程將對CFRPs的性能產生影響。除外在因素的作用，構成CFRPs的碳纖維增強相和聚合物連續相也是其性能優化的重要角色，兩者復合后界面將形成復雜的內部微觀結構，界面內部微觀結構的穩定性是CFRPs宏觀承載能力的決定因素。碳纖維表面活性的缺失往往會影響其與聚合物基體的相容性，這將導致CFRPs在不同工況下會產生界面失效，最終影響其使用壽命。選用不同種類聚合物基體可滿足不同場景下CFRPs的性能需求，近年來可回收聚合物基體也逐步成為研究熱點，這為CFRPs在高新技術領域的循環使用提供了新的方案。

綜上，本文將討論制備工藝、碳纖維改性方案和聚合物種類三大因素對CFRPs性能的影響，并分析車用CFRPs綠色化發展所面臨的機遇與挑戰，為綠色CFRPs在汽車領域中的廣泛應用提供參考。

01制備工藝對車用CFRPs性能的影響

CFRPs最初廣泛應用于航空航天、風力發電領域，其制備工藝主要面向結構復雜、批量少的高精度零件，而車用CFRPs的工藝流程面向于低成本、高產率的規?；慵虼藶檫M一步推動汽車產業輕量化發展，國內也逐步涌現了多種新型快速成型工藝，常見的有樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝、預浸料壓縮（PCM）成型工藝、長纖維（LFT）注射成型工藝以及片狀模塑料（SMC）成型工藝。從宏觀來看，具有定向微觀結構的連續碳纖維成束后，經過成型工藝過程的高溫固化，最終所得CFRPs由于鋪層結構、充模方案、固化溫度以及預固化時間的影響，其力學性能具有各向異性，本節將探討不同成型工藝下對車用CFRPs的綜合力學性能、成型缺陷以及生產周期的影響。

RTM成型工藝是指將纖維增強相預先編制成型后，再置于模具內完成樹脂的注入，由于采用封閉模具，所得零件成型后無需過多加工，因此被認為是汽車領域復雜形狀中小型部件批量生產的最合適方法，根據注射壓力不同，其工藝方案主要分為低壓注射（LP?PTM）、高壓注射（HP?RTM）以及壓縮注射（C?RTM）。但無論何種工藝方案均依賴于纖維織物的滲透率，為保證成型過程中孔隙率的降低，科研人員提出了各類應對方案。

Y Djebara等提出了加入熱導率較高的顆粒填料來的方案，以實現聚合物基體在加熱期間快速流動，但并未經過實驗進行驗證。Julian Seuffert等則進一步升級了C?RTM工藝的壓力控制方案，利用嵌入式壓力傳感器來主動控制型腔填充過程中的壓力值，并設計可變的模具間隙高度，以保證穩定壓力數值下樹脂的快速注射成型，以此達到縮短生產周期的目的（圖1）。法拉利工程師Michele Zanchini等則針對碳纖維堆疊順序方案進行了深入研究，優化了CFRPs輪轂的RTM工藝方案，首先選用由聚合物和短切碳纖維的混合物制得內部預制件，然后經由單層長碳纖維織物進行包裹并采用HP?RTM的方案，最終與鋁制跑車輪轂進行了綜合性能對比，新的CFRPs輪轂的質量比鍛造鋁輪輞輕28%，剛度高約8%，能夠承受比鋁制輪轂高34%的載荷。浸漬方案的改進與提升是克服空隙缺陷產生的外部手段，需大量人力物力配合，實現聚合物流動性的提升是解決RTM成型工藝常見問題的關鍵。

圖1 壓力控制RTM工藝流程圖

PCM成型工藝有效解決了RTM成型工藝設備成本高和生產周期長的問題，并且更適宜選用熱塑性聚合物基體的CFRPs的成型，研究學者們已多次嘗試將該工藝應用于生產汽車零部件，Jung?Min Lee和Jae?Hong Kim均通過該工藝方法實現了汽車B柱部件耐撞性能的提升，后者更是通過PCM與熱沖壓工序的結合實現了鋼材與CFRPs的無黏結銜接，經過CFRPs加固的汽車B柱在滿足現有鋼材的彎曲變形和尺寸精度的同時質量減輕了62.96%，此外由于經PCM成型工藝生產的汽車部件大多選用CFRPs作為加固材料，這類方案對于碳纖維的強度要求并不高，這也為二次回收碳纖維的應用方向提供了新的選擇。

根據以上分析，若選用PCM成型工藝生產僅由CFRPs構成的汽車部件，需在成型過程中經歷模具間的擠壓，從而得到較薄的層壓板（圖2），因此會在彎折處產生存在浸潤不佳的問題，浸潤性的好壞將影響CFRPs層間產生微小凹槽以及空隙的數量，若缺陷聚集于彎折處將導致構件在承擔重載時發生斷裂失效，真空輔助PCM（VA?PCM）成型工藝可顯著改善這類問題，Jeong?Min Lee驗證了VA?PCM工藝在制造汽車零部件中的可行性，經過VA?PCM工藝制備所得CFRPs試樣的平均微槽深度為50.05μm，實現了顯著降低。

圖2 PCM的工藝流程示意圖

VA?PCM成型工藝中，即使初期經過模具的擠壓存在部分孔隙，聚合物基體也經由抽真空實現流動，進而避免與空隙和未填充樹脂相關的缺陷（圖3），拉伸和彎曲實驗的結果也驗證了這一點，雖然彈性模量趨勢類似，但VA?PCM工藝制備試樣的拉伸強度高達890.85MPa，且經過VA?PCM工藝制備的汽車頂板能量吸收特性提升更為顯著，相對于傳統PCM工藝所得汽車頂板提升約36%，這說明該工藝用于汽車車頂板的制備不僅實現了車輛輕量化，還為車輛CFRPs薄壁類零件性能提升提供了新方案。

圖3 PCM和VA?PCM工藝示意圖

LFT通常使用擠出機進行聚合物熔化并進行碳纖維束的分布，然后將其送入壓機進行壓縮成型，長安汽車公司探究了該工藝應用于汽車前段模塊成型的方案，選取了碳纖維和玻璃纖維混雜的雙長纖維方案，并在成型后對前端框架的發動機罩鎖、散熱器和大燈總成安裝區域結構性能進行臺架試驗驗證，結果顯示所得該工藝制備的CFRPs基本滿足實際所需性能要求。日本國家復合材料中心則使用該方法嘗試了CFRPs汽車底盤的制造，所得CFRPs汽車底盤相較于鋁合金底盤在相同剛度下質量減輕10%，加工后底盤的彈性模量與局部纖維取向具有很強的相關性，但這一點未作出進一步的實驗驗證。Lee Heesook等分析驗證了LFT工藝中纖維取向對CFRPs力學性能的影響（圖4），試驗分析發現CFRPs的彎曲性能受碳纖維沿試件厚度方向排列的影響，其難點在于長纖維束的綁定以及取向分布，而長碳纖維（0.5 ~ 10.5mm）在注射過程中隨著聚合物的流動，需使其沿試件厚度方向排列，才可提升CFRPs對于厚度方向壓縮力的承擔能力，實驗結果說明長纖維在這一點相較于流動性較大的短纖維（15~150μm）有一定優勢，但并未給出長纖維取向控制的合理方案。

圖4 雙軸擠出機、溫控室、物料搬運機器人和高速壓力機的大型LFT工藝過程示意圖

SMC成型工藝是指在室溫下將由聚合物、硬化劑以及各類填料所制得的半成品置于回火模具中，再經模具壓制固化1~5min得到所需形狀的過程。這種工藝更適宜薄壁殼體部件的成型，往往選用長度為25~50mm的碳纖維增強相，碳纖維約占CFRPs體積分數的50%。而不連續的碳纖維具有隨機取向或有限的優先取向，這在很大程度上取決于模具內的流動進程，SMC成型過程中碳纖維的流動范圍約占據零件面積的30%~70%，因此如何通過局部流動應變預測主纖維方向，及時干預纖維走向，避免最終固化零件發生翹曲開裂等缺陷是該類成型工藝于汽車制造領域廣泛應用的主要難點，寶馬集團工程師開發了一種3D虛擬工藝鏈，用于處理由兩種不同的高纖維體積分數CFRPs材料制成的零件的壓縮成型和翹曲模擬（圖5），從數值模擬的局部流動應變中預測局部力學性能和纖維取向信息，可以有效的預知冷卻后部件變形/翹曲的趨勢，經模擬結果分析發現纖維取向主要由半成品中的初始纖維取向決定。

圖5 實際SMC成型工藝過程及軟件模擬結果

而對于半成品的選用方面，隨著全球綠色化進程的加快，大量學者呼吁使用再生碳纖維，Stelzer Philipp S等嘗試使用原生碳纖維和再生碳纖維制得的半成品經SMC成型工藝生產汽車變速器橫梁。由于回收后的碳纖維在模具內流動性較差，在多種工藝方案的對比后，選取了以再生半成品為核心包覆新碳纖維進行模壓成型的方案，獲得了性能較好的CFRPs樣品，承載能力高達26.26kN，且經過二次成型后的次級回收料被重新賦予了流動性，還可再次用于對于綜合力學性能要求低的零部件中，大大的降低了生產成本，為輕量化應用中的不同質量要求提供了循環和多級使用工業回收材料提供了新的策略。

02碳纖維、聚合物改性方案對車用CFRPs性能的影響

CFRPs作為新興輕質材料，研究人員針對其性能提升方案的提出從未停止，各類方案中的首選是改善碳纖維表面粗糙度及活性。碳纖維為“十三五”重點發展材料，其制備過程賦予了碳纖維高度定向的微觀結構，導致其表面粗糙度低，活性差，與大多數聚合物基體間無法形成有效的化學和物理結合。而車用CFRPs受碳纖維質量的影響，往往會展現出不同的比強度和比模量，選用合理的前驅體是保證碳纖維質量的基礎，再獲得較好質量碳纖維后，研究人員又通過各類改性方案來提升碳纖維與聚合物基體間的界面性能，以此來實現CFRPs綜合力學性能的改善。

碳纖維優異的物理特性取決于其表面的晶體結構，這與前驅體的選用密切相關，市面上碳纖維大多選用聚丙烯腈（PAN）作為前驅體，PAN生產的碳纖維在行業中占據主導地位，占當今碳纖維產量的90%以上。然而，從PAN衍生的碳纖維成本較高，限制了其在普適性產品中的應用，最明顯的是原材料成本，據報道占總成本的53%。尋求一種可替代的低成本前體成為主要策略，紡織級PAN是一種很有前途的低成本替代前驅體，但其極易氧化，且機械強度不足理論的10%。氯化聚氯乙烯（CPVC）一種原料成本較低的人工合成聚合物，具有較好的機械強度和耐熱性和耐化學性，Kim Jiyeon等通過改進CPVC的熱拉伸方案，實現了碳纖維結晶度和拉伸強度的改善，拉伸強度增至1.83GPa，該強度更適用于目前汽車工業碳纖維標準的水平，此外CPVC前驅體的成本較低，大幅度的降低了車用CFRPs的生產成本。

除CPVC外，木質素也是較有潛力的替代前體，大眾汽車集團在研究中對木質素基碳纖維進行調查發現，木質素具有可回收特性，是一種潛在的可持續資源（圖6）。Beaucamp Anne等首次選用短木質素作為碳纖維前驅體，并用于增強聚酰胺（PA），所得碳纖維與PA基體間具有較好的相容性，且拉伸性能與PAN基碳纖維增強的CFRPs彼此相當，根據模型計算，但用木質素碳纖維代替PAN基碳纖維可以減少54%的環境影響。以上各類前驅體選用方案均對CFRPs的力學性能產生了一定影響（表1），但實現了成本的降低且對資源環境有益，即使是低成本的前驅體，也應選用與實際應用相匹配的碳纖維制備方案，制備工藝是調控晶體結構和纖維取向的關鍵步驟，微觀構型的穩定是碳纖維的宏觀性能提升的基礎。

圖6 從PAN基工藝和木質素基工藝獲得的注塑零件

表1 不同前驅體碳纖維的力學性能對比

碳纖維表面呈惰性且疏水，這使得與聚合物基體間的界面相容性較差，即使再好的成型工藝，在較差的界面結構基礎上也無法展示突出的力學性能，近年研究學者也在逐步探索碳纖維的表面功能化以及疏水修飾的有效方案。目前，表面改性方案主要分為“干法”和“濕法”改性。“干法”主要指包括高能輻照、磁控濺射和等離子體，而“濕法”改性如施膠、電化學和酸處理則是工業生產中較為常用的手段，所得CFRPs具有較好的綜合力學性能，但均對碳纖維本身力學性能造成一定損傷。

各類改性方案中（表2），等離子體表面改性為碳纖維無損改性的首要方案，且污染低，效率高，Kumar P Sarath等利用等離子體和稀土元素對纖維進行表面處理，并搭建了MWCNT/石墨烯多尺度界面結構（圖7），經等離子體處理后，得益于碳纖維表面潤濕性的改善，CFRPs的層間剪切強度提升至（46±0.8）MPa。此外，接枝法也對界面有序結構的構筑有一定的積極作用，接枝法主要有接枝聚合物和納米材料兩大類，選用與基體相似的功能化聚合物進行接枝是接枝聚合物的主要方案，Sameh Dabees等選用具有穩定模量和（基團）的聚合物進行接枝，在碳纖維表面接枝了4?硝基苯胺和4?氨基酚，利用接枝分子的功能基團，與PPS聚合物主鏈暴露的硫基團形成氫鍵，為界面處提供了更為穩定的載荷傳遞過渡層，進而實現更為均勻的應力分布，CFRPs拉伸強度增至（88.6±5.4）MPa。聚合物接枝與施膠過程目的類似，即為碳纖維表面提供活性基團，但該方案對于CFRPs的強硬度提升有限，在復雜載荷下容易發生界面分層，導致CFRPs的災難性損傷。

表2 不同碳纖維表面改性方案所得CFRPs的力學性能對比

圖7 銷釘螺桿

為改善這類問題，研究學者們在碳纖維表面進一步接枝納米材料，其中，通過軟硬組分的定向自組裝來調節材料的界面性質是一種有效策略（圖8），Guipeng Quan等選用3?氨基丙基三乙氧基硅烷（TA?APTES）和海藻酸鈉（SA）為反應底物，在碳纖維表面構建了軟硬結構的ZnO納米晶體生長，軟質的聚合物組分緩沖載荷，而硬質的納米材料則為載荷的傳遞和承載提供了堅實的支撐，最終CFRPs的層間剪切強度增至82.9MPa，兩者協調促進碳纖維與聚合物基體之間的機械聯鎖和應力傳遞，為界面性能的再度提升提供了有利條件。綜上分析，僅通過常見方案功能化碳纖維表面、提升表面活性對于CFRPs的界面性能改善是有限的，而多尺度界面的構建，則在化學鍵合的基礎上提供了物理結構支撐，兩者協同作用對CFRPs的性能提升更有益。

圖8 純聚合物與軟相和硬相結合對比

聚合物作為連續相保證了碳纖維化學和結構的完整性，是承擔和傳遞載荷的先驅，常見CFRPs聚合物基體有環氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂等，按照是否能夠在溫度發生變化時二次成型，這些傳統聚合物可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類，而在實際使用中，汽車經常遭受各類溫度變化的考驗，僅選用傳統聚合物單體無法滿足CFRPs在汽車工業領域中的應用條件，特別是在面對連續的溫度變化時，CFRPs界面間熱膨脹系數存在差異，界面在內應力的快速變化下萌生和擴展微裂紋，最終導致分層和黏結失效，使CFRPs壽命變短。為了平衡界面間的熱膨脹系數和模量差異，提升CFRPs碳纖維增強相與聚合物連續相的相容性，研究學者們也針對各類聚合物基體的特性提出了差異化改性方案。

聚合物基體作為載荷的首要承擔者，其對于微裂紋的抵抗能力決定了CFRPs嚴苛工況下的壽命，常見聚合物基體往往擁有較高的交聯密度，在賦予基體優異強度的同時也降低了韌性，碳纖維增強相的引入很好的解決了這一問題，但由于兩相之間存在顯著的模量差異，界面在遭受重載時，兩相間載荷的緩沖與傳遞往往受內應力的影響較大，鏈段結構的調控可以調節碳纖維與聚合物基體間韌性的矛盾，苯并噁嗪樹脂具有極佳的熱力學性能，且具有可控的鏈段結構，Davide Carlevaris等選用苯并噁嗪樹脂作為CFRPs剎車片摩擦材料的樹脂基體，并與以傳統酚醛樹脂作為基體的CFRPs進行摩擦學性能對比，結果表明，以苯并噁嗪為基體的CFRPs由于磨損較低而表現出更好的摩擦學性能，在惡劣的高溫條件下該材質的剎車片在苯并噁嗪樹脂的黏附作用下磨屑較少，剎車片的壽命比傳統的酚醛樹脂基體的CFRPs長22%~32%。而針對這類材料的力學性能提升方面，Yi Xu等通過順序可控固化反應將軟鏈段（聚六氫三嗪）和硬鏈段（苯并噁嗪）交聯網絡相互穿插獲得了一種可回收的IPN樹脂（圖9），以其為基體制備的CFRPs在拉伸強度、彎曲強度和剪切強度方面表現出顯著的提高，最小值分別為2393.98MPa、1204.90MPa和111.07MPa，遠高于現有的CFRPs。Xiaohong Liu等也采取類似方案，將苯二甲醛的剛性芳香環和D230的柔性分子鏈通過亞胺縮合形成具有動態亞胺鍵的環氧聚合物（圖9），該類聚合物與碳纖維復合后，可達到（349±32）MPa的拉伸強度，相較于CF表面改性方案力學性能有較大提升，以上兩種剛柔鏈段結合的方案均賦予了CFRPs可回收特性，回收后的CF性能均未受到較大影響，這為“碳中和”背景下實現大批量可回收車用碳纖維復合材料的應用提供了可行方案。

圖9 不同CFRPs的固化機理

聚合物基體實現鏈段調控的工藝對溫度精度要求往往較高，將賦予聚合物基體材料質輕，形變量大等特性，但應用于交通運輸領域則需具有優異的機械承載能力，工業生產過程中為降低成本往往選用各類納米級填料來實現聚合物綜合性能的提升，納米填料擁有高剛度、小體積的特性，可從微觀尺度緩解基體開裂和界面分層，傳統納米填料有：聚合物顆粒（PP、PE、PVC）、金屬氧化物顆粒（TiO2、CuO、SiO2）以及各類無機填料等，各類填料對CFRPs界面性能的影響如表3所示，科研人員通過優化納米界面結構的構筑，為基體與界面間載荷的傳遞提供了新途徑。

表3 應用不同種類填料的CFRPs的綜合性能對照

納米填料的分散性是實現界面性能均衡提升的關鍵，僅通過物理攪拌易造成填料團聚，將導致由內部空隙引起的脆性斷裂行為，通過化學鍵合在基體間牽拉納米材料可緩解這一問題。Jinchuan Chen等在PDA顆粒的輔助下實現了CNT在界面間的均勻分布（圖10），界面剪切強度提升至60.12MPa。而Xianhe Cheng等以共價鍵作為銜接在環氧基體側鏈結構上引入納米聚合物，所得最佳鏈段結構的CFRPs的層間剪切強度明顯提升，隨著基體與納米聚合物的交聯以及柔性鏈段的引入，納米聚合物分散更為均勻，有效地提升了界面內的應力傳遞和納米材料的分散，層間剪切強度增至81.6MPa，此外還賦予了CFRPs較低的熱膨脹系數，在高溫重載等條件下限制了周圍的自由體積運動，緩解了原本由熱膨脹系數差異導致的界面分層。除單一填充外，肖景月提出了構筑軟硬多尺度界面的優化方案，將包裹聚殼糖軟質相的碳纖維作為CFRPs的增強材料，同時引入碳納米管作為硬質納米填料，經過二元填充改性的CFRPs界面剪切強度達到123.65MPa，在載荷傳遞過程中，均勻分散的CNT為聚合物基體的裂紋擴展提供了緩沖點，避免了裂紋急速傳遞至碳纖維表面，而聚殼糖軟質相又作為梯度模量層的主要角色為碳纖維的斷裂失效提供了第二屏障，兩者的協同作用有效改善了碳纖維與聚合物基體間的模量差異。

圖10 PDA原位輔助碳納米管嫁接分散機理的圖示

03結語

隨著綠色發展概念的提出，車輛輕量化成為汽車產業綠色化轉型重要舉措，CFRPs擁有較高的比強度且質量較輕，是車輛輕量化的公認理想型材，其市場在我國呈逐步增長的態勢。汽車的零部件結構復雜，且綜合性能要求較高，縱觀國內外車用碳纖維增強聚合物復合材料的研究近況，由于成型工藝、改性方案和生產成本的限制，可以發現CFRPs在汽車領域的應用仍局限于承載力低或者定制車型的場景，且大量方案和成型工藝仍處于初步探索階段，若想實現車用CFRPs大范圍的生產應用，則面臨多樣化性能需求的挑戰，且材料改性方案還應與生產周期、成本相匹配。碳纖維生產成本較高，其工業廢料將會對資源環境造成一定壓力，可循環使用的新型車用CFRPs的關注度日益提升，如何進一步開發可高效利用再生碳纖維的新型成型工藝，是先進車用CFRPs制造技術發展的新方向，這預計成為汽車工業“綠色化”技術創新道路的重要轉折。

來源：中國塑料編輯部 栗小茜1, 陳浩1, 葛正浩2, 宋浩杰3, 高彥軍1（1. 陜西交通職業技術學院，西安710018；2. 陜西科技大學機電工程學院，西安710021；3. 陜西科技大學材料科學與工程學院，西安710021）

第一作者

栗小茜(1996- )女，從事材料科學與工程以及汽車智能制造方面研究，lxq07252022@126.com

DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.04.020

引用本文

栗小茜,陳浩,葛正浩等.車用碳纖維復合材料結構優化與性能研究進展[J].中國塑料,2025,39(04):118-125.

 

LI Xiaoqian,CHEN Hao,GE Zhenghao,et al.Research progress in structural optimization and performance investigation of carbon?fiber?reinforced composite materials for automobiles[J].CHINA PLASTICS,2025,39(04):118-125.