18
2017
07

车用碳纤维复合材料基本介绍(一)

 

随着汽车轻量化时代的到来,越来越多的轻量化材料不断地出现在汽车行业内,从应用广泛的PP、PC、PA、ABS等,再到近年火热的碳纤维复合材料。

一、碳纤维复合材料概念

碳纤维增强复合材料是指以碳纤维、织物、纤维毡等为增强体,树脂、金属、陶瓷等为基体的复合材料的总称。常见的有树脂基碳纤维复合材料(CFRP)、陶瓷基碳纤维复合材料(CMC)和金属基碳纤维复合材料(MMC)。车用碳纤维复合材料主要以树脂基复合材料为主。

 

碳纤维复合材料的优异性能

1、力学性能

碳纤维复合材料拉伸强度高,模量大,密度小,具有较高的比强度和比模量。

与传统金属材料相比,碳纤维复合材料在高强度和高模量的基础上质量也较轻,有明显的密度优势。相同构件使用碳纤维复合材料与铝合金材料相比,可减重50%;

与钢材相比,减重可达70%。

 

2、热力学性能

碳纤维复合材料的耐高低温性能好。在隔绝空气(惰性气体保护下),2000℃仍有强度,液氮下也不脆断。同时,其热膨胀系数小,比热容高,能储存大量的热能,抗热冲击和热摩擦的性能优异。

 

3、耐腐蚀性

碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性,除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外,一般的酸碱对它的作用很小。

相较于钢材和合金材料,碳纤维复合材料作为汽车材料的安全性和耐久性更好。

 

二、常见基体和增强体材料

在复合材料中,碳纤维增强体是承载外力的主体;树脂基体则通过界面层,以剪切应力的形式向碳纤维体传递应力载荷。同时,树脂基体还起到保护碳纤维增强体,免受外界损伤的作用。

 

1. 树脂基体

复合材料的树脂基体在选择时要考虑其强度、刚度、耐疲劳性、使用温度、耐湿热老化性等方面。常用树脂基体分为以下两大类:

 

1)热固性树脂
如:环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等。热固性树脂在加工成型后,聚合物分子内形成不溶不熔的三维网状结构。热固性树脂基材料强度高,是目前碳纤维复合材料使用较多的一类树脂。但其高温不熔,加工难度大,不易回收利用。

 

2)热塑性树脂
如:乙烯基树脂、尼龙、聚四氟乙烯树脂等。热塑性树脂可在一定的温度下熔融,降温后塑化成型。具有较好的韧性和可加工性,同时材料可以回收利用,使用成本低。热塑性碳纤维复合材料备受汽车材料界的喜爱,新型高性能热塑性树脂正逐步替代传统热固性树脂,成为车用碳纤维复合材料的基体。

 

2. 增强体

增强体材料是碳纤维复合材料的另一个重要组成部分。

不同形式的增强体制成的复合材料各项性能也有所不同。

在选择增强体材料时应考虑复合材料的力学性能要求、树脂基体和增强体的界面相容性、生产工艺要求等因素。

 

理论上,碳纤维复合材料的增强体形式有三种:碳纤维、碳纤维织物和碳纤维毡。在汽车材料领域的应用中多以纤维增强体形式存在。

 

纤维增强体又可分为短切碳纤维、连续碳纤维和混杂纤维三类:

1)短切碳纤维

一般指20mm以下的碳纤维增强体。短切碳纤维作为增强材料时与树脂基体的浸润较好,结合牢固,复合材料的撕裂强度较高。但短切碳纤维在铺设过程的均匀度难控制,易导致复合材料力学性能的各向异性较大。

 

2)连续碳纤维

一般指40mm以上的碳纤维长丝增强体。连续碳纤维作为增强材料可有效提高复合材料的拉伸断裂强度和韧性,但其加工过程要比短切碳纤维困难。

 

3)混杂纤维

混杂纤维增强复合材料是指在同一基体中有两种或者两种以上的纤维增强体。通过改变各纤维的组分、含量和结构可得到不同性能的复合材料。

 

 

 

 

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