碳纤维和碳纤维复合材料

碳纤维（CarbonFiber，简称CF）的含碳量在95%以上，是高强度、高模量的新型纤维材料，由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌，并经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良性能，质量比铝轻，但强度却高于钢。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低，比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性；耐腐蚀性好，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出；X射线透过性好，有良好的导电导热性能，电磁屏蔽性好等。优良的综合特性使其成为航空航天、土木工程、军事、赛车以及竞技体育器材制造中的高端材料［49］，［50］。然而，相对于类似的纤维，例如玻璃纤维或塑料纤维，碳纤维是相当昂贵的。

碳纤维与其他聚合基体材料（如环氧类和聚酯类）结合后就成为碳纤维复合材料（CFC）。复合材料是在现代科学技术发展中涌现出具有强大生命力的材料，一般是由基体材料（包括树脂、金属、陶瓷等）和增强剂（有纤维状、晶须状和颗粒状等）复合而成的。复合材料在汽车上的应用主要有金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料。碳纤维也可以被复合于其他材料，如石墨，以形成碳—碳复合材料，具有非常高的耐热性。碳纤维材料具有很高的强度—重量比，在需要提供极高的强度密度和刚度密度时，与钢材相比可以降重60%。推广应用碳纤维材料的最主要问题是纤维成本、纤维资源和生产纤维所需要的能源。由于部件设计不当和制造技术欠缺等原因，碳纤维及复合材料在重型车上的应用还非常有限。

如果把碳纤维复合材料应用于碰撞吸能部件上，则汽车业的共识是选用编织热固碳纤维复合材料，因为其机械特性和冲击特性都比较合适。编织复合物特性的基础研究包括，用解析方法计算纺织与编织复合物的机械特性［38］，研究编织复合物损伤与断裂机理的拉伸试验［39］、抗弯试验［40］，［41］和压缩试验［42］～［44］。同时，为了建立编织复合物计算技术，还开展了很多模拟试验的数字仿真研究［45］，试验类别包括抗弯试验［46］、压溃试验［47］和冲击试验［48］。

一般而言，编织复合材料会随织物类别、复合结构和载荷条件的变化而呈现出不同的失效模式。常见的失效模式包括基质破碎、纤维断裂、脱层、劈展分叉、碎裂、渐进折叠，等等（见图8.3）。其中的一些模式可以用复合材料模型进行描述，另外一些则需要结合有限元模型描述，因为这些模式是由一些复合材料失效模式之后的行为而引起的，一般包括以下三种建模方式。

图8.3　符合材料结构的失效模式［49］

（a）纤维分叉；（b）碎片化；（c）脆性破碎；（d）皱褶压缩

（1）单层定义法。

单层定义法是一种最简单的建模方法，复合材料有限元模型只包含一层复合材料特性的元素。其缺点是不能模拟脱层和分叉效应，无法观察局部的变形损坏。

（2）多层定义法。

多层定义法可以有效描述复合材料的脱层与劈展失效模式。这种方法可将复合材料特性定义到每一层之中，然后用连接—断开接触类型定义每层之间的连接。

（3）单元定义法。

单元就是重复性纤维构架里的最小单位（见图8.4），每个单元又可以进一步细分为子单元，子单元根据实际的集合形状和位置由不同纤维束尺寸、纤维走向、交叠次序等要素组成，可以捕捉到编织复合板材在冲击试验里的局部损伤［49］。

文献［50］对碳纤维复合材料在碰撞吸能结构中的应用可能性展开了全面分析。首先，该研究对碳纤维复合材料板材试件在4种速度下分别进行轴向和横向抗拉、抗压与剪切试验，对碳纤维复合材料圆管在两种速度下分别进行平端挤压和单斜面挤压试验，并在此试验基础上建立了碳纤维复合材料的LS-DYNA有限元分析模型。随后，在轻型卡车Chevrolet Silverado中对梯状车架进行了材料替代性能分析。车身—车架结构是轻型卡车的典型设计，车架是在碰撞事故中主要的吸能部件。Silverado车型的车架原设计材料为低碳合金钢板，质量为231.6kg，占整车质量的12.6%（见图8.5）。两边的主体边梁材料完全由碳纤维复合材料替代以后，质量降低至156.8kg，降重率为32%。该研究将碳纤维复合材料的有限元模型带入Silverado整车车型中，根据NCAP试验条件进行仿真。图8.6（a）所示为钢制车架原设计在56km/h正面刚性碰撞时的车架弯折变形形态，图8.6（b）～图8.6（d）所示为改变碳纤维复合材料的厚度以后的变形形态。从图示的仿真结果可以看出，通过调整碳纤维复合材料的参数可以实现对车架压溃形态的控制。分析结果同时表明，整车碰撞加速度波形、压溃内侵量也可得到同样的控制，即在降重的前提下可以保证原有的碰撞性能没有下降。

图8.4　单元

图8.5　车架

图8.6　轻型卡车符合材料耐撞性仿真分析［50］

根据已有的公开文献来看，还缺乏大量、详尽的与CFC相关的整车碰撞试验及仿真分析对比，所以说CFC仿真分析仍然处于探索阶段。

与金属零件不一样，汽车经受碰撞以后无法对碳纤维材料，尤其是对碳纤维复合材料的零部件进行快速损伤探测，无论是依靠外观还是探测仪，都很难判断哪些零部件应该更换、哪些不必更换。经常的做法是，在生命期内或在事故之后，碳纤维复合材料的关键部件需要进行更换，因此应用CFC部件后，维护维修的成本会比较高。为此，需要开发预测碳纤维复合材料特性的分析模型，以在各种碰撞工况下对碳纤维复合材料进行损伤程度预测，以及依据试验结果预测在疲劳和环境老化条件下的损伤区增长，并可结合特定部件将损伤理论应用于结构综合优化中。损伤建模工具应当具备针对短纤维、连续纤维、纺织纤维增强的复合材料分别加以分析的能力。目前，尚无能够准确模拟碳纤维复合材料碰撞安全性、疲劳寿命、加工特性的分析工具，更无法模拟不同材质之间的连接特性，模拟分析所需要的可靠数据库还没有建立起来，因为工业界还缺少CFC在汽车行业上应用的特性试验规范。文献［51］、［52］提出了一种基于非线性纤维模型的纤维增强复合材料模型，进一步提高了碳纤维复合材料的仿真精度，并提高了碳纤维复合材料的利用效率（见图8.7）。

图8.7　基于非线性纤维模型的纤维增强复合材料模型［51］

以前复合材料和碳纤维材料的生产工艺并不是为汽车级别应用所优化的。碳纤维（CF）生产按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维三类，主要以前两种碳纤维生产为主。由聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，以其生产工艺较其他方法简单，产量占全球碳纤维总产量的90%以上。到目前为止，碳纤维的价值链和基础设施都是以面向航空工业应用为主的。如果更加深入理解由前体材料到碳纤维转化过程中的结构—特性关系，就可以用更低的成本将前体材料转化为高强度碳纤维，以减少生产所需能源并提高产量。目前还缺乏可靠的碳纤维性能预测工具，在进行碳纤维以及复合材料部件设计时找不到精确的材料特性数据库，以进行具有高可信度的优化设计，避免在碰撞安全等工况中对关键部件采用过度设计。碳纤维材料在各种工况下的材料行为数据还很少，不足以支撑耐撞分析的精确建模。对接合剂（如纤维与基体之间的连接剂）化学特性了解比较少，因此最终的复合材料特性很难加以优化和受控。现有的接合剂需要对大多数热塑性树脂进行优化。

碳纤维复合材料（CFC）除同样面临上述碳纤维的技术问题以外，还面临一些本身的应用障碍，例如，CFC与其他材料的连接技术，包括与其他复合材料、镁、钢、铝、CF、塑料和玻璃纤维部件之间的连接技术，几乎没有什么新的发展，不适应于大批量生产，CFC与其他材料连接点的耐久性也不适应于汽车应用。

碳纤维和制造碳纤维复合材料的基体之间的兼容性还没有得到优化，呈现出与碳纤维有良好兼容性和亲和性的可用基体材料还很有限，现有的基体材料不足以充分发挥碳纤维的固有优良特性，碳纤维的表面特征很大程度上影响了与树脂的连接性和复合材料特性。工业界仍需要对大量的热塑性和热固性树脂进行改性。

纤维/树脂系统的生产费用大都较高，碳化与冷却时间要求很长，目前还缺少低成本—高产量的碳纤维复合材料制造技术，因此还不能满足汽车工业大批量的需求。

另外，碳纤维复合材料的回收兼容性不好，但是各应用行业都对CFC的回收与再利用提出了更高的要求。

为推进碳纤维复合材料的大面积应用，目前最紧迫的任务是，开发低成本的纤维和低成本、快回收周期的制造工艺。例外，需要在设计阶段提供零部件性能和制造性能的预测工具，以便提供更加精确的材料解决方案。为了提高可回收性与再利用能力，需要开发在回收与维修阶段更加便利和便宜的连接技术。行业会应用的进展预测为，2025年碳纤维和碳纤维复合材料会应用于大批量生产的车辆上，届时，材料的供应商将有能力为OEM提供足够详细的材料特性、工具和知识，以便能够开展针对功能/性能的部件设计，见表8.8［31］。

表8.8　CF和CFC应用目标