碳纖維增強(qiáng)樹脂基熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂

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1、碳纖維增強(qiáng)(樹脂基)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂方鯤1顧軼卓2(1．北京納盛通新材料科技有限公司，北京熱塑性復(fù)合材料制備與成型工程技術(shù)中心2．北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教育部復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)摘要：碳纖維增強(qiáng)(樹脂基)熱塑性復(fù)合材料(Carbonfiberreinforcedthermoplastics，CFRT)屬于高性能的碳纖維工程塑料復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗沖擊性好、模收縮率低、耐熱性好、易回收、環(huán)?？裳h(huán)重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)，屬于“高性能化、工程化、環(huán)保化”的新材料，可以替代部分價(jià)格貴的工程塑料和金屬材

2、料，并且可以根據(jù)汽車輪轂使用要求進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造。碳纖維增強(qiáng)(樹脂基)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂研究表明，注塑成型工藝制品具有強(qiáng)度高、剛度大、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定、翹曲度低、抗疲勞性好、耐蠕變等顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有減少生產(chǎn)工藝步驟、降低能耗、節(jié)約生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)汽車復(fù)合材料零部件生產(chǎn)與集成的高度自動(dòng)化、大規(guī)?；岣吡松a(chǎn)效率，具有突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，在汽車輕量化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@得巨大發(fā)展。關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，汽車輪轂，注塑制品，性價(jià)比，汽車輕量化1．前言汽車輪彀是高速旋轉(zhuǎn)的主承力結(jié)構(gòu)件，和車身結(jié)構(gòu)件相比，它的減重效益

3、更為突出。同時(shí)，車輪減重還會(huì)帶來汽車動(dòng)力性能的躍升，如制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向以及降低回旋效應(yīng)等，從整車角度來綜合考量，這些性能的改善將使汽車的綜合效能明顯提升。汽車輪彀的輕量化成為汽車企業(yè)追求卓越的重要表現(xiàn)。2．復(fù)合材料汽車輪轂的發(fā)展熱固性復(fù)合材料塑料(CFRP)的輪轂已被用于賽車以及小批量生產(chǎn)(andforshortproductionrunso然而，與可注射成型的熱塑性塑料復(fù)合材料(CFRT)輪轂相比，熱固性復(fù)合材料(CFRP)輪轂制造過程相對(duì)更復(fù)雜且更昂貴，因而不適合大批量量生產(chǎn)。澳大利亞一家碳纖維技術(shù)公司在2012年美國

4、拉斯維加斯舉行的國際汽車零配件展覽會(huì)(SEMA)上推出的世界上第一個(gè)整體式碳纖維輪轂。這種CR-9碳纖維輪轂每個(gè)僅重6．81’8．17kg，其質(zhì)量相比合金輪轂輕40％’50％。2013年Smart汽車公司的新型熱塑性復(fù)合材料(CFRT)車輪輪轂，整套車輪由兩部分組成：實(shí)際支撐組件以及輪罩。兩組部件都具有支撐功能，在行駛條件下可以承載高負(fù)荷。該塑料復(fù)合材料(CFRT)車輪僅重6kg，比標(biāo)準(zhǔn)鋁車輪輕30％。與CR一9整體式碳纖維輪彀和DYMAG公司的碳纖維復(fù)合材料／鎂合金組合式夕3輪彀不同，Smart公司的全塑復(fù)合材料車輪采用

5、長纖維增強(qiáng)聚酰胺(UltramidStructure)熱塑性復(fù)合材料，通過注塑成型工藝制備。無論從加工成本，還是成型效率來講，這種熱塑性復(fù)合材料輪轂的注塑成型都更具優(yōu)勢(shì)。3．復(fù)合材料汽車輪轂的特點(diǎn)汽車輪轂復(fù)合材料化的綜合效益顯著。然而，作為保證汽車行駛安全的重要部件，汽車輪轂不僅需要承受整車重量及載重，還要傳遞驅(qū)動(dòng)扭矩。同時(shí)，汽車車輪的幾何形狀復(fù)雜，受力情況難于確切描述，這些為汽車輪轂的復(fù)合材料化帶來極強(qiáng)挑戰(zhàn)。1)汽車輪轂設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造整體式汽車輪轂結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)在充分挖掘復(fù)合材料強(qiáng)度特性

6、的同時(shí)，避免了輻板和輪輞的連接問題，既簡化了工序，也提高了汽車輪轂的整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，有利于提高耐久性和安全性。2)汽車車輪在行駛過程中，經(jīng)常會(huì)受到路邊石的高速?zèng)_擊，而復(fù)合材料對(duì)沖擊損傷又比較敏感，因此，復(fù)合材料汽車輪轂對(duì)抗沖擊性能的要求比其它結(jié)構(gòu)件高，沖擊試驗(yàn)也是車輪性能檢測(cè)試驗(yàn)中的～種。復(fù)合材料的沖擊性能主要受材料體系和成型工藝的影響，優(yōu)選材料體系和成型工藝是制各高抗沖擊性復(fù)合材料汽車輪轂的主要手段。3)作為汽車部件使用，也可以采用表面防護(hù)等方法防止路邊石直接沖擊到復(fù)合材料汽車車輪內(nèi)表面，降低車輪沖擊損傷的風(fēng)險(xiǎn)。制動(dòng)

7、摩擦熱的散發(fā)是汽車輪轂設(shè)計(jì)和制造除力學(xué)性能外需要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵性能。和鋼制或者鋁合金汽車輪轂相比，復(fù)合材料的散熱性能差。為提高復(fù)合材料汽車輪轂的散熱性，可以從復(fù)合材料體系和汽車車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面著手。DYMAG公司的碳纖維／鎂合金組合式輪彀采用高導(dǎo)熱材料制備汽車剎車盤和碳纖維輪輞組成整體汽車輪彀，通過高導(dǎo)熱材料剎車盤增強(qiáng)汽車輪彀散熱能力。此外，通過汽車輪轂造型設(shè)計(jì)，靠自身旋轉(zhuǎn)散發(fā)熱量，這也許給復(fù)合材料汽車輪轂的散熱設(shè)計(jì)提供了借鑒。復(fù)合材料和金屬材料的力學(xué)特性完全不同，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1)復(fù)合材料為力學(xué)性能具有明顯的各

8、向異性，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，而金屬材料則為各向同性；2)復(fù)合材料和金屬材料的破壞模式不同，復(fù)合材料破壞模式呈現(xiàn)復(fù)雜多樣，屬于多尺度漸進(jìn)式韌性破壞，而金屬材料的破壞為呈現(xiàn)塑性變形主導(dǎo)的屈服破壞。不同的決定源于設(shè)計(jì)理念的不同，不同設(shè)計(jì)決定對(duì)部件的服役失效評(píng)估準(zhǔn)則不同。因此，必須將復(fù)合材料的性能特性與復(fù)雜汽