高性能炭纤维增强树脂复合材料汽车零部件低成本制造、服役性能与材料结构调控研究

Based on the automobile lightening urgent requirements on the high performance carbon fiber reinforced plastic composite automobile parts, the carbon fiber reinforced plastic composite parts are fabricated by the designed hot-pressing technology using the different carbon fiber nonwovens as the reinforcement. The influences of carbon fiber, nonwoven, matrix, carbon fiber/matrix interface and so others on service performances of automobile parts are investigated. The structure tailoring and performance optimization technology is formed. The automobile parts will be designed and produced basing on the structure and the property of the prepared carbon fiber reinforced plastic composites and the service performance evaluations are completed. The modular design and manufacture of auto-body parts produced from carbon fiber reinforced plastic composites can be achieved via a process of mould and moulding technology of robust optimization and modular design. An integral structure – material - process system composed of the theory and method of the fabrication as well as the design of the carbon fiber reinforced composite parts will be established to promote the wide application of CFRP composite in automobiles.

本项目面向汽车轻量化对高性能炭纤维增强复合材料汽车零部件的迫切需求，使用具有不同结构的炭纤维无纺布作为增强体，结合热压工艺实现炭纤维增强复合材料汽车零部件的低成本制造。研究炭纤维、无纺布、树脂基体和炭纤维/基体界面等结构特征对复合材料零部件服役性能的影响机制，实现对材料结构的调控和性能优化。基于炭纤维/树脂复合材料的构成和性能，探索所制得复合材料适用的汽车零部件。根据炭纤维增强复合材料汽车零部件的服役性能进行评估反馈。通过稳健性优化、模块化设计的模具与成型工艺，形成炭纤维复合材料汽车零部件模块化设计制造技术。形成炭纤维增强复合材料汽车零部件结构-材料-工艺一体化设计制造技术，推动炭纤维复合材料在汽车上的广泛应用。

针对汽车轻量化对高性能炭纤维增强复合材料汽车零部件的迫切需求，本项目以不同类型炭纤维无纺布作为增强体，以乙烯基树脂、尼龙6树脂、聚碳酸酯、聚氨酯等为基体，采用真空热压成型工艺制备了炭纤维增强树脂基复合材料汽车零部件。研究了炭纤维、无纺布、树脂基体和炭纤维/基体界面等结构特征对复合材料零部件服役性能的影响机制，实现了对材料结构的调控和性能优化。基于Mori-Tanaka均匀化理论，对无纺布炭纤维增强复合材料性能进行了预测，同时研究了微观参数的选取对宏观材料性能的影响，与实验结果对比发现，在炭纤维体积分数相对较低的条件下，仿真和实验结果拟合较好，可以实现无纺布炭纤维增强树脂基复合材料性能的高精度预测。以汽车顶盖和发动机罩为炭纤维无纺布增强树脂基复合材料的典型应用场景，通过多尺度多目标优化设计，在满足顶盖和发动机罩力学性能和制造要求的前提下，实现了顶盖减重50.39kg，同时解决了碳纤维顶盖周边零部件的匹配问题以及顶盖连接失效问题。通过多尺度多目标优化设计实现发动机罩减重38%，侧向刚度提升11%。基于新能源车炭纤维增强复合材料顶盖及横梁结构，完成了相应的模具、夹具、检具方案设计和制造。在此基础上，按照材料铺层方案，试制了10 套炭纤维顶盖及横梁样件，零件尺寸和表面质量稳定性较好；完成了5套顶盖高质量的喷涂，探索了炭纤维顶盖喷涂工艺，并建立了喷涂前后产品质量的企业标准；完成了顶盖产品的耐油性、耐冲击性、阻燃性等性能试验以及剪切强度试验；基于热模压工艺，建立了从炭纤维材料选择、结构方案设计、CAE性能分析、材料铺层优化、模具夹具检具设计制造、产品试制及试验验证的一体化开发体系。上述研究对于推动炭纤维增强树脂基复合材料在汽车工业中的广泛应用，提升我国基于新型轻量化材料的汽车零部件结构-材料-工艺一体化的设计与制造能力具有重要意义。