摘要：相比于傳統(tǒng)鋁合金、高強鋼和玻纖復(fù)合材料等材料，碳纖維復(fù)合材料減重效果和強度優(yōu)勢更加明顯。在國內(nèi)市場，雖然已有部分展車實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在汽車車身局部及一些零部件上的應(yīng)用，但目前尚處于樣車、樣件及研制品的階段。如何開發(fā)出適用于汽車量產(chǎn)工藝和制造節(jié)拍的加工及連接工藝，同時降低制造成本，仍然是國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在量產(chǎn)汽車領(lǐng)域應(yīng)用的重大難點。本文介紹了碳纖維的各向異性與復(fù)合材料設(shè)計方法、加工工藝及多材料連接工藝的方法。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計加工工藝連接工藝

1 前言

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》的要求：截至2020年，乘用車平均油耗需降至5.0升/百公里，節(jié)能型乘用車油耗不得高于4.5L。有研究數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)能源汽車車身自重消耗了約70%的燃油，如果整車重量減輕10%，油耗可降低6%-8%。電動汽車方面，由于動力電池容量有限，續(xù)航里程成為其廣泛推廣的一大瓶頸因素。因此，電動汽車對車身減重的需求更為緊迫。由此可見，在國家政策法規(guī)的驅(qū)動及激烈的市場競爭環(huán)境下，車身輕量化設(shè)計已是汽車發(fā)展的必然趨勢。

車身減重設(shè)計可通過三個維度實現(xiàn)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、采用先進制造工藝和新型輕量化材料。

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)歷了一百多年的經(jīng)驗累積，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行減重的空間已十分有限。先進制造工藝包含液壓成型、激光焊接等。新型輕量化材料包括高強鋼、鋁合金、鎂合金、以及高性能工程塑料和玻纖、碳纖維復(fù)合材料等。根據(jù)英國材料系統(tǒng)實驗室的研究結(jié)果，相對于其他新型材料，碳纖維復(fù)合材料車身的減重效果最顯著；與傳統(tǒng)鋼材車身相比，采用碳纖維復(fù)合材料的車身可減重一半以上。碳纖維復(fù)合材料不僅具有質(zhì)輕高強的優(yōu)勢、同時具有良好的可設(shè)計性。而且，復(fù)合材料可以一體化成型，大幅減少了零部件和緊固件數(shù)量；此外，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車車身，能夠提高碰撞吸能性、減振性和抗疲勞性。減重的同時，保證車輛碰撞安全性并提升乘坐舒適性。

目前，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車身及零部件在國外已有量產(chǎn)案例。寶馬i3，i8及7系已應(yīng)用碳纖維于車身。在寶馬7系的乘員艙區(qū)域，車身由鋼部件、鋁合金部件和碳纖維部件組合構(gòu)成，實現(xiàn)了不同材料間性能上的協(xié)同互補。其中，碳纖維復(fù)合材料作為車身結(jié)構(gòu)加強件，在減輕車身重量的同時提高了整車碰撞安全性。奔馳SLR跑車，前縱梁由碳纖維復(fù)合材料制成，在發(fā)生正面碰撞時可以徹底吸收碰撞能量，可以保證乘員艙的結(jié)構(gòu)基本不受影響；此外，SLR的乘員艙全部由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，在發(fā)生側(cè)碰和尾部撞擊時為乘客的安全性得到了可靠保障。豐田汽車Mirai的燃料電池框架和儲氫罐采用了碳纖維復(fù)合材料。國內(nèi)方面，奇瑞推出過艾瑞澤7混動版概念車，車身采用碳纖維復(fù)合材料，減重效果達到48%。此外，國內(nèi)一些主流整車廠也在研制碳纖維復(fù)合材料零部件，如發(fā)動機罩蓋、防撞梁、翼子板、B柱、頂蓋、動力電池上蓋等部件，但尚未導(dǎo)入量產(chǎn)車型。

在國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料無法投入到量產(chǎn)車型的原因如下：

首先，碳纖維原材料價格昂貴，國內(nèi)的制造商對產(chǎn)品品質(zhì)及成本的控制能力較弱，無法打破國外的價格壁壘；

第二，主機廠缺乏復(fù)合材料設(shè)計經(jīng)驗，包括仿真分析、試驗驗證等。缺乏設(shè)計分析軟件和完善的材料性能數(shù)據(jù)庫，以及設(shè)計規(guī)范和驗證標(biāo)準(zhǔn)。

第三，碳纖維復(fù)合材料的加工周期相比傳統(tǒng)金屬材料較長，目前還無法達到汽車量產(chǎn)節(jié)拍的要求。最后，售后維護與回收體系不成熟。修復(fù)工藝與傳統(tǒng)材料存在較大差異，專業(yè)性較強，修復(fù)人員必須具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)?；厥绽美щy，目前國內(nèi)還沒有大規(guī)?；厥绽玫某墒彀咐?。本文主要介紹了如何利用碳纖維的各向異性對材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，汽車用碳纖維復(fù)合材料的加工工藝及連接工藝，以期對碳纖維復(fù)合材料今后在汽車輕量化領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用有所幫助。

2 碳纖維的各向異性與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1碳纖維的各向異性

碳纖維（CarbonFiber，簡稱CF），由片狀石墨微晶沿纖維軸向堆砌而成，含碳量在95%以上，是一種高強度、高模量的新型纖維材料。因微晶在軸向取向排列，所以碳纖維存在各向異性的特點，即復(fù)合材料主強度、主剛度在纖維軸線方向。

碳纖維的各向異性賦予了碳纖維復(fù)合材料靈活的設(shè)計性，可根據(jù)不同的功能和力學(xué)性能需求靈活地設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整纖維及樹脂基體的種類和纖維的排布方式及加工工藝可滿足部件在不同位置和方向的力學(xué)性能要求。將碳纖維按照受力方向進行鋪設(shè)，不僅能夠發(fā)揮碳纖維在纖維軸向方向的力學(xué)性能優(yōu)勢，同時可以節(jié)約材料、減重降本。

2.2碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于纖維的種類、鋪設(shè)方式、樹脂基體特性、纖維含量以及二者的相容性等因素。碳纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上的各向異性，導(dǎo)致其制成的單向編織布同樣具有各向異性。車用碳纖維復(fù)合材料通常是由若干層單層編織布組成的，因此可通過鋪層設(shè)計來滿足不同的結(jié)構(gòu)與性能需求。

2.2.1單層材料設(shè)計——一次結(jié)構(gòu)

將碳纖維絲束按照統(tǒng)一方向排布，得到碳纖維單層板。碳纖維可在此時浸潤樹脂，也可以不浸潤，視加工工藝而定。單層板是碳纖維復(fù)合材料制品的一次結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能受纖維和樹脂基體種類、纖維的填充比例和分布及界面相容性等因素影響。

2.2.2鋪層設(shè)計——二次結(jié)構(gòu)

對于汽車車身或其他部件，不同位置力學(xué)強度要求不同，一些部位需要做加強處理，而一些部位對強度要求不高則應(yīng)做減重處理。車用碳纖維復(fù)合材料是由若干層單層材料按照一定的鋪層順序組成的層合體，可通過鋪層設(shè)計實現(xiàn)力學(xué)性能強弱的變化。通過鋪層設(shè)計得到的層合體是碳纖維復(fù)合材料汽車制品的二次結(jié)構(gòu)，單層材料的力學(xué)性能和鋪層方式?jīng)Q定了層合體的力學(xué)性能。鋪層設(shè)計主要包含鋪設(shè)方向、鋪層厚度，鋪設(shè)序列及特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計等。車用碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計將在第3章節(jié)中詳細討論。

2.3三次結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料制品的“三次結(jié)構(gòu)”是指其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能除受一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)影響外，還取決于成型工藝選擇，成型后加工等因素。車用碳纖維復(fù)合材料的成型工藝將在第4章節(jié)中詳細討論。

三次結(jié)構(gòu)設(shè)計主要取決于產(chǎn)品的造型、功能需求、強度要求、模態(tài)及布置位置的周邊環(huán)境等因素。

3 碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計

3.1鋪層方向設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)鋪層角度：0°，45°，-45°，90°，如圖1所示。這種角度設(shè)置能夠滿足設(shè)計要求，同時簡化仿真分析和制造工藝。武漢理工大學(xué)的侯等人基于仿真計算進行的碳纖維B柱結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計，按照0°/45°/90°/-45°的順序進行了1-18層的鋪層設(shè)計，如圖2所示。

任意鋪層角度：這種鋪層方式會增加仿真分析的難度，同時制造工藝復(fù)雜程度也會增加。只有在需要做縱橫剪切強度的試驗樣件或存在特殊需求時才采用該種鋪層方式，此時應(yīng)鋪層角度也應(yīng)盡量減少。

3.2鋪層表示方法

圖3的鋪層設(shè)計可以表示為：

a.[45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45]

b.[45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45]

因鋪層為對稱結(jié)構(gòu)，可以簡化表示為：

a.[45/-45/0/-45/45/90]s

b.45/-45/0/-45/45/90]s，其中，s表示對稱（symmetrical）。

以圖3為例，圖中虛線為層合體的中面，各個方向角的鋪層沿這條虛線應(yīng)對稱布置，45°和-45°的鋪層數(shù)量應(yīng)當(dāng)相等并對稱布置。這是因為碳纖維存在熱膨脹現(xiàn)象，均衡對稱的鋪層設(shè)計可以有效避免耦合，從而防止層合板發(fā)生翹曲變形。層合板如果發(fā)生變形，裝配時與對手件可能無法完全貼合。如果強行裝配將會產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力釋放會導(dǎo)致層合板內(nèi)部產(chǎn)生分層。

3.3鋪層坐標(biāo)系

對于常規(guī)層合板，為了充分利用碳纖維的各向異性，鋪層坐標(biāo)系的0°方向應(yīng)沿主載荷（F）方向，如圖4所示。

對于壁板類制品，0°方向應(yīng)與主梁軸線平行（或與形面彎心線方向一致），如圖5所示。

3.4鋪層順序

鋪層順應(yīng)遵循以下原則：

a.每個方向角的鋪層比例應(yīng)介于10%-60%之間；

b.如需對某一方向角進行連續(xù)鋪層時，需控制在4層以內(nèi)，以避免微裂紋產(chǎn)生；

c.為減小層間應(yīng)力、避免固化時產(chǎn)生微裂紋，相鄰鋪層間的鋪層角夾角應(yīng)小于60°?？倢訑?shù)少于16層的薄板可不遵循此原則；

d.±45°鋪層應(yīng)靠近層合板表面鋪設(shè)，可以提高層合板的屈服強度；最外層±45°鋪層方向能夠承受剪切載荷的能力，同時提高材料的抗沖擊性能；

e.當(dāng)制件需承受壓縮載荷時，表面開始的外3層盡量不設(shè)置0°方向鋪層。

3.5鋪層厚度過渡設(shè)計

制件不同位置的厚度變化是通過鋪層數(shù)量變化實現(xiàn)的，鋪層數(shù)量變化通過調(diào)整單層板的長度來實現(xiàn)，應(yīng)遵循以下原則：a.相鄰的兩個鋪層不可在同一位置處終止；

b.對鋪層進行厚度變化設(shè)計時，仍需遵守對稱原則。例如，與中面位置對稱的+45°和-45°的鋪層長度應(yīng)保持一致；

c.在鋪層厚度減薄時，至少每隔3層應(yīng)覆蓋一層，不能連續(xù)削減鋪層；

d.厚度變化過渡區(qū)斜度比定義為厚度差H與過度區(qū)的長度L的比值，主承力方向應(yīng)不大于1:20，其它方向應(yīng)不大于1:10，如圖6所示；

e.鋪層減薄時，可以采取如下兩種形式的設(shè)計，鉆石形狀和箭形，如圖7所示。兩種方式均遵循以上幾條原則。

3.6特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計包含以下三種情況：a.下陷結(jié)構(gòu)：下陷區(qū)應(yīng)緩慢過渡，過渡區(qū)長度C不小于5倍下陷深度h，如圖8所示。

b.圓角設(shè)計：圓角半徑不可過小，否則圓角區(qū)域可能發(fā)生纖維斷裂、架橋和樹脂堆積等缺陷，如圖9所示。材料成型后進行超聲檢查時，能夠檢驗到的最小圓角半徑應(yīng)大于6mm。

c.開孔設(shè)計：工藝孔或者減重孔以圓形為最好，長圓孔次之，為避免發(fā)生應(yīng)力開裂，最好不使用方孔或菱形孔。

4 碳纖維復(fù)合材料的加工工藝

4.1樹脂傳遞模塑（RTM）成型

樹脂傳遞模塑成型適用于熱固性樹脂基體的復(fù)合材料，汽車用熱固性樹脂基體大多選用熱固性環(huán)氧樹脂，其工藝流程如圖10所示，具體步驟如下：

a.按結(jié)構(gòu)和性能需求設(shè)計碳纖維預(yù)制體，即設(shè)計好纖維的排布方式，編制成具有柔性的碳纖維板材；

b.將碳纖維預(yù)制體鋪放至模腔中，然后閉模；

c.采用注膠設(shè)備將樹脂流體注入到閉合模腔內(nèi)，充分浸潤碳纖維；或者采用真空加注的方式將樹脂基體引入到模腔內(nèi)；

d.樹脂基體固化完成后，脫模得到復(fù)合材料制品。

RTM成型工藝優(yōu)點：對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大的結(jié)構(gòu)件也可以一次成型，可設(shè)計性強。由于采用熱固性樹脂作為基體，尺寸穩(wěn)定性好，制品表面質(zhì)量高。

RTM成型工藝缺點：相比于傳統(tǒng)鋼材的沖壓工藝，RTM成型工藝時間較長，樹脂固化時間長，加注和固化總時間一般在2小時以上，生產(chǎn)效率不高。

4.2快速RTM成型工藝

快速固化樹脂體系：降低樹脂粘度可以提高樹脂基體的流動性，同時增加注射口進而縮短充模時間，開發(fā)可快速固化的環(huán)氧樹脂可縮短固化時間?？倳r間可縮短為1-10min，傳統(tǒng)RTM和快速RTM的加工周期對比如圖11所示。目前寶馬i3生產(chǎn)線的RTM加工周期已縮短至10min。

為了進一步提高生產(chǎn)效率，可增加注射口和提高注射壓力，減少樹脂基體的充模時間；對于真空輔助RTM工藝，通過優(yōu)化注射口與抽真空位置來優(yōu)化充模過程。

4.3熱壓成型工藝

熱壓成型工藝流程如圖12所示，具體步驟如下：a.預(yù)浸料制備：在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，令樹脂預(yù)先浸潤碳纖維。對于環(huán)氧樹脂，通常將環(huán)氧樹脂溶于有機溶劑中來浸潤碳纖維絲束。

b.將預(yù)浸料鋪于模具表面，在一定溫度與壓力下，樹脂基體開始熔融而具備了流動性，將纖維重新浸漬，從而制備一定形狀的復(fù)合材料零部件。

熱壓成型工藝優(yōu)點：成型周期較短，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料的高效固化從而適應(yīng)汽車制造的工藝節(jié)拍，是碳纖維應(yīng)用于汽車行業(yè)的前提。三菱、東邦公司所開發(fā)的快速固化預(yù)浸料體系，在150℃條件下可在3min內(nèi)完成固化。

熱壓成型工藝缺點：當(dāng)制品形狀比較復(fù)雜時，熱成型過程中碳纖維織物的剛性較低，纖維容易發(fā)生過度變形而導(dǎo)致零件易出現(xiàn)彎曲變形、起皺等缺陷，導(dǎo)致零件力學(xué)性能受到影響。通過優(yōu)化碳纖維的鋪層設(shè)計來盡量避免缺陷產(chǎn)生。

4.4片狀模壓成型（SMC）

片狀模壓成型工藝適用于熱塑性不飽和聚酯樹脂作為基體浸漬短切纖維的場合。由于短切碳纖維，碳纖維在樹脂基體均勻分布而非取向分布，碳纖維的各向異性得不到體現(xiàn)，此時碳纖維是作為一種增強填料來提高制品的力學(xué)性能，更適用于各向強度需求相同的制品，而不適用于各向力學(xué)性能要求不同的制品。

優(yōu)點：成型過程可在較低的模壓溫度和壓力條件下實現(xiàn)，能耗較低，有利于降低成型工藝成本。

缺點：設(shè)備造價高、設(shè)備操作及控制過程復(fù)雜，對產(chǎn)品設(shè)計能力要求較高?；w尺寸穩(wěn)定性不如熱固性樹脂。三菱公司采用該工藝為豐田制作了燃料電池框架和后尾門。

4.5纏繞成型

纏繞成型：首先將連續(xù)碳纖維用樹脂膠液浸漬，然后將其按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后在加熱或常溫條件下固化得到一定形狀的制品。

應(yīng)用領(lǐng)域：用于制造汽車用氫氣罐、傳動軸等。浙江大學(xué)孟劍對鋁內(nèi)膽碳纖維樹脂復(fù)合材料高壓儲氫容器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖13所示。儲氫容器的外層為緩沖層，內(nèi)層為鋁內(nèi)膽，中間層為碳纖維為復(fù)合材料，鋪層時纖維軸向和主應(yīng)力方向一致，纖維的鋪設(shè)方式為環(huán)向纏繞和縱向纏繞。

關(guān)鍵技術(shù)：如何根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能需求，設(shè)計出結(jié)構(gòu)件的尺寸與線型，計算出芯模與繞絲頭之間的定量關(guān)系，保證纖維均勻地布滿在整個芯模表面上的同時滿足力學(xué)性能要求。

如果是需要制作筒形壓力容器，纖維在芯模上的纏繞布置可分為環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞三種類型，如圖14所示。

5 碳纖維復(fù)合材料連接工藝

將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車部件時，其與鋼材、鋁合金等材料的連接可靠性至關(guān)重要。然而，由于碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)鋼材、鋁合金等材料在力學(xué)性能、物理化學(xué)性能以及加工制造工藝等方面的不同，傳統(tǒng)材料的連接設(shè)計、工藝方法無法滿足碳纖維復(fù)合材料在汽車上的連接要求。因此，開發(fā)適用于碳纖維復(fù)合材料汽車部件的多材料連接技術(shù)尤為重要。

5.1機械連接

機械連接是采用鉚接、螺栓連接、縫合、針釘連接連等形式實現(xiàn)部件的連接。由于碳纖維復(fù)合材料與金屬材料在理化性能上的差異，采用機械連接方式將其與金屬材料連接時易導(dǎo)致接頭處的承載能力降低。

碳纖維復(fù)合材料部件與鋁制、鋼制車身部件連接時，應(yīng)注意以下幾點：

a.不允許強迫裝配連接，任何超過0.13mm的間隙都應(yīng)加墊處理：間隙≤.8mm時加液體墊片；間隙≥.8mm間隙時加結(jié)構(gòu)墊片。

b.當(dāng)必須采用鉚接工藝時，盡量采用壓鉚工藝；在無法實現(xiàn)壓鉚的部位，允許采用錘鉚，不允許采用大功率鉚槍沖擊作業(yè)。

c.在結(jié)構(gòu)允許條件下，盡可能在金屬零件一側(cè)形成鉚釘鐓頭。

d.防止電偶腐蝕：盡可能選用鈦合金或不繡鋼緊固件；安裝緊固件時，應(yīng)涂聚酰胺清漆或密封劑，采用濕裝配工藝；碳纖維復(fù)合材零件料與鋼、鋁零件連接時，應(yīng)在二者之間貼玻璃纖維布。優(yōu)點：耐高溫、抗蠕變能力強，連接強度分散性小、抗剝離能力大、易于拆卸和組裝等。缺點：開孔處易發(fā)生應(yīng)力集中、連接效率低、緊固件和連接接頭重量較多等。

盡管如此，在對汽車連接可靠性要求較高的部位，機械連接仍然是其他連接方式無法取代的。

5.2膠接

膠接是連接采用膠黏劑將零件連接成不可拆卸整體的一種連接工藝。相比于機械連接工藝，膠接工藝無需在材料表面開孔，可以避免切割等機械加工帶來的損傷和應(yīng)力集中。因此，在碳纖維復(fù)合材料的連接設(shè)計中，膠接工藝比機械連工藝接應(yīng)用更廣泛。

膠接工藝要考慮的主要因素如下：

a.碳纖維復(fù)合材料待膠接的表面層，纖維的鋪設(shè)方向需與載荷方向一致，不能與載荷方向垂直，以防被接件過早產(chǎn)生層間剝離。

b.復(fù)合材料樹脂基體與膠粘劑主體樹脂的相容性直接影響著材料間的連接性能。如果膠黏劑與復(fù)合材料的樹脂基體未能成功匹配，被連接件很容易發(fā)生脫粘和界面分離。

c.搭接兩端如果剛度不等，則兩端彎矩不等，變形集中在剛度偏弱的一端。

d.復(fù)合材料與金屬的電位存在差異，因此，與金屬膠接時，應(yīng)對金屬零件表面進行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼?/span>

e.復(fù)合材料層合板與鋼、鋁合金膠接時，應(yīng)在它們中間加一層玻璃纖維布，以防止電位腐蝕。

f.夾層結(jié)構(gòu)周邊所有膠縫都應(yīng)采取有效密封，以防濕氣侵入。

g.膠黏劑選擇：綜合力學(xué)性能優(yōu)異，耐久性高于結(jié)構(gòu)預(yù)期的壽命；與被膠接件的相容性好、熱膨脹系數(shù)接近，吸濕率??；盡可能選擇在較低溫度下固化的膠粘劑。

圖15為寶馬7系中通道，采用碳纖維復(fù)合材料作為加強件，碳纖維復(fù)合材料加強件通過膠接的方式與車身鈑金連接。

膠接工藝具有連接效率高、抗疲勞、表面光滑等突出優(yōu)點。但也存在易于剝離和出現(xiàn)環(huán)境退化、承載能力較低、不易于拆卸等方面的缺點。多數(shù)膠粘劑含極性基團，在濕熱環(huán)境下水分子容易在極性的膠粘劑層擴散，從而導(dǎo)致膠粘劑層膨脹、變形，最終在內(nèi)應(yīng)力的作用下發(fā)生脫膠現(xiàn)象。

5.3卡接

該工藝由寶馬公司開發(fā)，應(yīng)用于寶馬7系碳纖維后窗臺臺板連接工藝。后窗臺板由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，與車身結(jié)構(gòu)通過粘接和卡接的方式拼接，如圖16所示。與傳統(tǒng)鋼制車身卡接結(jié)構(gòu)不同，塑料卡扣卡接的對手件不再是焊裝在車身上的螺柱，而是熔焊在車身上的球形結(jié)構(gòu)。后窗臺板卡接連接結(jié)構(gòu)具體見圖17：

a.車身1上對應(yīng)的卡接部位，其表面凹槽區(qū)域2由熱塑性塑料材料制成。

b.球體3表面區(qū)域也由熱塑性塑料材料制成，利用超聲波發(fā)生器4將球體焊在車身上。

c.球體3焊接在1表面后，5為膠黏劑。

d.裝配時，球體穿過后窗臺板6的安裝孔，將卡扣7卡在車身上焊接的球體上。將粘結(jié)劑層引入到車身與后窗臺板之間，使二者鎖合連接。

e.通過夾緊元件7（塑料卡子）來設(shè)計車身與后窗臺臺板之間的間隙，及時在粘結(jié)劑還未硬化的情況下，能夠通過卡扣將二者夾緊，確保夾緊之后的操作穩(wěn)定性，可以進行后續(xù)的裝配操作。

5.4混合連接

混合連接是將膠接和機械連接共同使用的連接方式，包含了膠接-鉚接，膠接-螺栓，膠接-卡接等方式。混合連接綜合了機械連接和膠接的優(yōu)點。寶馬7系車身上，碳纖維結(jié)構(gòu)加強件與車身連接多處使用了混合連接工藝，圖18為碳纖維復(fù)合材料C柱加強版與車身的連接工藝，采用鉚接與膠接共用的連接方式。

6 應(yīng)用案例

6.1碳纖維復(fù)合材料在寶馬7系上的應(yīng)用介紹

圖19為寶馬7系車身材料組成示意圖，其中黑色區(qū)域為碳纖維復(fù)合材料?？梢钥吹?，碳纖維復(fù)合材料主要用作車身骨架的結(jié)構(gòu)加強件。在封閉的鋼材內(nèi)部嵌入碳纖維復(fù)合材料用以提高車身剛度和強度，車身骨架重量相比上一代產(chǎn)品減重40Kg。碳纖維在寶馬7系上的這種應(yīng)用被稱作Carboncore，即碳纖維內(nèi)核結(jié)構(gòu)。主要應(yīng)用區(qū)域為：車頂框架、B柱加強件、側(cè)圍加強件、中央通道加強件、C柱加強件、后窗臺板加強件及門檻加強件。

6.2寶馬公司碳纖維車身加強件的產(chǎn)業(yè)鏈簡介

a.碳纖維制造

寶馬公司所采用的碳纖維復(fù)合材料是寶馬與西格里（SGL）聯(lián)合開發(fā)的，在華盛頓有碳纖維制造廠，以聚丙烯腈為原料生產(chǎn)碳纖維長絲，纏繞成軸，運輸至德國瓦爾斯多夫的零件廠。

b.碳纖維編織、預(yù)定型

在零部件廠處，將碳纖維長絲根據(jù)需要編織成各種結(jié)構(gòu)和樣式，通過各種機械加工方式將其切割成不同的大小和形狀，如圖20所示。然后，采用熱處理或與樹脂粉末高壓粘合技術(shù)使其具備立體構(gòu)型。

c.RTM成型

通過樹脂傳遞模型工藝，將7~11層碳纖維板材疊加在一起，在加壓模具內(nèi)注射樹脂基體，基體固化后即可得到碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。d.水切加工RTM成型之后，用水激光切割技術(shù)完成碳纖維復(fù)合材料部件的沖孔和邊緣剪裁等加工。

e.連接成整體

在全自動化車間，對部件進行表面磨砂處理，將各部件粘接為一個穩(wěn)固的整體。寶馬公司所采用的膠黏劑是其與陶氏化學(xué)公司聯(lián)合開發(fā)的，膠黏劑固化時間僅為幾秒鐘，且車間安裝了紅外線輔助加熱設(shè)備，進一步縮短了固化時間，這項技術(shù)對提高碳纖維復(fù)合材料車身加強件的生產(chǎn)節(jié)拍至關(guān)重要。

7 結(jié)束語

如前所述，目前碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的自主應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。但是，其帶來的減重效果明顯，同時在國家法規(guī)對汽車油耗日趨嚴(yán)格的政策引導(dǎo)下，碳纖維應(yīng)用于車身輕量化領(lǐng)域仍然是大勢所趨。為早日實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的量產(chǎn)化應(yīng)用，還需要從以下幾方面努力：

a.碳纖維復(fù)合材料在國內(nèi)量產(chǎn)車型的推廣應(yīng)用有賴于國產(chǎn)碳纖維制造水平和能力的發(fā)展，打破進口碳纖維的價格壁壘。

b.建立健全設(shè)計法規(guī)，保證車輛碰撞安全性及環(huán)保要求。

c.建立完善的材料性能庫，配套的設(shè)計軟件，為國產(chǎn)汽車的材料設(shè)計提供支撐。

d.開發(fā)成型周期短、尺寸穩(wěn)定性好的樹脂基體，保證汽車行業(yè)的產(chǎn)能與生產(chǎn)節(jié)拍要求。

e.建立碳纖維復(fù)合材料低成本、高利用率回收體系。

f.完善售后維修體系，降低維修成本。