连续碳纤维增強热塑性复合材料汽车件的设计、热压成型及性能优化研究

Carbon fiber reinforced composite (CFRP) is one of important technologies to realize auto light weight, and using recyclable thermoplastics composites and mass production are the ways to break through the bottleneck for their large-scale and low-cost application in automotive industry. Based on the self-developed fast “three-step” hot-pressing process and equipment, this project will focus on the design of interphase and structure, processing optimization and property control for continuous carbon fiber reinforced thermoplastics (CCFRT) automotive structure. Thought the integrated design of material-structure-process- properties, the resin/fiber interphase modified by a new synthesized water-soluble graphene oxide / polyamine sizing is designed together with the high throughput computing technology, and the method of multiple structure deign based onmaterial genetic engineering will be established. By the reveal of resin flow mechanism in carbon fibers in the hot-pressing process, the key technologies for processing optimization and property control of CCFRT automotive structure will be developed. Furthermore, through the assessment of concrete application, testing methods and evaluation system for CCFRT automotive part will be established, which achieves the optimization technology of design, material composition and preparation for CCFRT automotive structures. The research results will provide technical guidance for the design and manufacture of CFRP automotive structure. It will also promote the execution of the "Fusion of Informatization and Industrialization " strategy.

碳纤维复合材料（CFRP）是实现汽车轻量化的有效途径之一，采用热塑性可循环使用材料和高效量产技术是突破其在汽车工业规模化、低成本应用的主要方向。本项目以自主研发的“三步法”快速热压成型工艺及装备为基础，研究连续碳纤维增强热塑性复合材料（CCFRT）汽车件的复合材料界面和汽车件结构设计、热压成型以及性能优化等关键基础理论问题。在材料-结构-工艺-性能一体化设计基础上，合成出新型水性含石墨烯/PA热塑性上浆剂，结合高通量仿真计算，实现界面优化设计，建立基于材料基因工程的多尺度结构设计方法；揭示成型过程中树脂在碳纤维中流动机理，突破CCFRT汽车件制备与结构性能调控技术；通过所研制的CCFRT汽车件考核应用，建立其性能测试方法和评价体系，实现CCFRT汽车件的结构设计、材料组成和制备工艺优化。将为我国汽车CFRP零部件的设计和制造提供共性关键技术支撑，助力浙江省汽车制造业“两化融合”战略的实施。

热塑性碳纤维复合材料具有抗冲击、成型周期快、可循环利用等优点，是突破碳纤维复合材料在汽车工业规模化、低成本应用的主要方向。本项目以自主研发的“三步法”快速热压成型工艺及装备为基础，研究了连续碳纤维增强热塑性复合材料（CCFRT）汽车件的复合材料界面和汽车件结构设计、热压成型以及性能优化等关键基础理论问题。主要成果包括：（1）合成出新型水性含石墨烯/PA热塑性上浆剂体系，获得多元协调增强增韧纤维/树脂界面，提升界面剪切强度50%以上，构建了复合材料微观界面模型，实现CCFRT界面行为调控和优化设计；（2）揭示了CCFRT在常态和湿热环境下的静态、动态冲击压缩以及疲劳工况下的损伤失效机理，建立了由材料界面微纳观结构到宏观构件的CCFRT多尺度结构设计方法，实现了CCFRT构件铺层优化设计；（3）揭示“三步法”热压成型过程中树脂在碳纤维中的熔融浸渍-挤压-热变形流动机理，突破CCFRT预浸料、层合板及构件的可控制备与结构性能调控的关键技术，研制出高性能CF/PA6预浸料、层合板及顶盖横梁、B柱等零部件；（4）对研制出的CF/PA复合材料顶盖横梁、B柱构件开展了尺寸精度、减重、静态力学性能和疲劳性能等评价，验证了本项目所建立的理论体系在实际工程使用中的有效性和合理性。本项目研制出的碳纤维用PA基上浆剂、CF/PA6单向预浸料已实现小批量供货，CF/PA6预浸料及CCFRT热压成型技术已应用于护板、横梁板、支架等零部件研发。项目已发表学术论文32篇，其中SCI收录19篇，申请发明专利10项，授权发明专利12项、软件著作权1项；项目培养博士后2名，博士生6名，硕士生13名。