碳纤维车身复合材料的增强结构设计、低成本成型及新能源车型应用的基础研究

Manufacturing auto parts by using carbon fiber composites is an important technology to realize auto weight reduction. In order to achieve real application of carbon fiber composites in automobile industry, the mass production of the body parts must meet the high performance, high speed and low cost. This project puts forward integral design ideas surrounding material - structure - process – performance. Through molecular structure design, chemical crosslinking rheology control and simulation of crosslinking network forming and flow process, the design and synthesis of new type of epoxy resin system will be carried out, and it has good wettability in the different forms of organizational structure and laying of large tow carbon fibers. Besides, the new epoxy resin system can meet the processing performance and operational performance of carbon fiber body parts in rapid process of compression moulding and RTM technology. Several typical composite materials research body parts product the control factor of mechanical properties, structural defects and batch stability in the of rapid process of carbon fiber auto body parts, as well as strengthening mechanism of composite structure, will be analyzed. The correlation of material - structure - process – performance during the manufacture of carbon fiber auto body parts will be studied to achieve the whole optimization. The test standard of key performance and evaluation system of carbon fiber auto body parts can be established. These research works will provide technical basis to the low cost and industrial manufacturing and application for carbon fiber auto parts in China.

应用碳纤维复合材料制造汽车件是实现汽车轻量化的一种重要技术手段，要实现碳纤维复合材料真正应用于汽车领域，必须满足批量化车身零部件生产的高性能、高速度和低成本。本项目提出围绕材料-结构-工艺-性能一体化的设计思路，通过采用复合材料树脂基体的分子结构设计、化学流变学调控以及交联网络和加工流动过程的仿真技术，设计、合成新型的环氧树脂体系，对不同组织结构和铺放形式的大丝束碳纤维有良好的浸润性，满足中低温快速模压和RTM制备碳纤维车身零部件的工艺性能和使用性能。研究几种典型复合材料车身零部件快速成型过程中产品力学性能、结构缺陷和批次稳定性的控制因素，分析复合材料结构强化机制，进行复合材料车身零部件的材料-结构-工艺-性能关联性研究，实现其结构设计、材料组成、制备工艺和使用性能的优化，建立碳纤维车身零部件的关键性能测试标准和评价规范，为我国复合材料汽车件的低成本、产业化制造和应用提供技术基础。

轻量化是汽车工业发展的重要方向，应用碳纤维复合材料制造汽车件是轻量化的一种重要技术手段，将碳纤维复合材料真正应用于汽车领域，必须满足批量化车身零部件生产的高性能、高效率和低成本。本项目围绕碳纤维车身复合材料的增强结构设计、低成本成型及新能源车型应用等基础科学问题开展研究，设计合成了适于RTM和的预浸料模压快速固化碳纤维复合材料用环氧树脂体系，树脂工艺性能和力学性能满足项目技术指标。在此基础上，开展了碳纤维发动机盖板和车身地板组件的结构设计、仿真模拟与成型研究。通过调控环氧树脂体系的粘度和反应活性，对胺类固化剂进行预反应，并引入阴离子链转移剂，树脂体系在45℃-85℃之间可浸润纤维，在120℃下5min内树脂固化度达98.7%，可用于RTM快速制备碳纤维汽车件。针对模压成型的快速固化碳纤维预浸料用树脂体系进行设计，将聚氨酯预聚体与环氧树脂反应，配合潜伏性固化体系，当温度在80℃-110℃之间，树脂体系可充分浸润纤维，在150℃下5min内树脂固化度可达97.5%，与T700S碳纤维的界面结合良好。根据选定车型发动机盖板，应用CAE模型对碳纤维盖板的结构优化和铺层优化，并利用有限元方法进行工艺仿真，依据模拟优化参数，采用RTM工艺快速制备碳纤维发动机盖板，与原钢件相比实现单件减重48%，并通过了多项性能检测。采用碳纤维预浸料模压工艺制备汽车地板结构件，CAE分析显示，设计的复合材料样件刚度大于铝合金样件。应用本项目设计的快速固化碳纤维预浸料制备后地板结构样件，样件完整均匀，与铝合金结构相比可实现减重30.6%。初步建立了一套碳纤维复合材料汽车件的测试和评价规范，编制了汽车用碳纤维车身结构件产品企业标准，以及汽车碳纤维外装饰件和碳纤维零部件油漆层技术条件等企业管理制度（技术规范）。项目关于快速固化树脂设计与合成的基础性研究工作，具有理论研究意义，相关复合材料及其汽车件制备工艺的研究成果，可广泛用于汽车交通、航空航天、建筑能源等领域的复合材料产品快速、低成本制造和维修。