碳纖維（CarbonFiber，簡(jiǎn)稱CF）的含碳量在95%以上，是高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌，并經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，質(zhì)量比鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性；耐腐蝕性好，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出；X射線透過(guò)性好，有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，電磁屏蔽性好等。優(yōu)良的綜合特性使其成為航空航天、土木工程、軍事、賽車以及競(jìng)技體育器材制造中的高端材料［49］，［50］。然而，相對(duì)于類似的纖維，例如玻璃纖維或塑料纖維，碳纖維是相當(dāng)昂貴的。

碳纖維與其他聚合基體材料（如環(huán)氧類和聚酯類）結(jié)合后就成為碳纖維復(fù)合材料（CFC）。復(fù)合材料是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中涌現(xiàn)出具有強(qiáng)大生命力的材料，一般是由基體材料（包括樹(shù)脂、金屬、陶瓷等）和增強(qiáng)劑（有纖維狀、晶須狀和顆粒狀等）復(fù)合而成的。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要有金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料。碳纖維也可以被復(fù)合于其他材料，如石墨，以形成碳—碳復(fù)合材料，具有非常高的耐熱性。碳纖維材料具有很高的強(qiáng)度—重量比，在需要提供極高的強(qiáng)度密度和剛度密度時(shí)，與鋼材相比可以降重60%。推廣應(yīng)用碳纖維材料的最主要問(wèn)題是纖維成本、纖維資源和生產(chǎn)纖維所需要的能源。由于部件設(shè)計(jì)不當(dāng)和制造技術(shù)欠缺等原因，碳纖維及復(fù)合材料在重型車上的應(yīng)用還非常有限。

如果把碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于碰撞吸能部件上，則汽車業(yè)的共識(shí)是選用編織熱固碳纖維復(fù)合材料，因?yàn)槠錂C(jī)械特性和沖擊特性都比較合適。編織復(fù)合物特性的基礎(chǔ)研究包括，用解析方法計(jì)算紡織與編織復(fù)合物的機(jī)械特性［38］，研究編織復(fù)合物損傷與斷裂機(jī)理的拉伸試驗(yàn)［39］、抗彎試驗(yàn)［40］，［41］和壓縮試驗(yàn)［42］～［44］。同時(shí)，為了建立編織復(fù)合物計(jì)算技術(shù)，還開(kāi)展了很多模擬試驗(yàn)的數(shù)字仿真研究［45］，試驗(yàn)類別包括抗彎試驗(yàn)［46］、壓潰試驗(yàn)［47］和沖擊試驗(yàn)［48］。

一般而言，編織復(fù)合材料會(huì)隨織物類別、復(fù)合結(jié)構(gòu)和載荷條件的變化而呈現(xiàn)出不同的失效模式。常見(jiàn)的失效模式包括基質(zhì)破碎、纖維斷裂、脫層、劈展分叉、碎裂、漸進(jìn)折疊，等等（見(jiàn)圖8.3）。其中的一些模式可以用復(fù)合材料模型進(jìn)行描述，另外一些則需要結(jié)合有限元模型描述，因?yàn)檫@些模式是由一些復(fù)合材料失效模式之后的行為而引起的，一般包括以下三種建模方式。

圖8.3　符合材料結(jié)構(gòu)的失效模式［49］

（a）纖維分叉；（b）碎片化；（c）脆性破碎；（d）皺褶壓縮

（1）單層定義法。

單層定義法是一種最簡(jiǎn)單的建模方法，復(fù)合材料有限元模型只包含一層復(fù)合材料特性的元素。其缺點(diǎn)是不能模擬脫層和分叉效應(yīng)，無(wú)法觀察局部的變形損壞。

（2）多層定義法。

多層定義法可以有效描述復(fù)合材料的脫層與劈展失效模式。這種方法可將復(fù)合材料特性定義到每一層之中，然后用連接—斷開(kāi)接觸類型定義每層之間的連接。

（3）單元定義法。

單元就是重復(fù)性纖維構(gòu)架里的最小單位（見(jiàn)圖8.4），每個(gè)單元又可以進(jìn)一步細(xì)分為子單元，子單元根據(jù)實(shí)際的集合形狀和位置由不同纖維束尺寸、纖維走向、交疊次序等要素組成，可以捕捉到編織復(fù)合板材在沖擊試驗(yàn)里的局部損傷［49］。

文獻(xiàn)［50］對(duì)碳纖維復(fù)合材料在碰撞吸能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可能性展開(kāi)了全面分析。首先，該研究對(duì)碳纖維復(fù)合材料板材試件在4種速度下分別進(jìn)行軸向和橫向抗拉、抗壓與剪切試驗(yàn)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料圓管在兩種速度下分別進(jìn)行平端擠壓和單斜面擠壓試驗(yàn)，并在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了碳纖維復(fù)合材料的LS-DYNA有限元分析模型。隨后，在輕型卡車Chevrolet Silverado中對(duì)梯狀車架進(jìn)行了材料替代性能分析。車身—車架結(jié)構(gòu)是輕型卡車的典型設(shè)計(jì)，車架是在碰撞事故中主要的吸能部件。Silverado車型的車架原設(shè)計(jì)材料為低碳合金鋼板，質(zhì)量為231.6kg，占整車質(zhì)量的12.6%（見(jiàn)圖8.5）。兩邊的主體邊梁材料完全由碳纖維復(fù)合材料替代以后，質(zhì)量降低至156.8kg，降重率為32%。該研究將碳纖維復(fù)合材料的有限元模型帶入Silverado整車車型中，根據(jù)NCAP試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真。圖8.6（a）所示為鋼制車架原設(shè)計(jì)在56km/h正面剛性碰撞時(shí)的車架彎折變形形態(tài)，圖8.6（b）～圖8.6（d）所示為改變碳纖維復(fù)合材料的厚度以后的變形形態(tài)。從圖示的仿真結(jié)果可以看出，通過(guò)調(diào)整碳纖維復(fù)合材料的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車架壓潰形態(tài)的控制。分析結(jié)果同時(shí)表明，整車碰撞加速度波形、壓潰內(nèi)侵量也可得到同樣的控制，即在降重的前提下可以保證原有的碰撞性能沒(méi)有下降。

圖8.4　單元

圖8.5　車架

圖8.6　輕型卡車符合材料耐撞性仿真分析［50］

根據(jù)已有的公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看，還缺乏大量、詳盡的與CFC相關(guān)的整車碰撞試驗(yàn)及仿真分析對(duì)比，所以說(shuō)CFC仿真分析仍然處于探索階段。

與金屬零件不一樣，汽車經(jīng)受碰撞以后無(wú)法對(duì)碳纖維材料，尤其是對(duì)碳纖維復(fù)合材料的零部件進(jìn)行快速損傷探測(cè)，無(wú)論是依靠外觀還是探測(cè)儀，都很難判斷哪些零部件應(yīng)該更換、哪些不必更換。經(jīng)常的做法是，在生命期內(nèi)或在事故之后，碳纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵部件需要進(jìn)行更換，因此應(yīng)用CFC部件后，維護(hù)維修的成本會(huì)比較高。為此，需要開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)碳纖維復(fù)合材料特性的分析模型，以在各種碰撞工況下對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行損傷程度預(yù)測(cè)，以及依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)在疲勞和環(huán)境老化條件下的損傷區(qū)增長(zhǎng)，并可結(jié)合特定部件將損傷理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化中。損傷建模工具應(yīng)當(dāng)具備針對(duì)短纖維、連續(xù)纖維、紡織纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料分別加以分析的能力。目前，尚無(wú)能夠準(zhǔn)確模擬碳纖維復(fù)合材料碰撞安全性、疲勞壽命、加工特性的分析工具，更無(wú)法模擬不同材質(zhì)之間的連接特性，模擬分析所需要的可靠數(shù)據(jù)庫(kù)還沒(méi)有建立起來(lái)，因?yàn)楣I(yè)界還缺少CFC在汽車行業(yè)上應(yīng)用的特性試驗(yàn)規(guī)范。文獻(xiàn)［51］、［52］提出了一種基于非線性纖維模型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型，進(jìn)一步提高了碳纖維復(fù)合材料的仿真精度，并提高了碳纖維復(fù)合材料的利用效率（見(jiàn)圖8.7）。

圖8.7　基于非線性纖維模型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型［51］

以前復(fù)合材料和碳纖維材料的生產(chǎn)工藝并不是為汽車級(jí)別應(yīng)用所優(yōu)化的。碳纖維（CF）生產(chǎn)按原料路線可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維三類，主要以前兩種碳纖維生產(chǎn)為主。由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，以其生產(chǎn)工藝較其他方法簡(jiǎn)單，產(chǎn)量占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。到目前為止，碳纖維的價(jià)值鏈和基礎(chǔ)設(shè)施都是以面向航空工業(yè)應(yīng)用為主的。如果更加深入理解由前體材料到碳纖維轉(zhuǎn)化過(guò)程中的結(jié)構(gòu)—特性關(guān)系，就可以用更低的成本將前體材料轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度碳纖維，以減少生產(chǎn)所需能源并提高產(chǎn)量。目前還缺乏可靠的碳纖維性能預(yù)測(cè)工具，在進(jìn)行碳纖維以及復(fù)合材料部件設(shè)計(jì)時(shí)找不到精確的材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)，以進(jìn)行具有高可信度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免在碰撞安全等工況中對(duì)關(guān)鍵部件采用過(guò)度設(shè)計(jì)。碳纖維材料在各種工況下的材料行為數(shù)據(jù)還很少，不足以支撐耐撞分析的精確建模。對(duì)接合劑（如纖維與基體之間的連接劑）化學(xué)特性了解比較少，因此最終的復(fù)合材料特性很難加以優(yōu)化和受控?，F(xiàn)有的接合劑需要對(duì)大多數(shù)熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行優(yōu)化。

碳纖維復(fù)合材料（CFC）除同樣面臨上述碳纖維的技術(shù)問(wèn)題以外，還面臨一些本身的應(yīng)用障礙，例如，CFC與其他材料的連接技術(shù)，包括與其他復(fù)合材料、鎂、鋼、鋁、CF、塑料和玻璃纖維部件之間的連接技術(shù)，幾乎沒(méi)有什么新的發(fā)展，不適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，CFC與其他材料連接點(diǎn)的耐久性也不適應(yīng)于汽車應(yīng)用。

碳纖維和制造碳纖維復(fù)合材料的基體之間的兼容性還沒(méi)有得到優(yōu)化，呈現(xiàn)出與碳纖維有良好兼容性和親和性的可用基體材料還很有限，現(xiàn)有的基體材料不足以充分發(fā)揮碳纖維的固有優(yōu)良特性，碳纖維的表面特征很大程度上影響了與樹(shù)脂的連接性和復(fù)合材料特性。工業(yè)界仍需要對(duì)大量的熱塑性和熱固性樹(shù)脂進(jìn)行改性。

纖維/樹(shù)脂系統(tǒng)的生產(chǎn)費(fèi)用大都較高，碳化與冷卻時(shí)間要求很長(zhǎng)，目前還缺少低成本—高產(chǎn)量的碳纖維復(fù)合材料制造技術(shù)，因此還不能滿足汽車工業(yè)大批量的需求。

另外，碳纖維復(fù)合材料的回收兼容性不好，但是各應(yīng)用行業(yè)都對(duì)CFC的回收與再利用提出了更高的要求。

為推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的大面積應(yīng)用，目前最緊迫的任務(wù)是，開(kāi)發(fā)低成本的纖維和低成本、快回收周期的制造工藝。例外，需要在設(shè)計(jì)階段提供零部件性能和制造性能的預(yù)測(cè)工具，以便提供更加精確的材料解決方案。為了提高可回收性與再利用能力，需要開(kāi)發(fā)在回收與維修階段更加便利和便宜的連接技術(shù)。行業(yè)會(huì)應(yīng)用的進(jìn)展預(yù)測(cè)為，2025年碳纖維和碳纖維復(fù)合材料會(huì)應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的車輛上，屆時(shí)，材料的供應(yīng)商將有能力為OEM提供足夠詳細(xì)的材料特性、工具和知識(shí)，以便能夠開(kāi)展針對(duì)功能/性能的部件設(shè)計(jì)，見(jiàn)表8.8［31］。

表8.8　CF和CFC應(yīng)用目標(biāo)