车用碳纤维复合材料结构优化与性能研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.04.020

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (4): 118-125.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.04.020

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车用碳纤维复合材料结构优化与性能研究进展

栗小茜¹(), 陈浩¹, 葛正浩², 宋浩杰³, 高彦军¹

^1.陕西交通职业技术学院，西安 710018
^2.陕西科技大学机电工程学院，西安 710021
^3.陕西科技大学材料科学与工程学院，西安 710021

收稿日期:2024-06-20 出版日期:2025-04-26 发布日期:2025-04-23
作者简介:栗小茜(1996- )女，从事材料科学与工程以及汽车智能制造方面研究，lxq07252022@126.com
基金资助:
陕西省教育厅科学研究计划项目资助(24JK0341);陕西交通职业技术学院院级课题资助项目(YJ24002);陕西高校青年创新团队（2023）

Research progress in structural optimization and performance investigation of carbon⁃fiber⁃reinforced composite materials for automobiles

LI Xiaoqian¹(), CHEN Hao¹, GE Zhenghao², SONG Haojie³, GAO Yanjun¹

^1.Shaanxi College of Communications Technology，Xi′n 710018，China
^2.School of College of Mechanical & Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi′an 710021，China
^3.School of Materials Science & Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China

Received:2024-06-20 Online:2025-04-26 Published:2025-04-23

摘要/Abstract

摘要：

对不同种类的车用碳纤维复合材料（CFRPs）的成型工艺进行了分析概述，详细对比了CFRPs性能提升的各类方案，并结合工业应用案例对现有成型工艺和设计方案进行讨论分析，探讨了车用CFRPs绿色化技术的发展前景，以及汽车产业车辆轻量化材料研究所面临的机遇与挑战。

关键词: 碳纤维增强聚合物复合材料, 改性方法, 成型工艺

Abstract:

This article overviewed various molding processes for carbon⁃fiber⁃reinforced polymer composites （CFRPs） applied in the automotive field and compared various schemes for improving the performance of CFRPs. Based on the actual documentation of industrial applications， the existing modification methods and design schemes were discussed. The development prospects of green technology for CFRPs used in automobiles were proposed， and the opportunities and challenges faced by the research on lightweight materials for the automotive industry were analyzed.

Key words: carbon-fiber-reinforced polymer composites, modification method, molding process

中图分类号:

TQ342⁺.742

栗小茜, 陈浩, 葛正浩, 宋浩杰, 高彦军. 车用碳纤维复合材料结构优化与性能研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(4): 118-125.

LI Xiaoqian, CHEN Hao, GE Zhenghao, SONG Haojie, GAO Yanjun. Research progress in structural optimization and performance investigation of carbon⁃fiber⁃reinforced composite materials for automobiles[J]. China Plastics, 2025, 39(4): 118-125.

图/表 13

图1 压力控制RTM工艺流程图［13］

Fig.1 Pressure control RTM process flowchart ［13］

图2 PCM的工艺流程示意图［19］

Fig.2 Process flow diagram of PCM［19］

图3 PCM和VA⁃PCM工艺示意图［20］

Fig.3 Process diagram of PCM and VA⁃PCM［20］

图4 双轴挤出机、温控室、物料搬运机器人和高速压力机的大型LFT工艺过程示意图［23］

Fig.4 Schematic diagram of large⁃scale LFT process for dual axis extruder， temperature control room， material handling robot， and high⁃speed press ［23］

图5 实际SMC成型工艺过程及软件模拟结果［26］

Fig.5 Real SMC processing chain and simulated aspects of the workflow ［26］

图6 从PAN基工艺和木质素基工艺获得的注塑零件［39］

Fig.6 Injection molded parts obtained from PAN⁃based process and the lignin⁃based process ［39］

前驱体	聚合物基体	拉伸强度/GPa	断裂伸长率/%
PAN^［32］	PA	7.3 $±$ 1.7	7.7 $±$ 0.1
CPVC^［37］	-	1.83	6.7 $±$ 0.5
木质素^［39］	PA	4.3 $±$ 0.4	3.0±0.1

前驱体	聚合物基体	拉伸强度/GPa	断裂伸长率/%
PAN^［32］	PA	7.3 $±$ 1.7	7.7 $±$ 0.1
CPVC^［37］	-	1.83	6.7 $±$ 0.5
木质素^［39］	PA	4.3 $±$ 0.4	3.0±0.1

表1 不同前驱体碳纤维的力学性能对比

Tab.1 Comparison of mechanical properties of carbon fibers with different precursors

表1 不同前驱体碳纤维的力学性能对比

Tab.1 Comparison of mechanical properties of carbon fibers with different precursors

改性方案	聚合物基体	界面性能	提升率/ %
等离子^［41］	环氧树脂	（46 $±$ 0.8） MPa	18
高能辐照（γ射线）^［42］	-	78.6 MPa	120.9
磁控溅射（C/Ta）^［43］	环氧树脂	60 MPa	63.53
施胶（乙烯基聚硅氧烷）^［44］	橡胶	66.6 N	221
施胶（改性硅烷偶联剂）^［45］	PA6	52.53 MPa	23.83
电化学（C₂₅H₃₃BrFeN）^［46］	环氧树脂	30.82 MPa	59.3
电化学（C₆H₄BF₄N₃O₂）^［47］	PP	（232.03 $±$ 62.40） MPa	36.1
酸处理（硫酸）^［48］	环氧树脂	63.1 MPa	80.8
酸处理（硝酸）^［49］	PA6	184.4 MPa（150 ℃）	-

改性方案	聚合物基体	界面性能	提升率/ %
等离子^［41］	环氧树脂	（46 $±$ 0.8） MPa	18
高能辐照（γ射线）^［42］	-	78.6 MPa	120.9
磁控溅射（C/Ta）^［43］	环氧树脂	60 MPa	63.53
施胶（乙烯基聚硅氧烷）^［44］	橡胶	66.6 N	221
施胶（改性硅烷偶联剂）^［45］	PA6	52.53 MPa	23.83
电化学（C₂₅H₃₃BrFeN）^［46］	环氧树脂	30.82 MPa	59.3
电化学（C₆H₄BF₄N₃O₂）^［47］	PP	（232.03 $±$ 62.40） MPa	36.1
酸处理（硫酸）^［48］	环氧树脂	63.1 MPa	80.8
酸处理（硝酸）^［49］	PA6	184.4 MPa（150 ℃）	-

表2 不同碳纤维表面改性方案所得CFRPs的力学性能对比

Tab.2 Comparison of mechanical properties of CFRPs obtained from different surface modification schemes of carbon fibers

表2 不同碳纤维表面改性方案所得CFRPs的力学性能对比

Tab.2 Comparison of mechanical properties of CFRPs obtained from different surface modification schemes of carbon fibers

图7 碳纤维表面处理对各类复合材料的影响［40］

Fig.7 Effect of carbon fiber surface treatments different CFRPs［40］

图8 纯聚合物与软相和硬相结合对比

Fig.8 Comparison of pure polymers combined with soft and hard phases

图9 不同CFRPs的固化机理［60⁃61］

Fig.9 Speculated curing mechanism of different CFRPs ［60⁃61］

填料		聚合物基体	界面性能	提升率/%
聚合物	苯氧热塑性塑料^［62］	环氧树脂	69 MPa	38
	核壳橡胶 ^［62］	环氧树脂	77 MPa	54
	聚醚砜^［63］	环氧树脂	88 MPa	18
金属氧化物	Fe₂O₃^［64］	环氧树脂	64.01 MPa	15
	Al₂O₃^［65］	环氧树脂	270.70 MPa	19.7
	SiO₂^［66］	环氧树脂	81.8 MPa	72.9
无机材料	羟基磷灰石（HAp）^［67］	聚芳基醚酮	67.2 MPa	40.9
	六方氮化硼（h⁃BN）^［68］	聚醚醚酮（PEEK）	176.05 MPa	97.54
	MXene^［69］	环氧树脂	57.43 MPa	49.9

表3 应用不同种类填料的CFRPs的综合性能对照

Tab.3 Comparison of comprehensive performance of CFRPs with different types of fillers

图10 PDA原位辅助碳纳米管嫁接分散机理的图示［70］

Fig.10 Illustration for polydopamine particle in⁃situ assisted CNTs hairs grafting mechanism ［70］

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车用碳纤维复合材料结构优化与性能研究进展

Research progress in structural optimization and performance investigation of carbon⁃fiber⁃reinforced composite materials for automobiles

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