碳纤维增强树脂基热塑性复合材料汽车轮毂

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1、碳纤维增强(树脂基)热塑性复合材料汽车轮毂方鲲1顾轶卓2(1．北京纳盛通新材料科技有限公司，北京热塑性复合材料制备与成型工程技术中心2．北京航空航天大学材料科学与工程学院，教育部复合材料重点实验室)摘要：碳纤维增强(树脂基)热塑性复合材料(Carbonfiberreinforcedthermoplastics，CFRT)属于高性能的碳纤维工程塑料复合材料，具有高比强度、高比模量、抗冲击性好、模收缩率低、耐热性好、易回收、环保可循环重复使用等优势，属于“高性能化、工程化、环保化”的新材料，可以替代部分价格贵的工程塑料和金属材

2、料，并且可以根据汽车轮毂使用要求进行复合材料设计与制造。碳纤维增强(树脂基)热塑性复合材料汽车轮毂研究表明，注塑成型工艺制品具有强度高、刚度大、耐冲击、尺寸稳定、翘曲度低、抗疲劳性好、耐蠕变等显著优点，同时又具有减少生产工艺步骤、降低能耗、节约生产成本，实现汽车复合材料零部件生产与集成的高度自动化、大规模化，提高了生产效率，具有突出的性价比优势，在汽车轻量化应用领域将获得巨大发展。关键词：碳纤维增强热塑性复合材料，汽车轮毂，注塑制品，性价比，汽车轻量化1．前言汽车轮彀是高速旋转的主承力结构件，和车身结构件相比，它的减重效益

3、更为突出。同时，车轮减重还会带来汽车动力性能的跃升，如制动、加速、转向以及降低回旋效应等，从整车角度来综合考量，这些性能的改善将使汽车的综合效能明显提升。汽车轮彀的轻量化成为汽车企业追求卓越的重要表现。2．复合材料汽车轮毂的发展热固性复合材料塑料(CFRP)的轮毂已被用于赛车以及小批量生产(andforshortproductionrunso然而，与可注射成型的热塑性塑料复合材料(CFRT)轮毂相比，热固性复合材料(CFRP)轮毂制造过程相对更复杂且更昂贵，因而不适合大批量量生产。澳大利亚一家碳纤维技术公司在2012年美国

4、拉斯维加斯举行的国际汽车零配件展览会(SEMA)上推出的世界上第一个整体式碳纤维轮毂。这种CR-9碳纤维轮毂每个仅重6．81’8．17kg，其质量相比合金轮毂轻40％’50％。2013年Smart汽车公司的新型热塑性复合材料(CFRT)车轮轮毂，整套车轮由两部分组成：实际支撑组件以及轮罩。两组部件都具有支撑功能，在行驶条件下可以承载高负荷。该塑料复合材料(CFRT)车轮仅重6kg，比标准铝车轮轻30％。与CR一9整体式碳纤维轮彀和DYMAG公司的碳纤维复合材料／镁合金组合式夕3轮彀不同，Smart公司的全塑复合材料车轮采用

5、长纤维增强聚酰胺(UltramidStructure)热塑性复合材料，通过注塑成型工艺制备。无论从加工成本，还是成型效率来讲，这种热塑性复合材料轮毂的注塑成型都更具优势。3．复合材料汽车轮毂的特点汽车轮毂复合材料化的综合效益显著。然而，作为保证汽车行驶安全的重要部件，汽车轮毂不仅需要承受整车重量及载重，还要传递驱动扭矩。同时，汽车车轮的几何形状复杂，受力情况难于确切描述，这些为汽车轮毂的复合材料化带来极强挑战。1)汽车轮毂设计应充分考虑复合材料的力学性能特点，设计制造整体式汽车轮毂结构。整体式结构在充分挖掘复合材料强度特性

6、的同时，避免了辐板和轮辋的连接问题，既简化了工序，也提高了汽车轮毂的整体结构刚度和强度，有利于提高耐久性和安全性。2)汽车车轮在行驶过程中，经常会受到路边石的高速冲击，而复合材料对冲击损伤又比较敏感，因此，复合材料汽车轮毂对抗冲击性能的要求比其它结构件高，冲击试验也是车轮性能检测试验中的～种。复合材料的冲击性能主要受材料体系和成型工艺的影响，优选材料体系和成型工艺是制各高抗冲击性复合材料汽车轮毂的主要手段。3)作为汽车部件使用，也可以采用表面防护等方法防止路边石直接冲击到复合材料汽车车轮内表面，降低车轮冲击损伤的风险。制动

7、摩擦热的散发是汽车轮毂设计和制造除力学性能外需要考虑的另一个关键性能。和钢制或者铝合金汽车轮毂相比，复合材料的散热性能差。为提高复合材料汽车轮毂的散热性，可以从复合材料体系和汽车车轮结构设计两方面着手。DYMAG公司的碳纤维／镁合金组合式轮彀采用高导热材料制备汽车刹车盘和碳纤维轮辋组成整体汽车轮彀，通过高导热材料刹车盘增强汽车轮彀散热能力。此外，通过汽车轮毂造型设计，靠自身旋转散发热量，这也许给复合材料汽车轮毂的散热设计提供了借鉴。复合材料和金属材料的力学特性完全不同，主要体现在两个方面：1)复合材料为力学性能具有明显的各

8、向异性，呈现出很强的可设计性，而金属材料则为各向同性；2)复合材料和金属材料的破坏模式不同，复合材料破坏模式呈现复杂多样，属于多尺度渐进式韧性破坏，而金属材料的破坏为呈现塑性变形主导的屈服破坏。不同的决定源于设计理念的不同，不同设计决定对部件的服役失效评估准则不同。因此，必须将复合材料的性能特性与复杂汽