【技术干货】碳纤维复合材料在奥迪汽车中的应用实例（全文典藏版）
1、汽车白车身
白车身英文名称Body in White，它是指车身结构件及覆盖件的总成，包括车顶盖、翼子板、发动机盖、行李箱盖和车门，但不包括附件及装饰件的未涂漆的车身。
按照结构件功能定位，白车身主要由车身覆盖件、车身结构件和结构加强件三部分组成。白车身加上内外饰、车门、引擎盖、行李箱盖和电子电器系统就组成真正意义上的车身。
2、CFRP在汽车白车身中应用
在汽车白车身应用中，碳纤维增强塑料（CFRP）与金属钢、铝的密度、应用潜力及综合成本对比如下图所示。CFRP在汽车轻量化领域应用潜力最大，与金属钢相比可以减重40%，但其加工成本也最高。
汽车如何实现轻量化和成本控制两者平衡成为CFRP在汽车轻量化领域应用的关键，而奥迪汽车公司将其目标定位在3right方案，即：The right material at the right place in the right amount；中文译为：在最正确的位置以最正确的数量应用最正确的材料。
3、奥迪公司的汽车轻量化之路
在汽车白车身轻量化领域，奥迪公司提出三步战略，首先开发出基础关键技术，其次实现高通量稳定化生产，最后综合产品轻量化和成本提出解决性方案，详细战略及主要阶段性进展如下图所示。
2012年以来，奥迪汽车在CFRP应用领域逐渐轻车熟路，2017年CFRP在奥迪A8汽车上实现一体化应用，关键技术发展流程如下图所示。
4、工艺技术方案
从奥迪R8到奥迪新A8，奥迪公司主要在复合设计上进行了以下几方面优化：
采用一体式设计，有效减少零部件数量并整合功能；
开发出组装线的预组装模块；
具有局部载荷路径的高度各向异性叠层。
在原料和成型技术领域进行了以下几方面改进：
形成包括碳纤维、树脂和胶粘剂等原料的具有成本效益的复合方案；
开发出具有低模具压力、坚固的成型工艺、较短的循环时间等系列特征的新型Ultra-RTM技术；
形成创新的纤维直接铺放技术，有效实现铺层优化并减少废料；
制造过程高度自动化。
通过一体化成型设计有效降低了零部件数量，并实现了功能集成，相比较于目前奥迪A8，经过工艺优化后新A8密度下降45%，重量减轻50%，如下图所示。
CFRP后壁结构件实现了各向异性最大化，通过6-19层铺层优化以及高度的各向异性叠层，在满足性能同时使得碳纤维用量达到最少，从而提高了经济性。
5、汽车轻量化原料选择
在碳纤维复合材料中成本最高的是碳纤维材料，而为了从原材料有效控制成本，奥迪公司选择了ZOLTEK PX35规格50k的大丝束碳纤维，该型碳纤维前驱体采用纺织品级腈纶纤维，是市场上成本最低的碳纤维。
关于PX35碳纤维结构性能特点可以参阅本公众号文章《一文解析日本东丽-Zoltek公司PANEX35碳纤维的特性及应用》。为了防止碳纤维价格变动对后续成本上影响，因此奥迪公司与日本东丽-ZOLTEK签署了长达7年的长期价格承诺，从而有效遏制了碳纤维成本增加。
树脂基体选用了陶氏化学VORAFORCE™ 5300环氧树脂，其最主要特性在于可以实现超快速固化，在120°C高温环境下处理90-120s便可以实现固化，而且加工黏度<20MPas。
其具体成型工艺可以选择树脂传递模塑成型（RTM）或者湿法热压成型，流程图如下图所示。
5.3 胶黏剂
在胶黏剂选择了陶氏化学BETAFORCE™ 9050M结构胶，改性胶黏剂具有较高的伸长率和模量，其中高伸长率可实现较高的能量吸收度，而高模量可保证所需的刚度。
该结构胶可用于粘接碳纤维和有涂层的钢和铝，如可应用于车顶、全碳纤维车身、或车门等悬挂类部件。在室温环境可以实现固化，而热环境下可以加速固化。
6、固化成型工艺优势分析
传统标准的RTM工艺在大型结构件、快速注射成型以及较低工作压力三种优势里面只能满足两种，而奥迪公司创新Ultra-RTM工艺可以使三者性能优势完美结合。
奥迪公司通过创新的注射和压制过程控制，在极低的模腔压力环境下实现了超快速固化树脂对复杂零件的渗透。而且Ultra-RTM技术可以使用效率更高的液压机以及非常坚固的工艺生产相同质量的产品，制备结构件中碳纤维含量高达50-55％。
7、加工流程
奥迪A8碳纤维复合材料后壁生产流程如下图所示，奥迪公司通过工艺优化和自动化加工，最终使得CFRP后壁结构件总重下降50%，而且在结构件生产过程中实现全流程的机械化和自动化，有效降低生产成本。