碳纤维复合材料的拉挤成型工艺及批量化生产成本分析

       碳纤维复合材料在体育用品、航空航天、汽车交通等领域都有着广泛的应用。目前碳纤维复合材料在汽车制造中的应用越来越多，带来了汽车应用成本的降低。

设计方面，碳纤维复合材料部件的设计和生产需要综合考虑部件的实际应用要求，通过受力、载荷路径等分析，结合实际应用情况进行设计。

材料方面，选用的基材一般为热塑性树脂材料。碳纤维的拉伸强度达到5800MPa，比重为1.8g/cm³。其比强度明显高于钢或铝合金等金属材料，高能量密集的制造工艺也造成了较高的应用成本。

制造方面，一般需要先制作预浸料，再进行模具成型。预浸料即是由织物或非织造布浸渍树脂而没有进行固化反应形成的，可放入模具中进行高温固化成型。预浸料主要是为了保证碳纤维增强体与树脂基体充分浸渍结合。此外，模具成本也是构件成本构成的一大因素。部件的形状需要依靠模具来实现，一般有阴模和阳模两种形式。阴模是依据零部件的尺寸、形状等要求制造而成的模具，可成型各种复杂结构的部件。但阴模生产过程复杂，成本也相对较高。阳模是纤维缠绕在模具上成型，固化后可以保留或移除。

成型工艺方面，相对于其他成型方式，拉挤成型可实现连续化生产，具有更高的生产效率。纤维束被拉过两侧敞开的模具，注入树脂，使纤维渗入模具内，然后固化成型。成型材料可根据需要切割成适当的长度。

拉挤成型可实现较高的纤维含量和良好的表面，且纤维与树脂的浸润性比织物或非织造布与树脂的浸润性要好，浸渍成本低。此外，连续化生产更是有效缩短了生产周期，节约了成本，适合大规模生产。但该方法仅能生产二维截面部件，如管状、柱状、T型或I型部件，无法成型结构复杂的部件。因此，只要结构复合材料部件的几何形状允许使用拉挤成型，就可实现连续生产并显著节省经济成本。

目前，汽车轻量化是汽车行业发展的重点。且随着新能源汽车产业的崛起，汽车轻量化需求更加迫切。SPIRI开发了一款城市共享轻型电动车，采用了碳纤维复合材料车身设计，续航里程400公里。该车车身重100kg，车身集成化设计使得零部件数量进一步减少。基于该碳纤维车身，对其生产成本进行计算，结果表明：拉挤成型碳纤维复合材料的应用成本较低，其次是钢材、模压成型碳纤维复合材料、RTM成型碳纤维复合材料。同时，预浸料的生产成本较高。

综合来看，碳纤维复合材料车身的生产成本约是同类钢制车身的1.35倍。与铝和钢合金等金属材料相比，碳纤维复合材料的使用能够显著减轻车身结构的重量。且通过成本分析来看，碳纤维复合材料车体及结构件的大规模生产是具有可行性的。同时，选择合理的成型方法也有利于兼顾减重和成本。