碳纤维复合材料助力汽车轻量化的创新发展

作者：宁波海达塑料机械有限公司 张友根

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 碳纤维被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，汽车应用碳纤维复合材料是第三次工业革命在汽车上的体现。实现汽车的轻量化更多的靠塑料复合材料实现，在这其中，近些年比较新潮的当属轻质、高强等优异的综合性能的碳纤维复合材料，尽管碳纤维的价格比较高，应用还未实现广泛化，但其在汽车轻量化的道路上无疑已经代表了未来材料发展的一种趋势，得到越来越广泛的认可和应用。 绿色化性能 碳纤维是一种与人造丝、合成纤维丝一样的纤维状碳材料，是目前世界高科技领域中十分重要的新型工业材料，大幅提高汽车的绿色化性能。节约不可再生能源和提高燃料效率的汽车轻量化解决方案正推动碳纤维应用快速增长。轻量化是未来汽车构件的主要发展方向。国际上越来越重视新型车用工程塑料与构件的开发，塑料零件在汽车中的用量迅速上升，发达国家已将汽车用碳纤维复合材料作为衡量汽车设计和制造水平高低的重要标志，“以塑代钢”包含新的内涵，“塑”指碳纤维复合的工程塑料。 节能资源化。碳纤维复合材料构件同比纯塑料构件轻30~40%，实现汽车减重化的革命，进一步达到节油、节电，降低对不可再生的石油资源的利用。巴西研发出利用甘蔗生产出生物碳纤维，更体现出碳纤维节约不可再生资源的绿色化特性。 安全轻量化。碳纤维复合材料构件同比纯塑料构件强度同比钢件高4~5 倍。常规的纯塑料成型加工的汽车保险杠，碰撞性能较弱，实际仅起到包装装饰的功能，没有达到保险的功能，日本车进不了美国市场，主要是安全性能达不到美国标准，而保险杠的强度也是其中主要的原因，据权威机构检测，日产车的保险杠的钢板厚度为1mm，美产车为3mm。碳纤维复合材料成型的保险杠的厚度如为2mm， 强度不低于8mm 后的钢板，大幅提高了保险杠的安全系数，在高速撞击下保护乘员安全等众多方面有着与普通工程塑料、钢板件无与伦比的优势。 环保人性化。碳纤维复合材料构件质轻、转动惯量小，有效降低噪声级减少震动阻尼，提高乘员的舒适度。 车型个性化。碳纤维复合材料实现汽车外罩的个性化设计，进一步迎合市场的个性化需求。 清洁寿命化。碳纤维复合材料具有强度高、模量高、耐高温、抗蠕变、耐疲劳性好等优点，易实现自润滑的性能，在某些运动构件中，可少用或不用润滑油，有效降低环境污染、实现清洁运行。自润滑意味着提高汽车的使用寿命，减少对资源的利用。 高分子材料高性能化及应用领域拓展化。工程塑料填充碳纤维后，复合材料除持有原工程塑料性能外，提高了强度和刚度，更有利于以轻量化的特性取代汽车金属合金结构件，拓展“以塑代钢” 的应用领域。 汽车领域的发展 碳纤维复合材料在汽车上主要可应用于发动机罩、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘等零部件中。为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制造主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。车门、发动机罩、行李舱门、前后保险杠、翼子板、扰流板等次承力结构件，其结构大都为层合实体结构和复合材料三明治夹心结构，面板选用高强度高模量碳纤维复合材料制作， 芯材选用一定刚度和强度的低密度材料如泡沫、蜂窝等，胶结层将面板和芯材连接在一起。 1，由高端汽车向普及型汽车的应用领域发展 碳纤维发展之初由于原料制造成本过高、成型加工技术单一等因素，制约了碳纤维复合材料的应用领域，最初仅在一些对性能有极高要求的高端的F1 赛车、超级跑车上小批量车应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、 GT-R、保时捷911 GT3 承载式车身等。随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟、绿色化环保标准的日趋严格，各大主机厂纷纷进行碳纤维复合材料的汽车零部件的开发，如今被广泛地应用于高价值的普及型民用轿车上，如宝马、德国SGL 等。 宝马公司的BMW i3 电动汽车，首次在国际上实现碳纤维复合材料车型的量产化，成为了汽车用碳纤维复合材料领域的标杆。LifeDrive 架构的乘员模块是铝质车架上安装碳纤维复合材料乘用舱，诸多套件、车身覆盖件也是全部采用了碳纤维复合材料制造，整车重量仅为1.25 吨。BMW i3 选择在公司内生产碳纤维复合材料构件，以降低制造成本，并大力投资于专用技术的开发，在未来10 年里，碳纤维复合材料构件的成本有望下降50%。 沃尔玛公司最新大型18 轮的运输卡车，采用碳纤维复合材料，燃油效率提高了1 倍，降低了碳排放。主体由一块长53 英尺的碳纤维面板代替传统的钢板件，是汽车重量减少了1814kg，降低了钢材资源的消耗；碳纤维结构件增加了设计和加工的灵活性，采用凸面结构的碳纤维车头更符合空气动力学的原理，并且可增加车载空间。 2，由装饰件向结构件的应用领域发展 碳纤维复合材料起初仅应用汽车顶蓬和车身的装饰部件，提高赛车、超级跑车的安全型。碳纤维原材料制造、成型加工技术的科技进步，碳纤维复合材料由贵族化走向大众化。 2003 款戴姆勒克莱斯勒Dodge Viper 运动车首次应用碳纤维复合材料会取代金属用来制造汽车底盘结构件。德国的知名轮毂制造专家WWHEELSANDWORE 研发的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取两片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂可减重40% 左右。奔驰、宝马、奥迪、大众、本田、日产等公司碳纤维制造汽车座椅加热垫，热效率高达96％,并在加热垫中均匀密布, 保证热量在座椅加热区域均匀释放；碳纤维适宜人体吸收人体的红外线波长，充分减少驾乘疲劳，增加舒适度。 英国Kahm 公司使用碳纤维复合材料制得的RX-XR 型高级轿车专用车轮，重量仅为6kg，可高速行驶，并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。英国DYMAC 公司开发的世界最轻碳纤维/ 镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘两部分组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。碳纤维制动盘能够承受2500 ℃的高温， 而且具有非常优秀的制动稳定性，广泛用于竞赛用汽车上。 插电式大众XL1 的防滚架采用碳纤维增强复合材料制造。全新福特方程式赛车将采用新型的碳纤维材料单体底盘，从而达到其所制定的F3 安全标准。碳纤维复合材料的低密度和高比模量综合效应，发动机转速可达到10000r/min。碳纤维复合材料制造的发动机部件和传动系统部件具有减震吸能和降低噪声的功能，用其制成的保险杠等防撞系统则具有吸收冲击能的功能。美国Morison 公司为Dcna 公司生产碳纤维复合材料的汽车传动轴，把两件合并成一个传动轴简化成单件，与钢材料相比，可减重60％，供通用汽车公司用。 3，实现汽车由燃油化向清洁能源化领域发展 应用高强度轻量化材料以及先进成型技术，大幅度降低汽车重量，实现汽车电动化、太阳能化、燃气化。碳纤维复合材料是汽车最理想的轻量化的材料。 碳纤维复合材料是太阳能汽车的最佳轻量化的制造材料。日本帝人集团的Toho Tena 公司在2010 年联手Sakai Ovex 公司成功研制出刚性极强的超轻量化的太阳能汽车车用碳纤维材料， 联合在轻量化汽车设计、复合材料选择、结构评估等方面优势显著的日本帝人集团的GHCraft 公司，联合打造全新太阳能汽车。国内在研发太阳能汽车领域，未能实现理想的轻量化，进展缓慢， 日本的研发理念值得借鉴。 采用碳纤维复合材料可以在满足该要求的条件下实现压力储罐的轻量化。越来越多的大型公交车和卡车也趋向于采用压缩天然气燃料。随着环保汽车的开发，以氢为燃料的燃料电池汽车已为市场所接受，氢气储罐使用碳纤维复合材料材料制作。 美国福特汽车Hummer H2H 越野车也开始使用氢燃料电池，预计2015 年氢燃料电池汽车将会达到一定的市场规模。2020 年日本将有500 万台汽车使用燃料电池。 汽车电动化必需实现电池轻量化，轻量化的碳纤维复合材料材料制造的锂离子电池组的外壳，实现插电式的未来应用的发展趋势，同时更能提高其锂离子电池组的寿命周期。 成型加工技术 成型加工技术是将原材料转化为结构件，碳纤维复合材料在汽车上的应用离不开成型加工技术的发展。不同的成型加工技术对构件的性能会带来较大的影响。弹性复合材料成型技术发展方向：进一步实现整体成型技术、固化监控、自动化技术及三维复合材料技术，从而同时提高复合材料性能降低制造成本。 ◆树脂传递模塑(RTM) 成型加工 早期车用部件的生产采用手糊成型和喷射成型，但手糊和喷射工艺（开模模塑）严重污染环境，劳动强度大，制品的质量难以控制，主要用于生产汽车零件中形状简单的部件，难以满足汽车工业化生产和环保的要求。手糊成型是手工把纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型。生产周期长， 工作环境差，要求手艺娴熟，适合制作汽车样件或小批量构件生产。随着碳纤维复合材料件应用于汽车领域的拓展，手糊成型已不能适应大批量汽车生产及绿色化生产环境的要求。 树脂传递模塑(RTM) 是取代手糊成型的绿色化加工技术， 是世界上公认的低成本复合材料成型技术，已逐渐取代手糊工艺成为汽车零部件的重要成型方法。该工艺是将纤维经预成型及预编织处理，碳纤维铺放可按构件的力学要求采取不同的排放型式，铺放在模具型腔内；合模后，设备用压力将树脂注入模腔，浸润预编织的碳纤维，固化成型。一般采用多模、多工位机械注射模式，生产效率较高，适于批量生产方式。构件表面粗糙度接近于模具型腔粗糙度，尺寸精度高，内应力低，可做结构复杂零件及镶件，如汽车地板、车顶、发动机罩等。需要树脂灌注设备及多套模具。 为适于高质量铺放，一般采用立式合模机构，上模为单模注射，下模为多个移动模。以双模二工位为例，注射结束，移出放有构件的下模，实现制品冷却；同时移入另一放有碳纤维预编织件的下模至注射工位，实现注塑。适用于小批量、多品种的汽车结构件，如发动机水箱、隔热罩、发动机罩等。Schuler 公司36000kN 压力的RTM 成型设备，1 个上模、2 个下模的双工位， 合模面3.6×2.4m，1mm/s 的定位速度，4m 对角线合模面上0.05mm 的平行度，上模的闭合的最高速度1000mm/s，气缸驱动下模双工位滑座的移动，位于四个台角的伺服气缸调整滑座的与上模的平行度，以达到可靠的抽真空的实现。 树脂传递模塑(RTM) 在成型过程中，按设计要求可用模具先形成所需形状，再固化成型，所制结构件不但整体性好，而且减少了零部件的数量及接头等紧固件，节省了原材料、工时和模具费用，降低了制造成本，缩短了生产周期。 ◆ SMC 成型加工技术 SMC 经常被用作模压复合材料制品的半成品。SMC 成型工艺是将碳纤维片材按制品尺寸、形状及厚度等要求裁剪，然后将多层片材叠合后放入金属模具中进行加热、加压成型的方法。该工艺成型效率高、制品表面光洁、尺寸稳定性好，适于大批量生产，性价比较高。SMC 工艺的成功开发和机械化模压技术的应用使复合材料在汽车工业上的用量年增长率达到25%。SMC 已被广泛应用于发动机罩、导风罩、气门罩壳、水箱部件、发动机隔音板、加热盖板、气缸盖、进气支管、出水口外壳、水泵和燃料泵等汽车制件。 戴姆勒克莱斯勒公司开发的采用重叠加料来“混合”碳纤维和玻纤SMC 材料的技术。在对各种重叠加料安排进行试验后， 戴姆勒克莱斯勒公司设计了一种结构完善的连接界面，即使一次CF-SMC 加料的末端夹心在两次CF-SMC 加料的末端之间， 这很像一个舌榫接头。搭接的长度为4in，尺寸更小，重量减轻6.5lb，同时又使门的凹处的刚度提高了2 倍。采用含有55% 无规则短切碳纤维的乙烯基酯SMC 的2mm 厚度的左右防护板支架，取代了15 ～ 20 个金属零件，使重量减轻了40 磅，前端的刚度提高了22%。 ◆热压成型 中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备，效率达到56 件/ 天，并分别采用APA6 及PCBT 热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。该项目突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术，在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。2014 年4 月26 日，通过了由中国科学院科技发展促进局组织专家对中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的中国科学院知识创新工程重要方向项目“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”的现场技术验收。 ◆注塑成型技术 碳纤维复合材料实现注塑成型时碳纤维复合材料的重大科技进步，也是实现某些碳纤维复合材料件低成本批量化、扩大应用范围的科学发展。 碳纤维复合材料的注塑成型取决于碳纤维复合材料注塑原料的开发。 碳纤维熔点在3000℃左右，本身不可注塑加工， 只有碳纤维填充的塑料才可以注塑加工。碳纤维复合材料中碳纤维作为增强填充物，碳纤维的长度不超过2mm，可用成本较低的大丝束碳纤维，以降低原料成本。注塑碳纤维复合材料的构件，同比玻璃纤维复合材料的重量可降低25%，而强度可提高约2 倍。 注塑碳纤维复合材料按基体塑料的类型分为两类： a, 碳纤维增强热塑性碳纤维复合塑料。以热塑性塑料为基体、短碳纤维为增强分散质。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高， 蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。 b, 热固性碳纤维复合塑料。以热固性塑料为基体，短碳纤维为增强分散质以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。 美国复合材料生产商RTP 公司成功推出一款新型碳纤维复合热塑性工程塑料，该复合工程塑料基体由PEEK（聚醚醚铜）、高性能PPA、PPS（聚苯硫醚） 以及PEI（聚醚酰亚胺）多种工程塑料树脂复合而成，碳纤维的含量为20-40%， 将耐高温聚合物与纤维增强型材料有机结合，使新一代工程塑料的性能不但具备工程塑料所需的高抗冲击性的机械性能，还继承了碳纤维低密度、耐腐蚀、易成型的优良性能。2013 年10 月，帝人公司宣布推出P 系列热塑性颗粒材料适用于复杂部件的注塑成型。2013 年10 月， 东丽公司宣布推出新的碳纤维增强的聚苯硫醚（PPS）热塑性注塑颗粒材料，该材料改进了碳纤维和PPS 塑料接触面的粘结性，提高了抗拉强度，使用该材料制备CFRTP 部件，其抗拉强度与铝铸件相当， 质量却轻了近45%。 1, 高光无痕注塑成型技术在碳纤维成型上的应用 提高碳纤维复合材料注塑构件的表面质量是注塑构件的技术重点。高光无痕模具是一种以高温蒸汽作为加热介质， 通过急冷急热控制系统控制模具温度。普通的注塑成型技术，成型的碳纤维复合塑料构件的外观不是很好，而采用高光无痕注塑成型技术，由于模具表面高温，使成型材料表面结晶比率增加，提高表面效果非常好。 2, 注塑技术的要点 碳纤维可以用于注塑，典型产品是 碳纤维+PPS。碳纤维二次加工比较困难， 比如在成型产品上钻孔，普通的钻头， 钻几个孔，钻头就磨损了。所以在注塑件设计时要避免二次机加工。此外，与塑料中加玻纤一样，加碳纤维后注塑机螺杆磨损增大，螺杆寿命有所减短。剪切不要太强，防止破坏碳纤维的长度影响材料性能。碳纤维成型时模具中使用的脱模剂，会使注塑时碳纤与塑料不能粘接，改良碳纤维成型的工艺，在碳纤维成型过程中，不使用脱模剂，使碳纤维复合塑料构件表面成型后无脱模剂残留。碳纤维复合塑料的流动性下降，在注塑时须相应提高注射温度。 ◆连接技术 碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强度。碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效， 需要研究合适的胶接或机械连接材料， 达到最好的装配性。研发集热板熔融、震动熔融、超音波熔融等为一体的加热和加压连接法，实现连接部位一体化的同时增加接合部的纤维体积分数，提高强度，避免容易对CFRTP 材料产生结构损伤的钢焊接技术。 ◆新设备及新技术 碳纤维复合材料构件的成型加工新技术新设备新工艺发展发展的主要方向是高速高效化、节材批量化、清洁环保化。开发出碳纤维复合材料构件的批量生产工艺对实现这一目标至关重要。 日本帝人公司正和通用汽车以及其他汽车生产商合作，开发快速批量化生产的碳纤维复合材料部件，且生产周期不到1 分钟。日本三菱丽阳成立合资公司，采用碳纤维车量产i3 身；通用公司与日本帝人合作开发热塑性碳纤维复合材料零部件60s 内热冲压成型技术，计划用于2015 年以后上市的面向普通客户的主力车型； 奔驰与日本东丽成立合资公司，开发短循环树脂迁移模塑(RTM) 技术，为戴姆勒公司轿车提供大批量生产的CFRP 部件； 福特与陶氏化学合作，计划2015 年开始在福特斯新车上采用碳纤维零部件，2020 年起大面积使用，福特表示碳纤最大将能够减轻340kg 车重。 澳大利亚公司Quickstep 正在快速跟踪其一项专利的喷射树脂技术的商业化， 该技术可以让碳纤维复合材料汽车面板在几分钟内就快速生产出来，并且成本低， 从模具出来就具有较高的表面质量。德国公司BREYER 发布了一种带有新的模具技术的间隙浸渍机，这种新技术可以在15 分钟内生产出CFRP 汽车前箱盖板。Plasan Carbon Composites 公司是美国唯一的豪华轿车CFRP 车体面板一级供应商， 同时自身拥有可将CFRP 部件的生产成型时间缩短至17 min 的技术。 1，材料的回收利用技术 碳纤维复合材料的回收利用是制约碳纤维复合材料在汽车上大规模应用的一个很大瓶颈。碳纤维复合材料实现回收利用才能在汽车领域的大规模应用。 碳纤维复合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，损害环境， 资源浪费。碳纤维复合材料在回收过程中，最大限度的保持纤维强度，以提高利用价值。日本NEDO 从2006 年起在日本经济产业省的资助下进行的题为“碳纤维回收技术的研发示范”项目，利用热分解法，在高温常压下回收复合材料中的碳纤维，使得日本生产商加速了对碳纤维复合材料在汽车领域应用的市场布局，包括碳纤维丝束原材料、复合材料预浸料和注塑颗粒材料在内的产能投入。英国的先进复合材料公司（Umeco 复合材料结构材料公司的一部分）、英国Exel 复合材料公司、NetComposites、Sigmatex、Tilsatec 和利兹大学组成碳纤维复合材料的回收利用的联合体， 开发回收废弃碳纤维的技术，将其与聚对苯二甲酸乙二醇酯等树脂混合， 使碳纤维从制造的全部阶段复原，且其开发再生技术处于有代表性的供应链中，制备成不同形式的材料，生产的复合材料层合板由重量百分比50% 回收碳纤维及50% 的回收聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，与由原始纤维制备的复合材料相比，保持至少90% 拉伸模量，50% 拉伸强度。 2，碳纤维复合材料应用的全套解决方案 碳纤维的类型较多，性能也不一样，价格相差悬殊；树脂及塑料的类型更多，性能各有特点。汽车构件的功能、性能也各有特征。为达到经济地实现碳纤维复合材料构件的最大价值，全套解决方案才能实现。全套方案包括：构件设计、碳纤维及其复合材料的开发、成型加工设备及工艺技术、成型构件性能的测试及试验、构件的后处理及其物流、构件试用及应用的信息收集和分析、制品的回收利用，等等。 日本是世界上碳纤维开发最早、应用最成功、应用面最广的国家，其中主要的经验是，碳纤维生产企业以自己为价值链的联系纽带，实现从原丝到下游复合材料一体化的配套生产体制， 组合碳纤维复合材料应用的企业、行业，注重与下游企业合作，共同对碳纤维复合材料“潜在需求”的构件，制定和实施全套解决方案， 推动碳纤维复合材料在汽车领域的应用，不断开发新的市场，以下游应用带动上游的发展，是日本碳纤维企业选择的发展之道。日本碳纤维生产商和欧美的主要汽车生产商纷纷结成联盟，谋求共同发展。 在参股Plasan Carbon Composites 公司之前，东丽的主要汽车制造商合作对象是日本和欧洲公司，包括丰田、富士重工和德国戴姆勒公司。Plasan Carbon Composites 公司是美国唯一的豪华轿车CFRP 车体面板一级供应商， 同时自身拥有可将CFRP 部件的生产成型时间缩短至17 min 的技术。买入Plasan Carbon Composites 公司股份， 确保了东丽通往美国汽车制造商的分销渠道，进一步提高其在美国汽车市场的参与度。东邦与美国通用自2011 年起就展开了稳定的合作关系，与东丽一样，东邦也在欧洲和美国建立了公司和销售中心，瞄准汽车市场投入大量资金，并出资建立了复合材料应用中心，对未来碳纤维及其CFRP 在汽车上的应用充满信心。三菱丽阳则与宝马和西格里集团3 方合作，宣布2014 年宝马i3 系列纯电动车BMW MegacityVehicle 在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。这款车的市场表现，将在很大程度上决定未来10 年碳纤维复合材料在通用汽车领域的发展方向。 国内碳纤维生产有了很大发展， 缺乏碳纤维复合材料的应用研究，特别是没有形成碳纤维复合材料的全套解决方案的产业联盟，影响了产业的发展。 结语 中国汽车制造业发展很快，但在应用碳纤维复合材料于汽车工业，远远落后于日本、欧美等工业发达国家，形成汽车“大国”，而非“强国”。汽车新一轮的革命， 其中最突出的标志是碳纤维复合材料的应用。可以预测，谁引领碳纤维复合材料应用技术，谁就引领汽车的发展方向，谁就有汽车发展的话语权。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/8/2014)