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    基于“新常態”戰略的汽車塑料工程綠塑創新驅動的分析研究(六)

    [ 寧波市塑料機械行業協會 ] 發表于 2015-07-22 13:16:05 瀏覽量:0
     5.3  汽車綠色碳纖維復合材料塑料工程的綠塑創新驅動

     碳纖維是一種以聚丙烯腈(PAN)、瀝青、粘膠纖維等為原料,經預氧化、碳化、石墨化工藝而制得的含碳量大于90%的特種纖維。碳纖維具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、導電、導熱、膨脹系數小、減震等優異性能。通過提高強度來減輕汽車重量方面,最佳選擇是碳纖維復合材料(CFRP。碳纖維復合材料是車用復合材料增長最快的部分,年均復合增長率達到了22%。推動碳纖維復合材料快速增長的動力是底盤和傳動部件應用的需求。

    碳纖維被國際上稱之為第三代材料,因為用碳纖維制成的復合材料具有極高的強度,汽車應用工業級碳纖維復合材料是第三次工業革命在汽車上的體現。實現汽車的綠色塑料工程更多的靠塑料復合材料實現,玻纖增強復合材料不足以和金屬匹敵,具有輕質高強度、高模量、耐高溫、導電等一系列性優異的綜合性能碳纖維復合材料實現“以塑勝鋼”,引領汽車劃時代的變革

    幾十年前曾預言碳纖維復合材料會取代金屬用來制造汽車底盤結構件。現在,這個預言變成現實并推向普及化。

    5.3.1  汽車碳纖維復合材料的綠色化性能

    碳纖維是一種與人造絲、合成纖維絲一樣的纖維狀碳材料,是目前世界高科技領域中十分重要的新型工業材料,大幅提高汽車的綠色化性能。根據2013 年全球CRP 市場的統計(CCeV AVK 發布),碳纖維在汽車上的應用年增長速率預計為34%,到2020 年可能會達到23000 噸。

    輕量節能資源化。碳纖維復合材料構件同比純塑料構件輕30~40%,實現汽車減重化的革命,進一步達到節油、節電,降低對不可再生的石油資源的利用。巴西研發出利用甘蔗生產出生物碳纖維,更體現出碳纖維節約不可再生資源的綠色化特性。

    安全壽命周期可靠化。碳纖維復合材料構件同比純塑料構件強度同比鋼件高4~5倍。常規的純塑料成型加工的汽車保險杠,碰撞性能較弱,實際僅起到包裝裝飾的功能,沒有達到人身保險的功能。碳纖維復合材料成型的保險杠的厚度如為2mm,強度不低于8mm厚的鋼板,大幅提高了保險杠的抗沖擊性能,高速撞擊下保護乘員安全等眾多方面有著與普通工程塑料、鋼板件無與倫比的優勢。普通汽車開到時速150公里如果發生碰撞,乘坐人員生還幾率就基本為0,碳纖維車架則大大提高了汽車的安全性能。真實發生的事例就是,使用碳纖維車架的F1賽車在賽場上以300公里的時速發生碰撞,駕駛員還可以繼續參賽。碳纖維和鋁錫合金復合材料制造的制動器,耐高溫干摩擦的性能及抗磨壽命大幅高于傳統材料制造的制動器。

    生態環保清潔化。碳纖維復合材料構件質輕、轉動慣量小,有效降低噪聲及減少震動阻尼,提高乘員的舒適度。碳纖維復合材料具有強度高、模量高、耐高溫、抗蠕變、耐疲勞性好等優點,易實現自潤滑的性能,在某些運動構件中,可少用或不用潤滑油,有效降低環境污染、實現清潔運行。自潤滑意味著提高汽車的使用壽命,減少對資源的利用。

    車型個性化。碳纖維復合材料實現汽車外罩的個性化設計,進一步迎合市場的個性化發展的需求。

    塑料應用拓展化。工程塑料填充碳纖維后,復合材料除持有原工程塑料性能外,提高了強度和剛度,更有利于以輕量化的特性取代汽車金屬合金結構件,拓展塑料的應用領域。

    5.3.2 汽車行業應用碳纖維復合材料領域的綠塑創新驅動

    節約不可再生能源和提高燃料效率的汽車輕量化解決方案正推動碳纖維應用快速增長。

    碳纖維復合材料在汽車上主要可應用于發動機罩、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤等零部件中。為了確保足夠的安全性能,在主承載車身結構件上汽車廠商通常要選擇強度,剛性及耐沖擊性能均很高的材料用于制主承力結構件,這時環氧樹脂碳纖維增強復合材料就成為理想的材料選擇。車門動機行李艙門前后保險翼子板擾流板等次承力結構件,其結構大都為層合實體結構和復合材料三明治夾心結構面板選用高強度高模量碳纖維復合材料制作,芯材選用一定剛度和強度的低密度材料如泡沫、蜂窩等,膠結層將面板和芯材連接在一起。

    5.3.2.1 由高端汽車向普及型汽車的應用領域發展的綠塑創新驅動

    碳纖維發展之初由于原料制造成本過高、成型加工技術單一等因素,制約了碳纖維復合材料的應用領域,最初僅在一些對性能有極高要求的高端的F1 賽車、超級跑車小批量車應用,如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、 GT-R、保時捷911 GT3 承載式車身等。隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟、綠色化環保標準的日趨嚴格,各大主機廠紛紛進行碳纖維復合材料的汽車零部件的開發,如今被廣泛地應用于高價值的普及型民用轎車上,如寶馬德國SGL等。

    寶馬公司的BMW i3 電動汽車,首次在國際上實現碳纖維復合材料車型的量產化,成為了汽車用碳纖維復合材料領域的標桿。LifeDrive架構的乘員模塊是鋁質車架上安裝碳纖維復合材料乘用艙,諸多套件、車身覆蓋件也是全部采用了碳纖維復合材料制造,整車重量僅為1.25噸。BMW i3選擇在公司內生產碳纖維復合材料構件以降低制造成本,并大力投資于專用技術的開發寶馬公司2015i8插電式混動車也將上市,采用了以碳纖維材料打造的底盤,用以削減車身重量、提升燃油經濟性。

    沃爾瑪公司最新大型18輪的運輸卡車,采用碳纖維復合材料,燃油效率提高了1倍,降低了碳排放。主體由一塊長53英尺的碳纖維面板代替傳統的鋼板件,是汽車重量減少了1814kg,降低了鋼材資源的消耗;碳纖維結構件增加了設計和加工的靈活性,采用凸面結構的碳纖維車頭更符合空氣動力學的原理,并且可增加車載空間。

    5.3.2.2 由裝飾件向結構件的應用領域發展的綠塑創新驅動

    碳纖維復合材料起初僅應用汽車頂蓬和車身的裝飾部件,提高賽車、超級跑車的安全型。碳纖維原材料制造、成型加工技術的科技進步,碳纖維復合材料由貴族化走向大眾化。2003款戴姆勒克萊斯勒Dodge Viper 運動車首次應用碳纖維復合材料會取代金屬用來制造汽車底盤結構件。 

    用碳纖維增強塑料(CFRP)制造的板簧為14kg,減輕重量76%。在美國、日本、歐洲都已使板簧、圓柱形螺旋彈簧實現了纖維增強塑料化,除具有明顯的防振和降噪效果外,還達到輕量化的目的。

    德國的知名輪轂制造專家WWHEELSANDWORE研發的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列,采取兩片式設計,外環為碳纖維材質打造,內轂為輕量化的合金,搭配不銹鋼制的螺絲,較一般同尺碼的輪轂可減重40%左右

    奔馳、寶馬、奧迪、大眾、本田、日產等公司碳纖維制造汽車座椅加熱墊熱效率高達96%, 并在加熱墊中均勻密布, 保證熱量在座椅加熱區域均勻釋放碳纖維適宜人體吸收人體的紅外線波長充分減少駕乘疲勞,增加舒適度。英國Kahm公司使用碳纖維復合材料制得的RX-XR型高級轎車專用車輪,重量僅為6kg,可高速行駛,并可最大限度地降低車輪的徑向慣性力

    英國DYMAC公司開發的世界最輕碳纖維/ 鎂車輪由碳纖維輪網和鎂剎車盤兩部分組成,并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。碳纖維制動盤能夠承受2500 的高溫,而且具有非常優秀的制動穩定性廣泛用于競賽用汽車上

    插電式大眾XL1的防滾架采用碳纖維增強復合材料制造。全新福特方程式賽車將采用新型的碳纖維材料單體底盤,從而達到其所制定的F3安全標準。碳纖維復合材料的低密度和高比模量綜合效應,發動機轉速可達到10000r/min。碳纖維復合材料制造的發動機部件和傳動系統部件具有減震吸能和降低噪聲的功能,用其制成的保險杠等防撞系統則具有吸收沖擊能的功能。

    美國Morison公司為Dcna公司生產供通用汽車公司用碳纖維復合材料汽車傳動軸,兩件合并成一個傳動軸簡化成單件,與鋼材料相比,可減重60

    5.3.2.3 實現汽車由燃油化向清潔能源化領域發展的綠塑創新驅動

    碳纖維復合材料是汽車最理想的超輕量化的材料。清潔能源化汽車的關鍵是實現超輕量化,這一切離不開碳纖維復合材料的應用。

    輕量化是實現電動車、混合動力車、生物燃料車以及太陽能車的技術關鍵汽車進一步輕量化的解決的零部件的關鍵件是汽車的高強度、高剛度的零件及大型部件,增強改性工程塑料無法達到這些零部件的力學性能的技術要求。碳纖維復合材料以優異的強度、剛度及輕量化的性能能滿足工程塑料不能實現的“以塑代鋼”的汽車領域,例如,底座、傳動軸、輪轂等高強度、高剛度的零部件。碳纖維復合材料是清潔汽車實現最佳輕量化的最佳制造材料。

    碳纖復合維材料太陽能汽車。日本帝人集團的Toho Tena公司在2010年聯手Sakai Ovex公司成功研制出剛性極強的超輕量化的太陽能汽車車用碳纖維復合材料,聯合在輕量化汽車設計、復合材料選擇、結構評估等方面優勢顯著的日本帝人集團的GHCraft公司,聯合打造全新太陽能汽車。國內在研發太陽能汽車領域,未能實現理想的輕量化,進展緩慢,日本的研發理念值得借鑒。

    碳纖復合維材料電動汽車。國內第一臺采用碳纖復合材料制成車身的民用客車正式研制成功。這輛碳纖維復合車身的純電動大巴,車身僅重160公斤,較傳統客車總體減重可達40%- 60%,因此在同樣油耗或電耗的情況下,車輛每小時可以多行駛50公里。2015120日上午,中國首輛碳纖維新能源汽車在江蘇鹽城正式下線,該車由鹽城市國有資產投資集團全資子公司江蘇奧新新能源汽車有限公司開展戰略性合作、實施強強聯手、依靠創新驅動自主研發,下線的奧新e25緊湊型A級車,具有核心技術自主知識產權,在國內量產汽車上首次采用全碳纖維材質乘客艙設計,融合智能能源管理系統、碳纖維輕量化車身技術、輕質高強高韌鋁合金底盤等核心技術,與同類汽車相比車重減輕50%、零部件減少40%,為電池騰出重量空間,降低單位里程能耗,提高了動力和續航里程。該車型百公里耗能低于10度電,續航里程最高可達440公里,中等距離城際間往返無需充電。成為中國第一個2萬輛碳纖維純電動汽車制造工廠。

    壓力儲罐是燃氣汽車、氫能汽車的關鍵部件,采用碳纖維復合材料成型壓力儲罐,不但滿足性能要求,而且實現壓力儲罐的輕量化。越來越多的大型公交車和卡車也趨向于采用壓縮天然氣燃料。隨著環保汽車的開發,以氫為燃料的燃料電池汽車已為市場所接受氫氣儲罐使用碳纖維復合材料材料制作。美國福特汽車Hummer H2H 越野車也開始使用氫燃料電池,預計2015年氫燃料電池汽車將會達到一定的市場規模。東麗的高強度碳纖維將用于Mirai的高壓氫燃料儲罐,確保達到此類儲氣瓶安全、高強度以及輕量化的要求。2020 年日本將有500萬臺汽車使用燃料電池。

    汽車電動化必需實現電池輕量化,輕量化、功率密度高的鋰電池是目前主要的選擇,同時更能提高鋰電池的壽命周期。碳纖維復合材料材料是制造鋰電池組外殼的主要選擇。插電式混合動力驅動使用鋰電池組是應用的發展趨勢。  東麗公司為即將問世的豐田Mirai燃料電池車燃料電池組電極基板(Electrode Substrate)提供炭纖維復合材料紙,幫助電池組促進氣體擴散,提高耐久性,增強電池性能,并有利于節省空間。

    5.3.2.4 實現汽車結構精簡化及易維修保養化的綠塑創新驅動

    戴姆勒克萊斯勒公司開發適合批量生產的模壓成型碳纖維復合材料(SMC)的大型底盤車外左右防護板支架部件Dodge Viper 運動車整個防護板支架系統的兩個較小的支架和兩個大燈支座這四個結構件應用碳纖維復合材料模壓成型后,總重量只有13.5磅,但它們卻取代了1520個金屬零件,使重量減輕了402mm厚的支架支承了整個車體的前端,并為34個部件提供了附著點,前端的剛度提高了22%美國Morison公司為Dcna公司生產汽車傳動軸,采用碳纖維復合材料可使原來由兩件合并成一個傳動軸簡化成單件,與鋼材料相比,可減重60供通用汽車公司用

    5.3.3  碳纖維復合材料件的成型加工技術的綠塑創新驅動

    成型加工技術是將原材料轉化為結構件,碳纖維復合材料在汽車上的應用離不開成型加工技術的發展。不同的成型加工技術對構件的性能會帶來較大的影響。

    碳纖維復合材料構件的成型加工技術主要方向是實現高速高效化、節材批量化、清潔環保化。

    5.3.3.1  樹脂傳遞模塑(RTM) 成型加工技術的綠塑創新驅動[6]

    早期車用部件的生產采用手糊成型和噴射成型,但手糊和噴射工藝(開模模塑)嚴重污染環境,勞動強度大,制品的質量難以控制,主要用于生產汽車零件中形狀簡單的部件,難以滿足汽車工業化生產和環保的要求。手糊成型是手工把纖維織物和樹脂交替地鋪層在已被覆好脫模劑和膠衣的模具上,然后用壓輥滾壓壓實脫泡,最后在常溫下固化成型。生產周期長,工作環境差,要求手藝嫻熟,適合制作汽車樣件或小批量生產隨著碳纖維復合材料件應用于汽車領域的拓展,手糊成型已不能適應大批量汽車生產及清潔化生產的要求。

    樹脂傳遞模塑(RTM)是取代手糊成型的綠色化加工技術,是世界上公認的低成本復合材料成型技術,已逐漸取代手糊工藝成為汽車零部件的重要成型方法。該工藝是將纖維經預成型預編織處理,纖維鋪放可按構件的力學要求采取不同的排放型式,鋪放在模具型腔內合模后設備用壓力將樹脂注入模腔,浸潤預編織的碳纖維,固化成型。一般采用多模多工位機械注射模式,生產效率較高適于批量生產方式。構件表面粗糙度接近于模具型腔粗糙度,尺寸精度高,內應力低,可做結構復雜零件及鑲件,如汽車地板、車頂、發動機罩等。需要樹脂灌注設備及多套模具。為適于高質量鋪放,一般采用立式合模機構,上模為單模注射,下模為多個移動模。以雙模二工位為例,注射結束,移出放有構件的下模,實現制品冷卻;同時移入另一放有碳纖維預編織件的下模至注射工位,實現注塑。適用于小批量、多品種的汽車結構件,如發動機水箱、隔熱罩、發動機罩等。Schuler公司36000kN壓力的RTM成型設備,1個上模、2個下模的雙工位,合模面3.6×2.4m,1mm/s的定位速度,4m對角線合模面上0.05mm的平行度,上模的閉合的最高速度1000mm/s,氣缸驅動下模雙工位滑座的移動,位于四個臺角的伺服氣缸調整滑座的與上模的平行度,以達到可靠的抽真空的實現。

    樹脂傳遞模塑(RTM)在成型過程中,按設計要求可用模具先形成所需形狀,再固化成型,所制結構件不但整體性好,而且減少了零部件的數量及接頭等緊固件,節省了原材料、工時和模具費用,降低了制造成本,縮短了生產周期。

    5.3.3.2 SMC成型加工技術的綠塑創新驅動

     SMC經常被用作模壓復合材料制品的半成品。SMC成型工藝是將碳纖維片材按制品尺寸、形狀及厚度等要求裁剪,然后將多層片材疊合后放入金屬模具中進行加熱、加壓成型的方法。該工藝成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩定性好,適于大批量生產,性價比較高。SMC工藝的成功開發和機械化模壓技術的應用使復合材料在汽車工業上的用量年增長率達到25%。SMC已被廣泛應用于發動機罩、導風罩、氣門罩殼、水箱部件、發動機隔音板、加熱蓋板、氣缸蓋、進氣支管、出水口外殼、水泵和燃料泵等汽車制件。

    戴姆勒克萊斯勒公司開發的采用重疊加料來混合碳纖維和玻纖SMC材料的技術。采用含有55%無規則短切碳纖維的乙烯基酯SMC2mm厚度的左右防護板支架,取代了15~20個金屬零件,使重量減輕了40磅前端的剛度提高了22%。

    麥格納國際公司的分部麥格納外殼公司開發了CFS—Z碳纖維片狀模塑料, 采用獨特的配方和生產技術,麥格納已能夠將碳纖維加工和技術延伸到車身外部壁板。通過采用先進材料持續開發汽車零部件和系統,使麥格納能夠幫助其客戶滿足汽車和卡車燃油經濟性和排放標準。麥格納外殼公司于2014年3月28日宣布,將為二款2016年型的汽車提供由碳纖維復合材料制造的汽車車身壁板。  

    5.3.3.3 碳纖維增強熱塑性復合材料件的熱壓成型技術的綠塑創新驅動

    通用公司與日本帝人合作開發熱塑性碳纖維復合材料零部件60s 內熱沖壓成型技術,計劃用于2015 年以后上市的面向普通客戶的主力車型沖壓成型熱可塑性樹脂可采用PP(聚丙烯)及PA(聚酰胺)等。碳纖維含浸而成的中間材料的基材(基片)方面,準備了碳纖維單向定向排列的單向性基材、以及所有方向的強度都相等的等向性基材2種。以往的熱碳纖維增強熱塑性復合材料件進行接合時,要使用螺栓。熱塑性碳纖維增強熱塑性復合材料件,通過加熱即可使部件間相互熔接,解決了用螺栓接合時接合部位會產生振動以及龜裂的難題。成型的輕型車車體骨架,重量降低到了采用鋼板時的約1/5

    中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位研制出具有完全自主知識產權的連續碳纖維復合材料快速熱壓成型成套裝備,能夠實現連續碳纖維復合材料汽車部件的自動化制備,效率達到56件/天,并分別采用APA6及PCBT熱塑性單體經原位聚合成型制備出大尺寸復合材料汽車底板。該項目突破了碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型關鍵技術,在復合材料體系、熱壓成型工藝、液態成型工藝、設計技術、連接技術以及關鍵裝備等方面取得重要進展。2014年4月26日,通過了由中國科學院科技發展促進局組織專家對中科院寧波材料技術與工程研究所、化學研究所等單位聯合承擔的中國科學院知識創新工程重要方向項目“碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型技術研究”的現場技術驗收。

    5.3.3.4 碳纖維復合材料注塑成型技術的綠塑創新驅動

        注塑碳纖維復合材料的構件,同比玻璃纖維復合材料的重量可降低25%,而強度可提高約2倍。碳纖維復合材料實現注塑成型是碳纖維復合材料的重大科技進步,也是實現某些碳纖維復合材料件低成本批量化、擴大應用范圍的科學發展。

    5.3.3.4.1 注塑成型的碳纖維復合材料工程的綠塑創新驅動[7]

    碳纖維復合材料的注塑成型取決于碳纖維復合材料注塑原料的開發。 碳纖維熔點在3000左右,本身不可注塑加工,只有碳纖維填充的塑料才可以注塑加工。碳纖維復合材料中碳纖維作為增強填充物,碳纖維的長度不超過2mm,可用成本較低的大絲束碳纖維,以降低原料成本。

    目前,碳纖維價格昂貴,以科學經濟的技術,加強碳纖維復合材料性能的研究,發揮碳纖維的最大效能,提高碳纖維復合材料件的力學性能,是碳纖維復合材料綠塑創新驅動的重點之一。按基體塑料的類型分為熱塑性和熱固性。

    1碳纖維增強熱塑性碳纖維復合塑料

    以熱性塑料為基體、短碳纖維為增強分散質。碳纖維增強熱塑性塑料易于成型加工及回收循環應用,強度與剛性高,蠕變小,熱穩定性高,線膨脹系數小減摩耐磨,不損傷磨件,阻尼特性優良。近年來,以熱塑性樹脂為基體的纖維增強熱塑性復合材料發展迅猛, 在世界范圍內正掀起一股研究開發此類高性能復合材料的高潮。

    典型的熱塑性碳纖維復合材料的注塑原料為碳纖維+PPS美國復合材料生產商RTP公司成功推出一款新型碳纖維復合熱塑性工程塑料,該復合工程塑料基體由PEEK(聚醚醚銅)、高性能PPA、PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亞胺)多種工程塑料樹脂復合而成,碳纖維的含量為20-40%,將耐高溫聚合物與纖維增強型材料有機結合,使新一代工程塑料的性能不但具備工程塑料所需的高抗沖擊性的機械性能,還繼承了碳纖維低密度、耐腐蝕、易成型的優良性能。2013年10月,帝人公司宣布推出P系列熱塑性顆粒材料適用于復雜部件的注塑成型。2013年10月,東麗公司宣布推出新的碳纖維增強的聚苯硫醚(PPS)熱塑性注塑顆粒材料,該材料改進了碳纖維和PPS塑料接觸面的粘結性,提高了抗拉強度,使用該材料制備CFRTP部件,其抗拉強度與鋁鑄件相當,質量卻輕了近45%。

    熱塑性樹脂具有樹脂價格便宜且生產效率高的特點。熱固性CFRP的代表性成型方法之一是RTMResin Transfer Molding,樹脂傳遞成型)法,這種方法的節拍時間最短也要幾分鐘。而對于熱塑性CFRP的片材,只要事先預熱,用1分鐘左右的節拍時間即可沖壓成型。由于汽車組裝工廠的節拍時間約為1分鐘,因此使用熱塑性CFRP可實現同步生產。熱塑性CFRP技術不僅可用于超級跑車等部分高檔車,而且還可用于大量生產車型。

    2)熱固性碳纖維復合塑料

    以熱固性塑料為基體,碳纖維為增強分散質以碳纖維及其織物為分散質的纖維增強塑料。碳纖維及其織物與環氧、酚醛等樹脂制成的復合材料具有強度高、模量高、密度小、減摩耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、熱膨脹系數小、導熱率大,耐水性好等特點。聚丙烯腈基碳纖維增強熱固性樹脂復合材料指的是由碳纖維作增強體,熱固性樹脂作為基質的一類復合材料,是目前使用最為廣泛的樹脂基復合材料。

    由于工裝模具成本低,熱固性材料系統對產量較低的應用來說具有一定的優勢。這種常常是新一級別車型、特種車輛或基于已有平臺的改款車的首選。由于樹脂固化時間長,整個周期時間也就相應延長,因此將其應用到高產量車輛上,其成本便會讓人望而卻步。

    固性碳纖維復合塑料制件回收應用的技術尚須創新。

    3)碳纖維復合材料性能研究的綠塑創新驅動

    強碳纖維復合材料性能重點研究下述方面:

    碳纖維復合材料性能與基體塑料之間的關系;碳纖維填充率與碳纖維復合材料性能之間的關系;碳纖維長度與碳纖維復合材料性能之間的關系;碳纖維分布率及去向與碳纖維復合材料件性能之間的關系;成型工藝與碳纖維分布率及去向之間的關系;復合填充與碳纖維復合材料性能之間的關系。

    5.3.3.4.2 碳纖維復合材料注塑技術的綠塑創新驅動 

    制品設計。碳纖維復合材料的注塑制品二次加工比較困難,比如在成型產品上鉆孔,普通的鉆頭,鉆幾個孔,鉆頭就磨損了。所以在注塑設計時要避免二次機加工。

    高耐磨注塑螺桿。碳纖維復合材料塑化對螺桿磨損增大,螺桿壽命有所減短。螺桿設計的剪切性能不要太強,防止破壞碳纖維的長度影響材料性能;螺桿的混煉性能應加強,以提高熔融質量

    成型模具。碳纖維成型時模具中使用的脫模劑,會使注塑時碳纖與塑料不能粘接,改良碳纖維成型的工藝,在碳纖維成型過程中,不使用脫模劑,使碳纖維復合塑料構件表面成型后無脫模劑殘留。碳纖維復合塑料的流動性下降,在注塑時須相應提高注射溫度。

    5.3.3.4.3 高光無痕注塑成型技術應用于碳纖維復合材料汽車件成型綠塑創新驅動 

    提高碳纖維復合材料注塑構件的表面質量是注塑構件的技術重點。高光無痕模具是一種以高溫蒸汽作為加熱介質,通過急冷急熱控制系統控制模具溫度。普通的注塑成型技術,成型的碳纖維復合塑料構件的外觀不是很好,而采用高光無痕注塑成型技術,由于模具表面高溫,使成型材料表面結晶比率增加,提高表面效果非常好。

    5.3.3.5  3D打印成型技術應用于碳纖維復合材料汽車件成型的綠塑創新驅動

       3D打印(3D printing)打印技術出現在20世紀90年代中期,是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術,之前這項技術只用于軍事、醫療等領域,而近些年,3D打印技術已經走進了汽車領美國LocalMotors公司與辛辛那提股份有限公司(CincinnatiIncorporated)、橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory)以及SABIC通力合作,攜手研發了大尺寸增材制造(BAAM)機器加工SABIC材料并打印聚合物組件, SABIC的創新材料和加工知識,融合先進增材制造技術,解決創新成本過高的難題其速度不僅比現有的增材制造機器快200-500倍,制造出的零部件的尺寸同時也大了10

    3D打印在汽車行業應用的價值主要還是體現在設計與研發階段,能更好縮短設計與研發的過程,通過3D打印技術可以提高新車和零部件的設計與開發的效率,將設計師的理念更迅速轉化成現實產品,特別是設計外觀方面,至少比圖紙來得直觀、可以觸碰,降低整體的開發成本;部分汽車零部件可以通過此類方式來降低損耗達到環保;整合汽車零部件數量,減少加工量,實現低碳排放型、清潔化制造加工。國際汽車制造巨頭,諸如福特本田、寶馬、大眾、現代等公司的研發設計部門都已經使用3D打印機來打印相關的零件做驗證甚至是打印一臺完整的車來驗證車輛的空氣動力學特性等重要參數;利用3D打印來改善制造環節,例如縮短生產時間、加速開發新型方向盤和儀表面板、定制概念車。

    實現從打印模型到打印產品實際的質的飛躍。3D打印汽車之父的美國人JimKor2013年初,世界首款3D打印混合動力汽車Urbee 2面世,絕大多數零部件來自3D打印。美國Local Motors 公司與辛辛那提股份有限公司(Cincinnati Incorporated)、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)以及SABIC 通力合作,攜手研發IMTS 2014 上全世界首款3D 打印汽車Strati 所需的技術和材料,在美國芝加哥2014年國際制造科技大展(IMTS) 上推出了全球首款3D打印電動汽車“Strati”,車重1200磅,寬近2m,長1.9m,全身材質為碳纖維復合塑料、塑料,只有40個零件,整個車體打印時間44h,從在展場打印到組裝完工,僅需不到五天時間。依靠電動能源,充一次電花費3.5小時,可以行駛大約100公里最高時速可以達到80公里每小時。

    3D打印汽車實現汽車個性化。未來,汽車工業將進入個性化生產時代,即產品將按照個別消費者的需要和喜好而度身訂造。傳統的汽車制造,模具占汽車制造成本的很高比例,不可能實現個性化。3D打印汽車圓了時尚人的只能在哆啦A夢動畫片里才能見到“特殊汽車”的夢隨著3D打印的發展,我們很快便可見到款式更多樣化的汽車陸續在市場推出;塑料的多面性和靈活性,讓汽車廠商能基于同一款車和同一套零部件,配以不同的汽車外殼,迎合消費者的個人口味,此舉亦可同時減低廠商研發新型號汽車的成本。

    3D打印汽車領域工業化應用,其中關鍵是涉及到高強度、高剛度的3D打印的碳纖維復合塑料原料的復合技術和應用技術的開發。

    未來3D打印汽車還會在動力、工藝、續航里程、車型等細節上再次突破Local Motors公司正在研究用3D打印機打印出更大的汽車,到時候,3D打印版的SUV、MPV、跑車出現在人們的視野里也不是沒有可能。

    5.3.3.6 碳纖維復合材料件的高速高效的浸漬成型技術的綠塑創新驅動

    間隙浸漬成型技術。德國公司BREYER 發布了一種帶有新的模具技術的間隙浸漬機這種新技術可以在15 分鐘內生產出CFRP 汽車前箱蓋板。Plasan Carbon Composites公司是美國唯一的豪華轎車CFRP車體面板一級供應商,同時自身擁有可將CFRP部件的生產成型時間縮短至17 min的技術。

    預浸料壓縮模塑法。日本三菱麗陽公司開發的預浸料壓縮模塑法,采用熱固性環氧樹脂 (固化時間2~5min)預浸料預先成型坯,在模具加熱后用高壓機( 壓力2.9~9.8MP a )進行成型的方法。成型周期約10min,面向汽車部件批量生產成為可能。另外,由于高溫高壓壓力,所以制品表面平滑性很高,優美涂裝是可能的,作為A級外板利用也是可行的。    

    5.3.3.7 熱固性碳纖維復合材料件的連接技術的綠塑創新驅動

         材料連接:碳纖維復合材料屬于脆性材料,機械連接會產生應力集中,造成多種形式的失效,需要充分考慮復合材料連接部位的力學分布情況,設計連接位置及強度,另外碳纖維具有導電性能,與金屬部件連接會產生電化學腐蝕,造成結構失效,需要研究合適的膠接或機械連接材料,達到最好的裝配性能碳纖維復合材料件的連接需要充分考慮連接部位的力學分布情況,科學設計連接位置及型式,以保證成型件的強度不被破壞。

    加熱加壓連接法。碳纖維具有導電性能,與金屬部件連接會產生電化學腐蝕,造成結構失效,需要研究合適的膠接或機械連接材料,達到最好的裝配性。研發集熱板熔融、震動熔融、超音波熔融等為一體的加熱和加壓連接法,實現連接部位一體化的同時增加接合部的纖維體積分數,提高強度,避免容易對CFRTP材料產生結構損傷的鋼焊接技術。

    粘結劑。陶氏汽車系統創新BETAFORCE結構膠解決方案助力寶馬i3打造全碳纖維復合材料車身,保證膠層的連續發布,粘合面之間持續、緊密的結合,晾膠時間可根據安裝需求進行調節。

    連接結構。戴姆勒克萊斯勒公司在對各種重疊加料安排進行試驗后,設計了一種結構完善的連接界面,即使一次CF-SMC加料的末端夾心在兩次CF-SMC加料的末端之間,這很像一個舌榫接頭。搭接的長度為4in,尺寸更小,重量減輕6.5lb,同時又使門的凹處的剛度提高了2倍。

    5.3.3.8碳纖維復合材料件的表面涂裝技術的綠塑創新驅動

    碳纖維復合材料件的表面的光潔度,需要涂裝才能提高。澳大利亞公司Quickstep正在快速跟蹤其一項專利的噴射樹脂技術的商業化該技術可以讓碳纖維復合材料汽車面板在幾分鐘內就快速生產出來,并且成本低,從模具出來就具有較高的表面質量。

    5.3.3.9 碳纖維復合材料件的批量化高速成型技術的綠塑創新驅動

    成本是碳纖維應用的最大阻礙,包括材料的成本部件制造的成本裝配的成本車輛裝配因此改變而帶來的成本,以及涂裝系統因此改變而帶來的成本。

    碳纖維復合材料件批量化生產是走向低成本化的發展方向。批量化涉及到碳纖維復合材料的種類及技術,成型設備及技術的開發。奔馳與日本東麗成立合資公司,開發短循環 RTM技術,為戴姆勒公司轎車提供大批量生產的CFRP 部件。日本帝人公司正和通用汽車以及其他汽車生產商合作,開發快速批量化生產的碳纖維復合材料部件,且生產周期不到1 分鐘。日本三菱麗陽成立合資公司,采用碳纖維車量產i3身;福特與陶氏化學合作,計劃2015 年開始在福特新車上批量采用碳纖維零部件,2020 年起大面積使用,最大能夠減輕車重340kg 

    5.3.4 碳纖維復合材料工程綠塑創新驅動的科學發展方向

    隨著汽車領域對碳纖維復合材料的不斷研究和應用,輕質、高強的碳纖維復合材料應用成本下降,碳纖維復合材料零部件的應用會越來越廣泛。

    中國汽車制造業發展很快,但在應用碳纖維復合材料于汽車工業,遠遠落后于日本、歐美等工業發達國家,形成汽車“大國”,而非“強國”。汽車新一輪的革命,其中最突出的標志是碳纖維復合材料的應用。可以預測,誰引領碳纖維復合材料應用技術,誰就引領汽車的發展方向,誰就有汽車發展的話語權。

    設計能力綠塑創新:碳纖維復合材料可設計性強,零部件集成設計能力、碳纖維復合材料鋪層設計能力(包括鋪層數量、角度、層間結合方式)等都需要大量的經驗積累,才能最大限度的發揮碳纖維復合材料的優勢

    成型工藝的綠塑創新。碳纖維通常經過編織- 鋪貼- 與樹脂浸潤- 高溫成型,耗費大量勞力且生產效率較低,還需進一步優化工藝或研究新的工藝,縮短加工周期

    碳纖維復合材料差異化。201310月,帝人宣布推出全新品牌CFRTPSereebo®,包括種系列中間材料。其中U系列(單向中間材料)可提供高定向強度;I系列(各向同性中間材料)可保證CFRTP制品形狀的均一和多方向上的高強度;P系列(熱塑性顆粒材料)適用于復雜部件的注塑成型,為將來在汽車上的全面應用做鋪墊。

    碳纖隨著汽車制造商應用面和數量的產能增加,其生產成本預計在未來35年內顯著降低,我們不能等其價格降低了而開發應用,現在應積極投入開發研究,才能不落后于國際汽車制造的同行。

    低成本工業用普通模量級(12K碳纖維的開發。堅持自主創新是發展我國碳纖維的唯一出路。我國除了華皖碳纖維及少數科研院所具有完整的產業鏈外,絕大部分企業僅僅具有部分碳纖維及其制品的生產工藝。

    5.3.5 碳纖維復合材料汽車領域應用展望

    目前,碳纖維的高價格阻礙了目前在汽車領域的大面積應用。在未來10 年里,碳纖維復合材料構件的成本有望下降70%。

     寶馬和西格里將聯合投資1億歐元以上,用以將碳纖維的年產量由目前的3000噸倍增至6000噸。西格里公司一名高管認為,未來幾年中用于汽車的碳纖維零部件的生產成本有望得到大幅縮減,使得該材料成為一種能夠替代傳統鋼鐵或鋁材料的新的標準材料。西格里技術與創新負責人Hubert Jaeger認為,目前輕質碳纖維零部件的平均成本為100歐元/千克,其中每千克的材料成本與制造成本分別為20歐元和80歐元,未來碳纖維材料的制造成本有望被削減九成,從而將其整體成本降至30歐元/千克以下。陶氏化學公司正在研發使用聚烯烴(如聚乙烯、聚丙烯)作為前軀體生產碳纖維,因為聚烯烴有可能將轉化率提高至70%75%。如果物理性能能夠達標,預計到2017在試線生產規模下成本可降至11美元/千克。

    發展汽車碳纖維復合材料項目,不但可以提高碳纖維產品的附加值,還可通過延伸碳纖維產業鏈,實現碳纖維產品從上游到下游的生產、研發一體化,提高汽車產業鏈的競爭實力。

    5.4 纖維復合材料注塑技術的綠塑創新驅動的重點

    纖維復合材料注塑應用越來越廣泛。纖維在注塑成型過程中,纖維的取向、分布的均勻度、殘余長度熔接痕形貌、表面浮纖等直接影響到制品的力學性能及表面質量,這些要素都與注塑技術相關。實現上述要素最佳的性能,綠塑創新注塑技術,達到降低玻璃纖維的填充率又得到制品理想的力學性能。

    注塑技術研究重點:螺桿和噴嘴的構型、注塑技術參數與制品的纖維殘余長度分散性以及制品力學性能之間的關系;成型過程中的纖維取向、熔接痕形貌、表面浮纖等的變化規律模具溫度制品的表面質量之間的關系

    加強注塑工藝與制品力學性能、表面質量之間內在要素的研究,提高綠塑創新的科技含量。例如,吳新明等[8]通過對長玻纖增強注塑聚醚醚酮復合材料加工工藝與力學性能的研究,出冷卻速率、成型壓力、成型溫度及模具溫度對復合材料的力學性能及外觀的影響非常重要。當模具溫度為1800C,注塑機料筒溫度為前段溫度3750C,中段溫度4250C,后段溫度4250C,注射壓力120MPa,保壓100MPa,背壓0.5MPa,冷卻速率為中速時,PEEK復合材料微觀形貌斷面規整,PEEK與玻纖結構緊密,制品力學性能優良,表面光滑,顏色正常,其綜合性能最佳。

    提高設備的運行穩定性及控制精度,穩定制品質量。例如,注塑速率波動,長纖維在噴嘴和流道出的剪切速率發生變化,纖維平均長度發生變化,制品的彎曲、拉伸、沖擊等力學性能發生變化。

    注塑模擬軟件開發及應用。模擬注塑參數對纖維的分布、長度等主要參數的變化趨勢,預測制品的力學性能,提高生產效率。通過模擬注塑參數設定實際工藝參數,通過對制品的力學性能的測試,修正實際工藝參數。

    線配混的擠注復合注射技術。擠出機的塑化混煉的優異性能,與注射結合起來,組成在線混煉擠注復合系統。在線配混注射,混煉螺桿擠出機在工作中是連續穩定運轉的,克服了普通注塑機中由于螺桿的啟停和有效長度的變化而引起物料塑化和混煉質量差異這一缺陷。纖維通過螺桿的旋轉帶入到均勻混合好的聚合物熔體中,不需要經歷與固態塑料顆粒的摩擦和擠壓過程,減少了纖維在固體輸送和熔融過程中的損傷折斷,使配混過程相對比較溫和,保證了制品中的纖維最大長度,纖維的增強功能得到充分發揮。用戶可以根據需求,配混纖維比率。有利于以較小的纖維的配混率達到制品的強度和剛度,節約價格昂貴的纖維,降低制品成本。

    三菱重工塑料技術公司(Mitsubishi Heavy Industries Plastic Technology)在2014年日本國際塑料機械展覽會(IPF Japan上宣布,開發出了在即將成型的瞬間添加玻璃纖維及碳纖維等纖維,能夠以纖維長度較長的狀態來成型的射出成型機。 以前,要想以纖維較長的狀態進行射出成型,一般會使用混入了較長纖維的樹脂顆粒作為成型材料。而三菱重工塑料此次開發的射出成型機則是使用沒有添加強化纖維的樹脂顆粒,在顆粒于成型機內熔化的階段,添加作為強化纖維的纖維束。這樣便可省去制造長纖維顆粒的工序,大幅削減材料成本。 三菱重工塑料將在已有的射出成型機“eM”系列中增加混入纖維的機構,并備獨創形狀的螺桿。利用新開發的成型機制造的成型品的強度與原來使用長纖維顆粒時相比,為同等或以上水平。采用的樹脂為聚丙烯和聚酰胺,纖維可使用玻璃纖維和碳纖維。設想用于汽車的后門內板、儀表板、油箱罩、翼子板及車頂等大型部件的成型用途。

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