汽車用先進復(fù)合材料的低成本技術(shù)

胡婷婷

摘 要： 輕量化是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑，先進復(fù)合材料為汽車輕量化提供了重要材料基礎(chǔ)。復(fù)合材料低成本高效率成型技術(shù)是制約汽車復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸，本文圍繞這一瓶頸技術(shù)進行分析討論，從材料體系和成型工藝兩個方面剖析了復(fù)合材料低成本高效率制造的可行技術(shù)途徑。文中指出要充分利用汽車零部件在結(jié)構(gòu)和性能要求上的差異性，結(jié)合復(fù)合材料自身和成型工藝的可設(shè)計性，最終達到低成本高效率的制造要求，推動汽車復(fù)合材料的批量化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 先進復(fù)合材料 汽車輕量化 快速成型 低成本

前 言

先進交通工具是社會文明與進步的主要標志之一，從汽車、輪船、飛機到航天飛行器，每一個都代表人類智慧的結(jié)晶，新材料是支撐這些“結(jié)晶”不斷進步與發(fā)展的關(guān)鍵。本文分析了制約汽車用復(fù)合材料規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵因素，從材料體系和成型工藝兩個方面剖析了復(fù)合材料低成本高效率制造的可行技術(shù)途徑。

1先進復(fù)合材料與汽車輕量化

作為石油消耗和尾氣排放的主要實體，降低排 放和油耗是汽車工業(yè)最具挑戰(zhàn)性的目標之一。輕量化技術(shù)是提高燃油效率的根本途徑，是降低排 放和油耗的關(guān)鍵。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車 每減重 10% ，油耗可降低 6% ～ 8% ，排放降低 5% ～6% ，而燃油消耗每減少 1L，CO2 的 排 放 量 減2.45kg。輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車行業(yè)追求的關(guān)鍵技術(shù)之一，是引領(lǐng)未來發(fā)展的技術(shù)制高點。碳纖維復(fù)合材料沒有在汽車上批量化應(yīng)用的主要原因有兩個。首先是碳纖維復(fù)合材料成本高，難以向大眾化汽車推廣。復(fù)合材料的制造成本高也是復(fù)合材料高成本的主要原因。第二， 復(fù)合材料成型周期長。但是，隨著新材料和新型復(fù)合化技術(shù)的不斷涌 現(xiàn)，相信這一問題會逐步得到解決。

2復(fù)合材料低成本技術(shù)

2.1 增強材料低成本技術(shù)

（ 1） 低成本碳纖維原絲及制備技術(shù)

為了降低碳纖維成本，世界著名的碳纖維企業(yè)和科研機構(gòu)都在大力發(fā)展低成本碳纖維技術(shù)。首先，研究發(fā)展廉價原絲技術(shù)，高性能碳纖維中原絲成本占到約 40% ～ 60% ，降低原絲成本是降低碳纖維價格的有效方法，看美國橡樹嶺國家實驗室在美國 能源部的支持下，正在進行以木質(zhì)素為前驅(qū)體制備碳纖維原絲的技術(shù)，已經(jīng)研制出了實驗室制品，但還不具備批量化生產(chǎn)的條件； 其次，開發(fā)新的預(yù)氧化工藝。預(yù)氧化約占碳纖維成本的 15% ～ 20% ，而且時間較長。目前研究方向主要是采用新的預(yù)氧化技術(shù)降低成本，縮短預(yù)氧化工序時間，如采用等離 子體技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低溫預(yù)氧化技術(shù)； 第三，研究發(fā)展新的碳化技術(shù)。碳化工序約占碳纖維總成本的25% ～ 30%，而且對碳纖維的質(zhì)量影響較大。美國橡樹嶺國家實驗室采用微波碳化技術(shù)取得了很好的效果，是今后發(fā)展的方向。

（ 2） 大絲束碳纖維技術(shù)

小絲束（ 24K 以下） 碳纖維多年來一直是航空、航天、國防工業(yè)的首選增強材料。大絲束碳纖維（ 48K ～ 480K） 雖然早在七十年代初即已出現(xiàn)，但由于性能一直比較低，九十年代中期以前的抗拉強度徘徊在 2000MPa 左右，因此始終沒有得到重視。隨著大絲束碳纖維技術(shù)取得重大突破，力學(xué)性能顯著提高，但是，大絲束碳纖維復(fù)合材料的成型工藝目前還不成熟，需要進行深入研究。

2.2 制造工藝低成本

制造成本是復(fù)合材料成本的重要組成部分，主要由兩方面構(gòu)成。一是源于熱壓罐、自動鋪層等成 型設(shè)備價格昂貴，二是因為復(fù)合材料較長的成型時 間，造成人力物力的消耗。解決辦法也是從這兩方面著手，一是采用非熱壓罐工藝，比如液體成型工藝 （ LCM） ，熱壓成型工藝等。當(dāng)然無論液體成型工藝還是熱壓成型工藝，都需要發(fā)展相應(yīng)的原材料技術(shù)， 比如液體成型工藝需要有相應(yīng)的低粘度樹脂，而熱壓工藝需要有合適的預(yù)浸料產(chǎn)品。二是改變增強織物的結(jié)構(gòu)，采用編織技術(shù)制備多軸向多層縫編織物。這種織物由多層排列方向不同的單向纖維織物經(jīng) Z 向縫編而成，厚度大，層間性能高，可以顯著提高鋪 層效率，縮短操作周期，從而降低制造成本。但這種 增強織物的結(jié)構(gòu)、性能以及和樹脂的復(fù)合技術(shù)還有待進一步研究。

3復(fù)合材料快速成型技術(shù)

3.1 快速成型樹脂體系

（ 1） 快速固化熱固性樹脂

對于熱固性復(fù)合材料，成型過程中樹脂基體的 固化時間以小時為單位，即使不計其它成型時間，單是幾個小時的固化，汽車工業(yè)都是不可能接受的。因此對于熱固性復(fù)合材料，必須研發(fā)快速固化樹脂體系，將固化時間降低到以分鐘或秒為單位。

（ 2） 快速開環(huán)聚合環(huán)狀熱塑性樹脂

熱塑性樹脂因為具有快速定型和回收再利用這兩大優(yōu)點，人們一直希望能在汽車領(lǐng)域大量使用，尤其是以連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件使用。我們并不缺少非連續(xù)纖維增強復(fù)合材料快速成型技術(shù)，比如注射成型（ IM） 、在線成型長纖維增強熱塑性復(fù)合材料（ D-LFT） 、玻璃纖維氈增強熱塑性復(fù)合材料（ GMT） 等。最關(guān)鍵的問題是，當(dāng)制備連續(xù)纖維增強的熱塑性復(fù)合材料時，傳統(tǒng)的高效率熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)都失靈了。因為熱塑性樹脂較高的熔融粘度使纖維和樹脂難以快速浸潤復(fù)合，同時也存在鋪層效率低的問題。

3. 2 熱壓成型工藝

熱壓成型技術(shù)是傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝。它 以預(yù)浸料或模塑料為成型坯材，使疊層毛坯在壓熱 作用下塑化、流動并充滿模腔，最后定型得到制品。熱壓成型實現(xiàn)快速制造的關(guān)鍵是成型坯料。對于以熱固性樹脂為基體的預(yù)浸料，預(yù)熱溫度下樹脂基體應(yīng)具有一定流動性，預(yù) 浸料易于受壓賦型，而在高溫下又能夠快速固化。針對快速模壓成型，美國 Hexcel 公司開發(fā)了快速固化預(yù)浸料。據(jù)介紹，該預(yù)浸料可以實現(xiàn) 150℃ 下2min固化。而對于熱塑性樹脂為基體的預(yù)成型體，熱壓成型更是最佳成型方式，關(guān)鍵在于預(yù)浸料的制備。熱壓成型工藝的缺點是不能成型具有復(fù)雜形狀的制品，而且對預(yù)成型品纖維和樹脂的浸漬質(zhì)量要求較高。

4總 結(jié)

本文圍繞汽車用復(fù)合材料低成本高效率制造技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外研究進展，進行了分析討論。汽車零部件多種多樣，不同的應(yīng)用部位有不同的性能要求。總之，要充分利用汽車零部件在結(jié)構(gòu)和性能要求上的差異性，結(jié) 合復(fù)合材料自身和成型工藝的可設(shè)計性，最終達到低成本高效率的制造要求，推動汽車復(fù)合材料的批量化應(yīng)用。

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