新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)

王邦延 黃新月 呂應(yīng)歡

摘 要：我公司在自主研發(fā)的同時(shí)，依托梅啟林教授在輕質(zhì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)、研發(fā)與成型領(lǐng)域取得的研究成果作為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合萬(wàn)盛實(shí)業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)中高端乘用車箱體結(jié)構(gòu)用材料的現(xiàn)實(shí)需求，開(kāi)展“基于新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”創(chuàng)新項(xiàng)目研究。

關(guān)鍵詞：高性能復(fù)合材料;房車;研發(fā)

中圖分類號(hào)：U463.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

房車，與其他乘用車最顯著的外觀差異，就是房車都擁有一個(gè)車廂廂體。車廂廂板的整體質(zhì)量對(duì)于房車具有重要影響，其質(zhì)量越輕越好，以免出現(xiàn)小馬拉大車的情況，不僅費(fèi)油還會(huì)磨損發(fā)動(dòng)機(jī)。從安全角度講，還會(huì)增加剎車距離，同時(shí)還要還考慮到熱量傳導(dǎo)、韌性和承重力、隔音效果等等。

開(kāi)發(fā)車用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料新技術(shù)、新工藝，解決高端車型用低密度、高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)加工過(guò)程中遇到的技術(shù)瓶頸和工藝難題。該項(xiàng)目主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新主要是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高比強(qiáng)度、高比剛度和抗疲勞等高性能指標(biāo)的車用復(fù)合材料系列產(chǎn)品，滿足乘用車領(lǐng)域的高端需求。工藝創(chuàng)新則是實(shí)現(xiàn)新型輕量化高性能復(fù)合材料車身部件的綠色工業(yè)化生產(chǎn)和精密制造。

1 研發(fā)工作主要目標(biāo)及其意義

1.1 擬達(dá)到的主要目標(biāo)

①產(chǎn)品目標(biāo)：開(kāi)發(fā)出車箱用新型輕量化高性能復(fù)合材料板材系列產(chǎn)品。

②主要技術(shù)目標(biāo)：新型車用復(fù)合材料板材總體質(zhì)量減輕5%;拉伸強(qiáng)度≥70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)≤0.3 W/m·K。

1.2 項(xiàng)目實(shí)施意義

將梅啟林教授在復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)與成型領(lǐng)域取得的先進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，突破低密度、高性能、低成本復(fù)合材料制造技術(shù)，打破國(guó)外企業(yè)在高端乘用車用輕量化高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的壟斷，解決了企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)在車用高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和成型的難題，擴(kuò)大本土企業(yè)在乘用車用復(fù)合材料領(lǐng)域的市場(chǎng)份額，促進(jìn)了高新技術(shù)企業(yè)的快速成長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展。

2 研發(fā)工作具體內(nèi)容

相對(duì)于國(guó)外車用高性能復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)與成型工藝技術(shù)成熟、我國(guó)技術(shù)相對(duì)落后，還需要在低密度、高性能、低成本復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)、成型工藝與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行提升。本創(chuàng)新項(xiàng)目依托梅啟林教授在輕量化復(fù)合材料設(shè)計(jì)與成型領(lǐng)域取得的研究成果。因此萬(wàn)盛實(shí)業(yè)有限公司引進(jìn)梅啟林教授共同開(kāi)發(fā)“基于新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目。

在車用復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是需要在限定的成本空間內(nèi)進(jìn)一步降低復(fù)合材料的重量、降低導(dǎo)熱系數(shù)、提高力學(xué)性能和其它綜合性能。本項(xiàng)目擬采取碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維與玻璃纖維混雜、協(xié)同使用低密度空心微珠的方式制備輕量化高性能復(fù)合材料。項(xiàng)目主要工作內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

2.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合材料是一種多組分多相材料，不同的材料組合和不同的配方設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)出無(wú)數(shù)種性能迥異的材料。車用復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)包括基體材料、增強(qiáng)材料、功能助劑及填充材料的遴選和配方優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 復(fù)合材料板材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)中高端車型對(duì)復(fù)合材料板材低密度和高性能的要求，在材料優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)混合規(guī)律對(duì)復(fù)合材料單層進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過(guò)鋪層序列優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足要求的復(fù)合材料層合板。

2.3 輕量化高性能復(fù)合材料的成型工藝研究

輕量化高性能復(fù)合材料的連續(xù)成型工藝設(shè)計(jì)及成型工藝參數(shù)的優(yōu)化。重點(diǎn)解決低密度填料的分散、填料與纖維與樹(shù)脂的浸漬、連續(xù)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性與厚度精密控制、工藝制度的在線監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。

2.4 復(fù)合材料與制品的性能評(píng)估與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)建立

按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料的理化性能進(jìn)行檢測(cè)，采用復(fù)合材料成型數(shù)值模擬軟件對(duì)成型中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)，并用于改進(jìn)。建立高端乘用車用新型輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 研發(fā)工作關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目成功實(shí)施需解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：多組分混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計(jì);多組分、多形態(tài)復(fù)合材料成型過(guò)程中填料級(jí)配、團(tuán)聚及界面相容性解決技術(shù)。

3.1 技術(shù)路線

3.1.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維與玻璃纖維混雜在降低密度的前提下提高復(fù)合材料的力學(xué)性能;采用在復(fù)合材料體系中添加低密度無(wú)機(jī)或有機(jī)空心微珠進(jìn)一步降低復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。

按照最密實(shí)堆積理論確定空心微珠的級(jí)配和含量。

3.1.2 復(fù)合材料板材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)中高端車型對(duì)復(fù)合材料板材低密度和高性能的要求，根據(jù)混合規(guī)律對(duì)復(fù)合材料單層進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用ANSYS、

COSMOS等有限元數(shù)值化建模設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1.3 輕量化高性能復(fù)合材料的成型

以公司自行設(shè)計(jì)的連續(xù)板材生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、投料機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等進(jìn)行合理的改造，用于新型輕量化復(fù)合材料板材的生產(chǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定成型壓力、溫度、固化時(shí)間等成型工藝參數(shù)。

針對(duì)多相復(fù)合材料體系物化性能差異大、難以均勻混和的工程難題。優(yōu)選并配制具有協(xié)同作用的偶聯(lián)劑、分散劑、消泡劑組合體系，改善分散性并增強(qiáng)與聚合物的界面相容性，解決復(fù)合材料成型固化過(guò)程中填料的沉降、團(tuán)聚、攜裹氣泡、上下不均一、結(jié)合強(qiáng)度不高、抗沖擊性能差等問(wèn)題。

采用熱電偶、傳感裝置和計(jì)算機(jī)采集技術(shù)對(duì)成型工藝制度進(jìn)行優(yōu)化和在線監(jiān)控。

3.1.4 性能評(píng)估與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料的理化性能進(jìn)行檢測(cè)，采用復(fù)合材料成型數(shù)值模擬軟件對(duì)成型中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)，并用于改進(jìn)。建立高端乘用車用新型輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 技術(shù)的先進(jìn)性

（1）采用碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維與玻璃纖維混雜在降低密度的前提下提高復(fù)合材料的力學(xué)性能;采用在復(fù)合材料體系中添加低密度無(wú)機(jī)或有機(jī)空心微珠進(jìn)一步降低復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。新型車用復(fù)合材料板材總體質(zhì)量減輕5%;拉伸強(qiáng)度≥70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)≤0.3 W/m·K。

（2）針對(duì)多相復(fù)合材料體系物化性能差異大、難以均勻混和的工程難題。優(yōu)選并配制協(xié)同作用的組合體系，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)顆粒的均勻分散及其與聚合物界面的緊密結(jié)合，解決復(fù)合材料成型固化過(guò)程中的系列關(guān)鍵難題，如填料的分散性與沉降問(wèn)題、界面相容性、浸潤(rùn)性等。

（3）采用ANSYS、COSMOS等有限元數(shù)值化建模設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低冗余厚度和強(qiáng)度。

（4）采用PLAT-FORM 復(fù)合材料成型模擬軟件對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程的缺陷進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，進(jìn)而縮短試驗(yàn)周期，減少實(shí)驗(yàn)消耗，提高生產(chǎn)效率。

3.3 技術(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)

3.3.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本項(xiàng)目擬采取碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維與玻璃纖維混雜、協(xié)同使用低密度空心微珠的方式制備輕量化高性能復(fù)合材料。項(xiàng)目工作難點(diǎn)在于：一是多組分混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的配方優(yōu)化設(shè)計(jì);二是多組分、多形態(tài)復(fù)合材料成型過(guò)程中填料級(jí)配、團(tuán)聚及界面相容性解決技術(shù);三是復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3.2 輕量化高性能復(fù)合材料的綠色制造與批量生產(chǎn)

產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的生命，采用PLAT-FORM 復(fù)合材料成型數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程的缺陷進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，并對(duì)制品質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是降低殘次品率和提高生產(chǎn)效率的重要手段。

3.3.3 輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立

對(duì)標(biāo)國(guó)際同行先進(jìn)企業(yè)，建立乘用車用輕量化高性能復(fù)合材料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要保障。

4 創(chuàng)新成果的形式與水平

本項(xiàng)目創(chuàng)新產(chǎn)品主要是車用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件;通過(guò)應(yīng)用創(chuàng)新成果，使車用復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量在國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上減輕5%;拉伸強(qiáng)度由60 MPa左右提高到70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)由≥0.4 W/m·K降低到0.3 W/m·K。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。主體制造生產(chǎn)線和生產(chǎn)車間初步具備智能化自動(dòng)生產(chǎn)。企業(yè)生產(chǎn)ERP 普及率達(dá)100%，設(shè)計(jì)研發(fā)部門使用CAD/CAE 普及率達(dá)100%。企業(yè)綠色化、智能化水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析如下：

本項(xiàng)目的實(shí)施，將大力推動(dòng)公司在乘用車箱體結(jié)構(gòu)用新型輕量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研發(fā)與成型技術(shù)的發(fā)展，提升企業(yè)在行業(yè)中的影響力。本項(xiàng)目產(chǎn)品的研發(fā)成功，將增加企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，縮小與國(guó)外企業(yè)在車用復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造方面的差距，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，社會(huì)效益顯著。