汽車用先進復合材料的低成本技術

胡婷婷

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

關鍵詞： 先進復合材料 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晶，新材料是支撐這些“結晶”不斷進步與發展的關鍵。本文分析了制約汽車用復合材料規模化應用的關鍵因素，從材料體系和成型工藝兩個方面剖析了復合材料低成本高效率制造的可行技術途徑。

1先進復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最具挑戰性的目標之一。輕量化技術是提高燃油效率的根本途徑，是降低排 放和油耗的關鍵。世界鋁業協會的報告指出，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。輕量化技術已經成為汽車行業追求的關鍵技術之一，是引領未來發展的技術制高點。碳纖維復合材料沒有在汽車上批量化應用的主要原因有兩個。首先是碳纖維復合材料成本高，難以向大眾化汽車推廣。復合材料的制造成本高也是復合材料高成本的主要原因。第二， 復合材料成型周期長。但是，隨著新材料和新型復合化技術的不斷涌 現，相信這一問題會逐步得到解決。

2復合材料低成本技術

2.1 增強材料低成本技術

（ 1） 低成本碳纖維原絲及制備技術

為了降低碳纖維成本，世界著名的碳纖維企業和科研機構都在大力發展低成本碳纖維技術。首先，研究發展廉價原絲技術，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，正在進行以木質素為前驅體制備碳纖維原絲的技術，已經研制出了實驗室制品，但還不具備批量化生產的條件； 其次，開發新的預氧化工藝。預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氧化技術降低成本，縮短預氧化工序時間，如采用等離 子體技術代替傳統的低溫預氧化技術； 第三，研究發展新的碳化技術。碳化工序約占碳纖維總成本的25% ～ 30%，而且對碳纖維的質量影響較大。美國橡樹嶺國家實驗室采用微波碳化技術取得了很好的效果，是今后發展的方向。

（ 2） 大絲束碳纖維技術

小絲束（ 24K 以下） 碳纖維多年來一直是航空、航天、國防工業的首選增強材料。大絲束碳纖維（ 48K ～ 480K） 雖然早在七十年代初即已出現，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取得重大突破，力學性能顯著提高，但是，大絲束碳纖維復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

制造成本是復合材料成本的重要組成部分，主要由兩方面構成。一是源于熱壓罐、自動鋪層等成 型設備價格昂貴，二是因為復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。當然無論液體成型工藝還是熱壓成型工藝，都需要發展相應的原材料技術， 比如液體成型工藝需要有相應的低粘度樹脂，而熱壓工藝需要有合適的預浸料產品。二是改變增強織物的結構，采用編織技術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 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 增強織物的結構、性能以及和樹脂的復合技術還有待進一步研究。

3復合材料快速成型技術

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，汽車工業都是不可能接受的。因此對于熱固性復合材料，必須研發快速固化樹脂體系，將固化時間降低到以分鐘或秒為單位。

（ 2） 快速開環聚合環狀熱塑性樹脂

熱塑性樹脂因為具有快速定型和回收再利用這兩大優點，人們一直希望能在汽車領域大量使用，尤其是以連續纖維增強熱塑性樹脂復合材料作為結構件使用。我們并不缺少非連續纖維增強復合材料快速成型技術，比如注射成型（ IM） 、在線成型長纖維增強熱塑性復合材料（ D-LFT） 、玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（ GMT） 等。最關鍵的問題是，當制備連續纖維增強的熱塑性復合材料時，傳統的高效率熱塑性復合材料成型技術都失靈了。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

熱壓成型技術是傳統的復合材料成型工藝。它 以預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。熱壓成型實現快速制造的關鍵是成型坯料。對于以熱固性樹脂為基體的預浸料，預熱溫度下樹脂基體應具有一定流動性，預 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 公司開發了快速固化預浸料。據介紹，該預浸料可以實現 150℃ 下2min固化。而對于熱塑性樹脂為基體的預成型體，熱壓成型更是最佳成型方式，關鍵在于預浸料的制備。熱壓成型工藝的缺點是不能成型具有復雜形狀的制品，而且對預成型品纖維和樹脂的浸漬質量要求較高。

4總 結

本文圍繞汽車用復合材料低成本高效率制造技術，結合國內外研究進展，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構和性能要求上的差異性，結 合復合材料自身和成型工藝的可設計性，最終達到低成本高效率的制造要求，推動汽車復合材料的批量化應用。

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