汽车用先进复合材料的低成本技术

胡婷婷

摘 要： 轻量化是汽车工业可持续发展的主要途径，先进复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。复合材料低成本高效率成型技术是制约汽车复合材料发展的瓶颈，本文围绕这一瓶颈技术进行分析讨论，从材料体系和成型工艺两个方面剖析了复合材料低成本高效率制造的可行技术途径。文中指出要充分利用汽车零部件在结构和性能要求上的差异性，结合复合材料自身和成型工艺的可设计性，最终达到低成本高效率的制造要求，推动汽车复合材料的批量化应用。

关键词： 先进复合材料 汽车轻量化 快速成型 低成本

前 言

先进交通工具是社会文明与进步的主要标志之一，从汽车、轮船、飞机到航天飞行器，每一个都代表人类智慧的结晶，新材料是支撑这些“结晶”不断进步与发展的关键。本文分析了制约汽车用复合材料规模化应用的关键因素，从材料体系和成型工艺两个方面剖析了复合材料低成本高效率制造的可行技术途径。

1先进复合材料与汽车轻量化

作为石油消耗和尾气排放的主要实体，降低排 放和油耗是汽车工业最具挑战性的目标之一。轻量化技术是提高燃油效率的根本途径，是降低排 放和油耗的关键。世界铝业协会的报告指出，汽车 每减重 10% ，油耗可降低 6% ～ 8% ，排放降低 5% ～6% ，而燃油消耗每减少 1L，CO2 的 排 放 量 减2.45kg。轻量化技术已经成为汽车行业追求的关键技术之一，是引領未来发展的技术制高点。碳纤维复合材料没有在汽车上批量化应用的主要原因有两个。首先是碳纤维复合材料成本高，难以向大众化汽车推广。复合材料的制造成本高也是复合材料高成本的主要原因。第二， 复合材料成型周期长。但是，随着新材料和新型复合化技术的不断涌 现，相信这一问题会逐步得到解决。

2复合材料低成本技术

2.1 增强材料低成本技术

（ 1） 低成本碳纤维原丝及制备技术

为了降低碳纤维成本，世界著名的碳纤维企业和科研机构都在大力发展低成本碳纤维技术。首先，研究发展廉价原丝技术，高性能碳纤维中原丝成本占到约 40% ～ 60% ，降低原丝成本是降低碳纤维价格的有效方法，看美国橡树岭国家实验室在美国 能源部的支持下，正在进行以木质素为前驱体制备碳纤维原丝的技术，已经研制出了实验室制品，但还不具备批量化生产的条件； 其次，开发新的预氧化工艺。预氧化约占碳纤维成本的 15% ～ 20% ，而且时间较长。目前研究方向主要是采用新的预氧化技术降低成本，缩短预氧化工序时间，如采用等离 子体技术代替传统的低温预氧化技术； 第三，研究发展新的碳化技术。碳化工序约占碳纤维总成本的25% ～ 30%，而且对碳纤维的质量影响较大。美国橡树岭国家实验室采用微波碳化技术取得了很好的效果，是今后发展的方向。

（ 2） 大丝束碳纤维技术

小丝束（ 24K 以下） 碳纤维多年来一直是航空、航天、国防工业的首选增强材料。大丝束碳纤维（ 48K ～ 480K） 虽然早在七十年代初即已出现，但由于性能一直比较低，九十年代中期以前的抗拉强度徘徊在 2000MPa 左右，因此始终没有得到重视。随着大丝束碳纤维技术取得重大突破，力学性能显著提高，但是，大丝束碳纤维复合材料的成型工艺目前还不成熟，需要进行深入研究。

2.2 制造工艺低成本

制造成本是复合材料成本的重要组成部分，主要由两方面构成。一是源于热压罐、自动铺层等成 型设备价格昂贵，二是因为复合材料较长的成型时 间，造成人力物力的消耗。解决办法也是从这两方面着手，一是采用非热压罐工艺，比如液体成型工艺 （ LCM） ，热压成型工艺等。当然无论液体成型工艺还是热压成型工艺，都需要发展相应的原材料技术， 比如液体成型工艺需要有相应的低粘度树脂，而热压工艺需要有合适的预浸料产品。二是改变增强织物的结构，采用编织技术制备多轴向多层缝编织物。这种织物由多层排列方向不同的单向纤维织物经 Z 向缝编而成，厚度大，层间性能高，可以显著提高铺 层效率，缩短操作周期，从而降低制造成本。但这种 增强织物的结构、性能以及和树脂的复合技术还有待进一步研究。

3复合材料快速成型技术

3.1 快速成型树脂体系

（ 1） 快速固化热固性树脂

对于热固性复合材料，成型过程中树脂基体的 固化时间以小时为单位，即使不计其它成型时间，单是几个小时的固化，汽车工业都是不可能接受的。因此对于热固性复合材料，必须研发快速固化树脂体系，将固化时间降低到以分钟或秒为单位。

（ 2） 快速开环聚合环状热塑性树脂

热塑性树脂因为具有快速定型和回收再利用这两大优点，人们一直希望能在汽车领域大量使用，尤其是以连续纤维增强热塑性树脂复合材料作为结构件使用。我们并不缺少非连续纤维增强复合材料快速成型技术，比如注射成型（ IM） 、在线成型长纤维增强热塑性复合材料（ D-LFT） 、玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（ GMT） 等。最关键的问题是，当制备连续纤维增强的热塑性复合材料时，传统的高效率热塑性复合材料成型技术都失灵了。因为热塑性树脂较高的熔融粘度使纤维和树脂难以快速浸润复合，同时也存在铺层效率低的问题。

3. 2 热压成型工艺

热压成型技术是传统的复合材料成型工艺。它 以预浸料或模塑料为成型坯材，使叠层毛坯在压热 作用下塑化、流动并充满模腔，最后定型得到制品。热压成型实现快速制造的关键是成型坯料。对于以热固性树脂为基体的预浸料，预热温度下树脂基体应具有一定流动性，预 浸料易于受压赋型，而在高温下又能够快速固化。针对快速模压成型，美国 Hexcel 公司开发了快速固化预浸料。据介绍，该预浸料可以实现 150℃ 下2min固化。而对于热塑性树脂为基体的预成型体，热压成型更是最佳成型方式，关键在于预浸料的制备。热压成型工艺的缺点是不能成型具有复杂形状的制品，而且对预成型品纤维和树脂的浸渍质量要求较高。

4总 结

本文围绕汽车用复合材料低成本高效率制造技术，结合国内外研究进展，进行了分析讨论。汽车零部件多种多样，不同的应用部位有不同的性能要求。总之，要充分利用汽车零部件在结构和性能要求上的差异性，结 合复合材料自身和成型工艺的可设计性，最终达到低成本高效率的制造要求，推动汽车复合材料的批量化应用。

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