60年來汽車復(fù)合材料發(fā)展緩慢

復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)50年代。最初，該材料主要用于汽車非結(jié)構(gòu)部件（如硬質(zhì)車頂），到20世紀(jì)70~80年代，有越來越多的制造商采用熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)汽車內(nèi)飾，或用熱固性復(fù)合材料制造次結(jié)構(gòu)件（如保險杠的梁）。復(fù)合材料具有設(shè)計靈活、易成型、質(zhì)量輕及耐腐蝕等優(yōu)點，雖然其原材料和工藝成本高于鋼材和鋁，但在汽車領(lǐng)域中還是贏得了發(fā)展空間。

如今，汽車復(fù)合材料不再是一個小眾市場。據(jù)統(tǒng)計，世界平均每輛乘用車中，復(fù)合材料的用量約占車身總重量的6%，其具體比例受汽車的級別、地區(qū)和部件種類等因素的影響，例如，復(fù)合材料在豪華車中所占比例約為15%，在高端車中約為9%，在中級車中約為6%，而在入門級車輛中僅為4%。另外，75%的車輛選擇采用復(fù)合材料制造車內(nèi)儀表盤等內(nèi)飾部件。但是，復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用相對較少，目前還僅限于一些高端車型。

近些年，復(fù)合材料的回收得到了人們越來越多的關(guān)注。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料的回收難度顯著降低，因此，在現(xiàn)有復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用熱塑性材料去取代傳統(tǒng)熱固性材料的趨勢日益明顯。

2010~2015年發(fā)展趨勢

2013年4月24日，歐洲議會通過一項法律草案，要求到2020年，歐盟地區(qū)出售的新汽車平均每公里的CO2排放量要由目前的130 g減少到95g。對于那些計劃生產(chǎn)CO2排放量超標(biāo)車的歐盟廠商，該草案提出了補(bǔ)救措施，即這些廠商必須同時生產(chǎn)每公里CO2排放量低于50 g的超清潔汽車。

隨著更嚴(yán)格的排放法規(guī)即將頒布以及燃油成本的提高，整車廠對復(fù)合材料的興趣不斷增加。事實上，上述這些問題都可以通過輕量化來解決，而復(fù)合材料是輕量化發(fā)展不可或缺的組成。當(dāng)然，車輛減重并不是減少碳排放、降低燃油消耗的唯一方法。另外一種行之有效的解決方案是提高燃油效率。此方案可能成為整車廠的首選，特別是那些生產(chǎn)中級和入門級車輛的廠商。

2010~2015年，汽車復(fù)合材料用量的增加主要集中在量產(chǎn)車車身的三個領(lǐng)域：汽車底盤，車身覆蓋件和次結(jié)構(gòu)部件。其中，底盤的重量約占車身總重量的25%，是最具減重潛力的部件之一。按照預(yù)計，量產(chǎn)車領(lǐng)域復(fù)合材料用量的突破性進(jìn)展在2015年以前不會出現(xiàn)。2015年以前的這段時間里，汽車復(fù)合材料的用量會有少量增加，成本會有所下降，復(fù)合材料制造廠家和整車廠對復(fù)合材料及其相關(guān)工藝的了解將進(jìn)一步加深，同時復(fù)合材料也將開始用于一些高端車型的旗艦項目中。

2015~2020年發(fā)展趨勢

2015年以后，隨著排放法規(guī)（2020年生效）的出臺，碳纖維成本將逐漸降低，加之快速固化環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，以及工藝和自動化設(shè)備的不斷成熟，如針對熱固性復(fù)合材料快速制造開發(fā)的高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑（HP-RTM）工藝，到2020年，碳纖維復(fù)合材料的綜合性價比將優(yōu)于金屬，并逐漸取代其成為量產(chǎn)車底盤生產(chǎn)的重要材料，且使用范圍將涵蓋大多數(shù)的高端車型和少量的中級車。

熱固性復(fù)合材料HP-RTM工藝

航空工業(yè)常采用樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）工藝制造大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，以降低工藝成本。在汽車行業(yè)中， RTM工藝也應(yīng)用于零部件的生產(chǎn)，但其主要目的是為了實現(xiàn)更好的表面質(zhì)量，且該工藝通常只用于小批量生產(chǎn)的頂級轎車中。

一般，RTM工藝的注射壓力在0.6~1.5 MPa范圍內(nèi)，最高不會超過2 MPa，工藝周期約1 h。與之相比，HP-RTM工藝的注射壓力提高到1~6 MPa，工藝周期縮短為6 min。

目前，世界上HP-RTM工藝的主要設(shè)備供應(yīng)商有德國的迪芬巴赫、克勞斯瑪菲、Schuller、 Frimo以及意大利的Cannon S.p.A公司等。通常，這些設(shè)備供應(yīng)商會采取兩家公司合作的方式。對此，本文以下迪芬巴赫和克勞斯瑪菲的合作為例，對HP-RTM工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹。

迪芬巴赫和克勞斯瑪菲共同開發(fā)了HP-RTM的自動化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線包括預(yù)成型加工、壓制過程以及修整工藝。與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，此HP-RTM自動化生產(chǎn)線減少了樹脂注射次數(shù)，提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。

◆1．預(yù)制件制造過程

采用HP-RTM工藝進(jìn)行生產(chǎn)前，需要制造一個由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。在迪芬巴赫和克勞斯瑪菲的合作案例中，此預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，其具體生產(chǎn)過程是：由碳纖/玻纖制成的柔軟纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機(jī)；然后使用CNC切割技術(shù)，將纖維鋪層切割成部件加工所需尺寸（此過程通過由現(xiàn)有的CAD零件參數(shù)得到的切割程序來完成）；最后，切割成型的纖維鋪層材料被層合到一起，放置到成型單元中，以備后續(xù)加工過程使用。

此預(yù)制件的制造過程可完全實現(xiàn)自動化，使用機(jī)器人處理切割織物、纖維氈及預(yù)制件。迪芬巴赫的預(yù)制件成型中心可作為單獨的單元運行，也可與壓制工藝一起集成到產(chǎn)線中。

◆2．合模加壓過程

預(yù)制件加工完成后，進(jìn)入合模加壓階段。在此過程中，預(yù)制件將由環(huán)氧樹脂系統(tǒng)浸漬，并實現(xiàn)固化，其具體操作過程是：采用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中；然后，根據(jù)模內(nèi)壓力和部件的尺寸及復(fù)雜性，采用迪芬巴赫液壓壓機(jī)以36,000 kN的壓力完成實際的合模加壓過程。迪芬巴赫液壓壓機(jī)能在很短的建壓時間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。不僅如此，此液壓壓機(jī)內(nèi)的短沖程系統(tǒng)使壓機(jī)具有非常高的能效（與傳統(tǒng)的合模加壓技術(shù)相比，能效提高了50%）、很短的成型時間和較大的滑塊行程。

◆3．注射過程

在注射過程進(jìn)行前，需要在一個閉環(huán)過程中，在高壓條件下，對樹脂和固化劑進(jìn)行精確計量，制成一種低黏度反應(yīng)性混合物。然后，將此混合物注入到閉合的模具中。

高壓計量能縮短注射時間，提高預(yù)制件的浸潤度，使樹脂固化加快，從而縮短了生產(chǎn)周期，提高了成本效益。不僅如此，它還能帶來其他的好處，如采用該技術(shù)能在保持制品表面品質(zhì)的同時，獲得更低孔隙度等。

通過使用克勞斯瑪菲的先進(jìn)技術(shù)，注射速度可達(dá)10~200 g/s，其具體情況取決于樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計。克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了停工時間，也無需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時所用的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，在大批量生產(chǎn)時，表現(xiàn)出了突出的能效優(yōu)勢，且此優(yōu)勢已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗證。

◆ 4．修整

修整是HP-RTM工藝鏈最后步驟中的一環(huán)，此項工序包括部件的外廓修邊、增加安裝孔和嵌件開孔。在實際生產(chǎn)過程中，克勞斯瑪菲開發(fā)的訂制化解決方案被用于部件的修整，此過程以銑刀為主要工具，當(dāng)然也可以采用自動化切割臺或手提式切割機(jī)，工具的選擇主要取決于部件的尺寸及其復(fù)雜程度。在修整過程中，機(jī)器人可用于在各工藝步驟之間對零部件進(jìn)行處理。

熱塑性復(fù)合材料技術(shù)

近些年，熱塑性復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中得到了越來越多的應(yīng)用，其相關(guān)技術(shù)也獲得了較快發(fā)展。

◆1.有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)包覆成型工藝

未來兩年內(nèi)，復(fù)合材料有機(jī)板（Organosheet）混合結(jié)構(gòu)包覆成型技術(shù)將在汽車結(jié)構(gòu)部件的量產(chǎn)化應(yīng)用中實現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應(yīng)商——巴斯夫和朗盛，以及兩家機(jī)器供應(yīng)商——恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術(shù)開發(fā)的前沿。

如今，采用全塑料的“有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)”取代汽車中的塑料-金屬的混合結(jié)構(gòu)，已成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。此項新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎(chǔ)上預(yù)成型，然后進(jìn)行包覆成型。恩格爾和克勞斯瑪菲都以PA 6熱塑性樹脂纖維織物層壓板（熱成型）為基礎(chǔ)，搭配另一種PA 6（纖維增強(qiáng)或不增強(qiáng)），進(jìn)行包覆成型，其具體加工過程是：首先加熱一塊用PA 6連續(xù)纖維增強(qiáng)的有機(jī)板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個三維形狀，接下來，用另外的PA 6樹脂（未填充或是玻纖增強(qiáng)的）對其進(jìn)行包覆成型。

值得一提的是，有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)包覆成型工藝不僅能用來加工熱塑性復(fù)合材料，對熱固性復(fù)合材料也同樣適用。采用熱塑性復(fù)合材料獲得的混合結(jié)構(gòu)，將主要應(yīng)用于汽車內(nèi)飾中，包括座椅部分的組件、門側(cè)防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉(zhuǎn)向柱支架、安全氣囊組件和前端組件等。而采用熱固性復(fù)合材料獲得的混合結(jié)構(gòu)，可用于結(jié)構(gòu)件或次結(jié)構(gòu)件中。但是，目前國外還很少有針對熱固性復(fù)合材料（應(yīng)用于汽車行業(yè)）混合結(jié)構(gòu)包覆成型的研究和應(yīng)用。

◆2.熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝

作為熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的下一發(fā)展目標(biāo)，己內(nèi)酰胺單體在模內(nèi)聚合為PA 6的技術(shù)正在推進(jìn)之中。該技術(shù)允許采用低黏度的己內(nèi)酰胺浸潤放于模具中的干纖維，經(jīng)反應(yīng)后可在線形成一種PA基的復(fù)合材料。

目前，巴斯夫與西格里集團(tuán)正在聯(lián)合開發(fā)一種基于反應(yīng)性PA系統(tǒng)和碳纖維的復(fù)合材料，以實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的低成本生產(chǎn)。該材料體系是為熱塑性樹脂傳遞模塑（T-RTM）工藝以及反應(yīng)注射成型工藝量身打造，以獲得比傳統(tǒng)熱固性RTM工藝更短的生產(chǎn)周期。

總結(jié)

汽車復(fù)合材料的發(fā)展，結(jié)合了化工、機(jī)械制造以及汽車復(fù)合材料設(shè)計等眾多領(lǐng)域的成果。隨著更加嚴(yán)格的碳排放法規(guī)即將頒布，復(fù)合材料在汽車行業(yè)的發(fā)展將會在2015年以后取得突破，歐洲汽車行業(yè)也將繼續(xù)成為先進(jìn)材料的倡導(dǎo)者和先行者。未來，熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料不存在誰替代誰的問題，因為二者在性能方面存在差異，也將在不同領(lǐng)域中發(fā)揮各自的重要作用，而快速成型和自動化是二者共同的發(fā)展方向。最終，汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化會與金屬類似，是一種建立在多材料體系基礎(chǔ)上的混合結(jié)構(gòu)。