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          國內汽車碳纖維復合材料推廣應用的難點與對策
          時間:2020-06-04  來源:中國國際復材展  點擊:1185
          原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-9514.html引 言

                 當今社會,隨著節能減排環保意識的增強及相關法規的出臺,新能源汽車的發展正呈現出勃勃生機。同時,汽車輕量化的問題也伴隨著車用動力電池的普及使用而越來越受到關注,因為只有在確保安全可靠的前提下,適當減輕汽車的自身重量,才可能實現節約能源、減少排放和進一步保護環境的目的。其實,為了節約能源,減少能耗,國外汽車輕量化的課題早在上個世紀50年代便已提出,鋁合金材料及玻璃纖維復合材料的應用開啟了汽車輕量化最初實施的途徑。而隨著比鋁合金材料及玻璃纖維更有減重和其他性能優勢的高強度、耐高溫汽車碳纖維復合材料的問世,自上個世紀70年代以來,民用汽車輕量化在選材方面,又有了新的方向和新的作為。


          一、碳纖維復合材料在汽車行業應用的范例

                 國外采用汽車碳纖維復合材料推進汽車輕量化技術起步于上個世紀70年代,經過40余年的發展,取得了明顯成效。以歐美日等汽車工業發達國家為代表,通過依托成熟的汽車碳纖維原絲、樹脂等原材料生產,以及配套的氧化碳化及熱塑模壓成型技術,首先是一些著名汽車品牌商出于減輕自重、節能減排和個性化設計的目的,主動采用汽車碳纖維復合材料推進汽車輕量化,并努力通過合理用材、改進工藝、縮短加工周期,適當量產等手段降低生產成本。例如,美國通用汽車公司于1992年展出了由汽車碳纖維復合材料制造車身的超輕概念車,車身質量為191.0 千克,整車質量降低68%,節油達到40%的效果。福特汽車公司生產的1999—2004野馬載重汽車也采用了汽車碳纖維復合材料傳動軸,使原來兩組件簡化合并成為1個傳動軸,與鋼材料相比,可減重60%~70%。此外,美國福特和保時捷汽車的發動機罩也全部采用了汽車碳纖維復合材料,在安全性不降低的前提下獲得了明顯的輕量化效果。德國寶馬公司在2008年宣布已把汽車碳纖維復合材料作為通用型汽車應用的主流材料之一。2011年,寶馬公司在法蘭克福車展首次發布采用輕量化技術設計的i3電動概念車和i8插電式混合動力概念跑車;2014年,寶馬公司批量化生產的碳纖維i3純電動車和i8插電式混合動力跑車在全球正式上市,價格與金屬材料的汽車相當,為汽車碳纖維產品在通用型汽車領域的商業化普及應用邁出了重要一步。

                 相對于國外,國內采用汽車碳纖維復合材料推進汽車輕量化的研發工作起步較晚,各方面尚處于探索階段,但仍取得了一些突破。例如北京航空航天大學復合材料教研室從1993年開始研究與汽車碳纖維復合材料生產關系密切的RTM工藝。通過引進RTM注塑裝置,先后成功開發了幾十套民品RTM模具,主要有:復合材料130卡車門外板、復合材料2020SY吉普車硬頂、北京JEEP切諾基后舉升門、捷達轎車尾翼、新一代大紅旗前端板、農用機械拋秧盤等。2013年,北航、北京納盛通公司等單位合作研究與開發出一種高性能的長汽車碳纖維增強尼龍復合材料汽車輪轂,相比同類型鋁質輪轂減重60%以上。2015年1月20日,具有核心技術自主知識產權的我國首輛汽車碳纖維新能源汽車在江蘇鹽城奧新新能源汽車有限公司工廠正式下線,該車采用了在國內首次在量產汽車上使用的全碳纖維復合材質乘客艙設計,比同類汽車車身可減重50%,給車用動力電池讓出重量與空間。

          二、應用難點分析

                 雖然汽車碳纖維復合材料在汽車輕量化應用方面前景廣闊,但從目前國內行業態勢分析,無論是原材料生產、汽車碳纖維加工技術配套性及質量穩定性,還是在復合材料成型技術及應用等方面與國外先進水平相比,仍存在不小差距,而且成本居高不下等因素也嚴重制約其在汽車行業的研發與推廣應用。立足國內現有基礎條件分析,主要有下列應用難點。

                 1、專業人才及行業研發力量集聚度不夠

                 從總體上分析,研發能力及實驗條件有限是影響碳纖維復合材料在國內汽車輕量化普及應用的突出制約因素。國內碳纖維領域著名專家、北京化工大學材料科學與工程學院副院長徐樑華教授用“成績喜人但隱患猶存”來概括國內該產業的發展現狀。他指出,目前汽車碳纖維復合材料行業內存在技術底蘊不足、盲目跟風上項目等問題,多數產品還不具備市場競爭力,在具體的應用領域缺少專業和系統的研發。從國家整體水平看,雖然已經掌握了許多關鍵技術,但由于未形成產業戰略性創新聯盟或研發平臺,這些關鍵技術均分散在各個領域與環節,研發資源得不到有效整合與分配,導致力量分散,產業整體水平上不去。

                 2、與量產配套的原材料提供存在缺口

                 目前國內汽車碳纖維生產企業有30多家,每家投入資金幾億元到十幾億元不等,最大產能規模不超過3000噸,由于產業技術薄弱,產能很難轉化為產量,所以2015年國內汽車碳纖維實際年產量僅為4000噸,而且這30多家企業大都生產小絲束產品,沒有大絲束汽車碳纖維生產技術與產品。雖然近期有消息稱,上海金山石化已經突破了大絲束碳纖維生產關鍵技術,但產能僅為300噸/年。對新能源電動汽車而言,大絲束碳纖維成本低、織物利用效率高,鋪層次數少,可以滿足量產的節拍。如果2020年新能源汽車產量能夠達到500萬輛,汽車輕量化還需要足夠多的大絲束汽車碳纖維產品作為支撐。因此,汽車用大絲束高強度汽車碳纖維尚未大批量生產,是影響汽車碳纖維復合材料在汽車行業推廣應用的最根本因素。

                 3、設計研發與生產技術能力尚不完備

                 與國際水平相比,國內汽車碳纖維復合材料的設計研發存在明顯差距。由于汽車碳纖維復合材料是材料與結構的“復合體”,這在宏觀、微觀、細觀等多種尺度水平上增加了設計自由度,但材料成型與結構成型必須同時完成,因此,包括計算分析、試驗驗證等內容的碳纖維復合材料設計非常重要。國外汽車碳纖維復合材料汽車設計已走向規范化和成熟化,但國內在這方面差距很大。目前,國內缺乏專有的設計分析軟件和材料性能數據庫,也缺少設計經驗和相關的設計標準,部分汽車承力部件采用汽車碳纖維復合材料需要借鑒國外汽車的設計規范,并且,目前國內還缺乏碳纖維復合材料車身、鋁合金車架及整車性能的測試方法。另外,國內汽車碳纖維復合材料行業的自動化加工工藝,如自動鋪絲技術以及部件的一體化成型技術相對落后,生產效率較低,專用設備有賴于進口等,這些是制約碳纖維復合材料在汽車上應用的重要原因。汽車生產具有量大面廣的特點,對成本和生產效率的要求很高。在汽車碳纖維復合材料制件的總成本中,材料成本只占20%左右,制造成本卻占了70%~80%,雖然現有的復合材料工藝原則上均可用到汽車工業,但考慮到成本和效率因素,目前國外車用碳纖維復合材料的低成本快速成型方法(如RTM、罐外熱壓成型、纖維纏繞成型和拉擠成型等)已成為研發重點,而國內復合材料低成本成型技術發展起步較晚,技術水平較低,產品品種和產業規模均有待提高。對于某些關鍵成型技術(如RTM及高壓RTM、罐外熱壓成型等高效成型工藝),我國與歐美等發達國家和地區相比還有較大差距。

                 4、整車工裝設計配套跟不上

                 汽車輕量化技術首先強調的是整車輕量化,它需要做到兩個方面:一是材料上選用低密度高性能的材料,并能把它做出來;第二個是要把結構設計的配合做好,相關部件做到越小越好,越薄越好。這兩個要求實現后,整車除了減輕重量之外,還要確保舒適性和安全性,所以必須進行整車的性能優化設計。此外,從裝配技術上分析,汽車輕量化工裝還有個從焊接為主向焊接與粘結并用轉化的過程,必須重新設計配套。此外,整車設計配套應用難點還包括:由于汽車碳纖維復合材料的特性是各項異性,在x、y、z軸不同的方向上會呈現出不同的材料性能,測試物體剛度的參數就需要計算三個方向,相當于設計工作量提升了三倍。另外由于樹脂材料受光輻射、高溫低溫、酸堿性等因素影響,會產生老化現象,影響使用壽命,選擇要慎重。碳纖維復合材料單體殼車身還存在結構設計復雜,成型精度要求高和變形或局部損壞幾乎無法修復等問題。

                 5、材料回收再利用難度頗大

                 汽車碳纖維成分與石墨有些相像,穩定性也與石墨相似,所以碳纖維復合材料不能通過自然界降解,只能回收利用。雖然目前世界先進國家都在積極研究汽車碳纖維復合材料的回收利用技術,也有很多專利技術誕生,如粉碎回填法、焚燒能量回收法和纖維分離法等,但都還沒有形成有利于環境保護的大規;厥绽玫某墒彀咐。

          三、對 策

                 首先,要建立與完善以汽車制造業為最終用戶的“產學研用”汽車用碳纖維復合材料研發應用的行業技術創新發展戰略聯盟,集聚專業人才和技術資源,形成研發優勢,建立研發基地。要認識到碳纖維復合材料在汽車輕量化方面的應用與推廣,屬于多學科交叉、多行業跨界融合,需要紡織、化工、汽車制造等行業一起參與與互動,并發揮各自專長。要以新能源電動汽車為主要應用對象,從一個具體品牌、型號汽車的某一項零部件入手,配置各方力量,實施研發及量產方面的系列化運作,同時,也可以開展整車應用的研發,爭取以點帶面有所突破,推進行業實質性應用。2018年4月26日,中國碳纖維復合材料應用技術聯盟在北京召開成立大會,該聯盟聚集了國內碳纖維全產業鏈的優勢資源,通過搞好頂層設計,進一步整合資源,提升公共服務功能,找準工作切入點,形成共促、共享創新成果機制,成為牽引碳纖維復合材料終端應用的產業鏈協同創新平臺,有利于促進國產高性能碳纖維復合材料行業健康持續發展。這對于解決車用碳復材料應用難點問題會有所幫助。

                 其次,要在低成本新型汽車碳纖維制造,克服原有人工鋪層復雜、耗時、勞動密集型不足,盡力縮短模壓時間,CFRP零部件加工、裝配及連接,CFRP一體成型設計,模塊化、整體化制造,以及汽車碳纖維復合材料回收等諸多創新技術方面,及時了解國外最新研發方向和創新成果,不斷改進與完善國內現有車用碳纖維復合材料(CFRP)生產技術與裝備。比如,美國跨國公司陶氏化學將聚乙烯等纖維以無氧狀態“蒸烤”炭化,以35%的高碳化率制備低成本聚烯烴碳纖維,降低成本1/2以下(11美元/千克),同時避免大量極毒廢氣體排放;日本東麗公司采用高與超高分子量混合聚合體,用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲的創新工藝,提高紡速百倍以上,制備了高強(超過T-1000)高模(超過M-50)低成本PANCF原絲。德國寶馬與西格里合作開發了固化時間為2分鐘及5分鐘的環氧樹脂,并采用壓力高達2900psi(203kg/cm2)、注射速率為200g/s的HP-RTM技術,優化了樹脂系統、工藝和模具設計,正確組合了RTM工藝,實現了“一分鐘循環周期”的高壓樹脂傳遞模塑成型技術。英國諾丁漢大學利用超臨界流體的溶解能力,用廉價溶劑體系,溶解CFRP中的環氧樹脂,可分離出單一形式、性能幾乎100%保留的碳纖維。上述這些國外最新研發方向和創新成果都值得國內同行關注與借鑒。

                 第三,要以降低生產成本為研發主攻目標,使汽車碳纖維復合材料成本接近甚至低于原先金屬制件加工生產的成本。一是要集中科研力量進行技術和質量攻關,在引進消化吸收國外先進技術的同時,強化適用于汽車輕量化的大絲束碳纖維的自主研發和生產能力,克服國際貿易壁壘制約,努力將價格由14~30美元/千克降到10美元/千克左右,為制造車用高性能、低成本的汽車碳纖維復合材料提供纖維原料支持。據悉,立足發展“低成本、大絲束、工業級”碳纖維產業發展需要,年產1.2萬噸全國最大的大絲束碳纖維基建項目已在吉林化纖集團開工。該項目投產后將填補我國大絲束碳纖維生產的空白,為汽車碳纖維復合材料在汽車輕量化方面的應用提供先覺條件;二是要加大對低成本的汽車碳纖維復合材料整體化成型技術的研發力度,包括對RTM及高壓RTM、罐外熱壓成型、拉擠成型、纖維纏繞成型等成型技術的完善。要在確保質量的前提下,縮短汽車碳纖維復合材料制品的生產周期,降低能耗。類似前期預氧化處理、微波碳化技術、低溫低壓模壓技術、電子束快速固化以及高強度快速固化樹脂材料研制等,都值得關注與研發應用;三是要在對汽車碳纖維復合材料機械化及自動化制造相關設備進行引進的同時,注重更新改造和國產化研制,在努力降低設備應用方面成本的前提下,提高規;a能力。

                 第四,要以汽車行業為龍頭,形成汽車碳纖維復合材料研發制造產業鏈和產業集群。根據最終用戶需求,建立以高校、科研院所研發力量為支點,各相關行業企業積極參與的汽車碳纖維復合材料設計與應用體系,從纖維制造開始,直至汽車裝配使用,擴大生產規模,提升生產能力,實現批量化配套生產。要加強車用碳纖維復合材料設計領域的技術儲備,學習和借鑒國外先進的設計與生產經驗,研究汽車碳纖維復合材料結構優化設計的新概念、新方法,發展或引進相關的設計分析軟件,建立汽車碳纖維復合材料性能數據庫,建立和完善相關的設計標準和規范,發展將先進的計算機模擬方法與數據庫技術相結合的智能化設計和驗證系統,為碳纖維復合材料在汽車上的應用提供技術支撐。特別還要注重對配套精加工技術和特殊工裝手段的研發,以及做好材料有效回收利用技術的發掘。

                 第五,要注重對汽車碳纖維復合材料研發與生產的財力投入。碳纖維復合材料是多學科和多技術集成的高新技術產品,在汽車工業的開發應用專業性突出,設備配套要求高,需要大量的先期財力投入,無論是大絲束碳纖維制造、快速固化成型技術以及汽車整車設計配套或工裝技術的改進,都需要注入大量的資金,因此,相關生產企業一方面要爭取政府的財力支持,同時,也應做好風險分析及財務預算,為項目財力投入的落實提供可靠依據和有效保證。

          結 語

                 鑒于汽車碳纖維復合材料的優良性能,以及節能減排、保護環境的發展大背景,今后在汽車輕量化的應用需求方面必將呈現持續增長的態勢,政府主管部門應當發揮總體規劃部署和集中調控作用,強化科研機構、原材料制造商、成型加工商、最終產品裝備商之間的相互協作,組成聯合體,共同推進碳纖維復合材料在汽車輕量化應用可持續發展。相關行業和企業也應增強創新意識和主動意識,以“攻堅克難”的姿態,積極面對現有難題與“短板”,并采取相應措施加以改進,相信在汽車輕量化碳纖維復合材料推廣應用方面一定會有新突破和新發展。
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