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全球汽车用碳纤维复合材料(CFRP)研究报告

作者介绍:潘鼎,东华大学材料学学科研究员、博士生导师。现任中国复合材料学会增强体专业委员会主任委员。主要研究成果有“硝酸一步法聚丙烯腈原丝”获国防科委科技成果二等奖 、“化学纤维成型理论和结构性质的研究”获国家教委二等奖等。


前言:随着汽车保有量的激增、不可再生燃油的消耗,汽车轻量化越来越受到大家的关注。碳纤维(CF)及碳纤维复合材料(CFRP)在汽车产业的应用,为其提供了可能;事实表明:CFRP是汽车工业轻量化道路上的主要材料。

但是,CFRP的高量产应用受到成本高、循环时间长、回收性难等挑战。在各国政府的大力支持下,国内外已经开始形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局,在原料及加工技术的低成本化、零部件及车体制造技术一体化、零部件回收再利用方面已逐步取得进展。

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图1:碳纤维车身,图片来源于carbonfiber


我们先看一个实例:


碳纤维复合材料(CFRP)在汽车车体及零部件中的广泛应用已成为当下一大市场主流。德国宝马公司作为全球领先的汽车生产商于2007年确立可持续发展战略,率先全面开启CFRP在汽车领域的应用模式。


图2:宝马新一代7系,车身大量使用了碳纤维

在宝马汽车中有三十多种零部件使用了碳纤维复合材料(CFRP,分别有:车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统


图3:CFRP在宝马汽车零部件的应用比例



一、全球车用碳纤维供需情况

CFRP应用在汽车中的比例显著提升。2010-2017年,年均增长率将达到31.5%。预计2017年,全球汽车CFRP需求量将增长至7885t。



图4:世界碳纤维消费结构示意图

2013CFRP在交通工具领域产值达22亿美元,其中汽车领域10.1亿元,占总产值46%,卡车领域占18%,摩托车占15%,客运火车占13%2020年汽车市场CFRP产值将达到60亿美元。


表1:全球各领域碳纤维需求量(长按图片可以放大清晰查看)



二、汽车轻量化的途径和效益

使用清洁燃料、轻量化、提高发动机及驱动系统效率、和减少风阻是传统汽车节能减排的最有效的四大要素。

改换石油能源为零毒排放的新能源汽车,固然是节能减排的最优选择,但电源系统的明显增重,采用增大电源的做法只能“恶性循环”节能难以见效;提高发动、驱动效率及减少风阻对于节能减排具有一定功效;而“轻量化”是与传统及新能源汽车都密切相关的最基本最重要的因素。


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1、轻量化两大要素

1)材料:在没有找到汽车用钢合适的替代材料时,只有寄希望于汽车结构的优化或钢材性能的提高上。但钢材的比重是无法逾越的天敌。故成效不大。寻找最佳的钢材替代材料是汽车界有史以来始终孜孜以求的目标。

2)部件设计:模块化、整体化的设计,可以大大节省连接件的数量和重量。


图5:通过模块化设计的碳纤维底盘

2CFRP在汽车中应用的十大优越性:

1.比强度高,最佳轻质高强车体材料。

2.轴向强度、模量高,无蠕变,制作传动轴。

3.正面碰撞时成无数细小碎片,吸收大量的撞击能(4倍于钢结构)高安全性。

4.兼备纺织纤维的柔软,可加工性强。

5.有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性好,寿命长,维修费用低。

6.冷热膨胀系数小,极端气候条件下尺寸稳定性高。

7.活性碳纤维超级电容器可提高能量密度,又可降低成本适用于电动车制动。

8.复合材料容易成型,制得满足空气动力学原理及美观需求的外形曲面。

9.表皮光滑美观,制造车身,可以省去高成本、繁琐的涂装工艺。

10.将不同零件一体成型,便于汽车结构的模块化、整体化制造。


图6:宝马全CFRP轮毂的比一般轮毂轻35%


3、高量产五大挑战:

1CF成本高(20%

钢材0.8~1$/kg铝材2.4~2.6$/kg 树脂5~15 $/kg 碳纤维20~30$/kg 钢材20倍。

2)循环周期长加工成本高(70~80%

循环周期:金属冲压部件,1/60s (几十年不变),俗称“60s工艺”;CFRP热固性树脂固化交联时间:数小时(上百倍)。

3)设计和工程开发难度大,缺少成熟数据库

CFRP 铺层数量、角度、层间结合、零部件集成方式、脆性材料,应力集中,连接部位力学分布、连接位置及强度需充分考虑等均需复杂设计。

4)材料回收:

95%报废零部件需回收再利用,热固性树脂CFRP不溶不熔,难以达到。

5.其它问题:

材料表征、虚拟模拟、废料水平。


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三、已有创新及关键技术

1、快速铺层

三维预成型创新技术。一种为层压复合材料生产织物层的新方法,用了像尼龙搭扣一样的可在Z轴方向上实现连接的钩-环锁扣,将临近的织物层连接起来。


图7:Z-pins嵌入全厚度缝合三维预成型技术



传统工艺:Z-pins嵌入全厚度缝合三维预成型技术

1)复杂、耗时、劳动密集型手工铺层;

2)低强度;

3)高成本。


图8:钩/环搭接的“互锁型”技术



最新工艺:钩/环搭接的“互锁型”技术

1)快速、方便自动化操作巡回周期90s;

2)撕裂、耐压、剪切、冲击强度分别提高50%100%20%15%60%100%;

3)直接生产成本及间接成本分别降低50%30%。


2、宝马树脂传递模塑工艺:

图9:树脂传递模塑工艺


3、一体成型设计,模块化、整体化制造创新技术

通过设计和工程开发,用自动化加工方法,使多个金属部件复合成几个部件来解决。车身零部件数减少到1/10。材料特性既能满足自身要求,又达到减重及缩短循环周期的目的,潜力无量。



图10:一体成型设计


4、低成本新型碳纤维制造创新技术

1)改性沥青

日本三菱公司通过裂解轮胎冷凝物为原料,合成优质沥青,规模化生产廉价高性能沥青基碳纤维及纳米碳管。


图11:改性沥青合成高性能沥青基碳纤维过程



2)木质素碳纤维

美国橡树岭国家实验室(ORNL)从纸浆废液中提取的木质素,通过熔纺和碳化制成了低成本碳纤维。生产成本可控制在4~5$/kg


3)聚烯烃碳纤维

陶氏化学将聚乙烯等纤维以无氧状态“蒸烤”炭化,把碳纤维在平面上排列或编织成片,再用树脂加固之后才成为CFRP35%高碳化率制备低成本碳纤维。降低成本1/2 (11$/kg)以下。避免大量极毒废气体排放。


4)低成本高强PANCF原丝的制备

东丽公司采用高与超高分子量混合聚合体,用温度致变及力致变凝胶化纺丝方法纺丝,提高纺速百倍以上的创新工艺,制备了高强(超过T-1000)高模(超过M-50)低成本PANCF 原丝。东华大学也在跟踪研究。并已试制出纺速为500~1000m/min的熔融纺丝的低成本PAN原丝。


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5)节能加工能源

美国ORNL用新型微波等离子源碳化技术高速制备低成本CF

宝马利用成本仅3美分/kwh(降低成本4/5)水力发电能源制碳纤维。


5.挑战循环周期的创新工艺

1)高压树脂传递模塑成型技术(HP-RTM

宝马与西格里合作开发了固化时间为2min5min的环氧树脂。采用压力高达2900psi203kg/cm2),注射速率为200g/sHP-RTM技术,优化了树脂系统、工艺和模具设计正确组合的RTM工艺,实现了“一分钟循环周期”。


2)热塑性基体材料预浸料

通用汽车公司与帝人公司联合采用无需更长的时间来进行交联或固化的热塑性基体材料的预浸料复合材料加工技术。


3)短周期RTM工艺

戴姆勒公司和东丽工业公司采用东丽公司开发的“短周期RTMShort Cycle RTM)”工艺,大大缩短了CFRP部件的循环周期。


4)ØSMC成型加工技术

戴姆勒公司和克莱斯勒公司采用重叠加料,混合CF和玻纤SMC材料技术。缩减了零件数量,减轻重量,提高刚度22%


6、其他CFRP零部件加工创新技术

1)CFRP零部件3D打印技术

美国橡树岭国家实验室(ORNL)用熔融沉积制造技术将碳素纤维颗粒打印成一体式汽车底盘。刚度、强度分别提高了5-7倍与3倍不但提高零件的属性,还减少了加工时间。


图12:3D打印技术,图片来源carbonfiber

2)虚拟手势识别系统

用两台3D摄像机、红外传感器等部分组成的图像识别系统,只需几个手势,即可完成检验工作:可加速检测过程,精确记录偏差数据。提升了检验员工作的舒适度及工作效率。


3)连接技术

集散板熔融、震动熔融、超声波熔融一体加热、加压连接法。对一体化加工,增加结合部CF体积分数。提高强度避免开裂有显著效益。


7、国内创新技术

1)碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术

中科院宁波材料所在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。

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图13:专家验收中科院宁波材料所的成果

2)聚赛龙工程塑料公司发明专利《碳纤维增强聚醚酰亚胺/聚苯硫醚复合材料》被授权

2015年3月11日,聚赛龙公司申请的发明专利《碳纤维增强聚醚酰亚胺/聚苯硫醚复合材料及其制备方法》被授权,专利号ZL201210493679.3。


图14:聚赛龙(图片来源于2015年广州橡塑展,由艾邦高分子拍摄)

据悉,该技术采用PPS与PEI制备PEI/PPS合金材料,可明显改善PEI的耐溶剂性能、耐热性、加工流动性,同时还可以降低PEI的材料成本。本发明材料具有高强度、高模量、耐热温度高、耐溶剂、加工流动性好等优点。可应用于机械、电子电气、航天航空、军工、交通运输等领域。


8CFRP回收技术

1)CFRP碎料回用

宝马用退役战斗机的机翼等可提供足够载体的部件,切碎后,重新合成CFRP用于汽车零部件制造。

2)CF溶出回用

英国诺丁汉大学利用超临界流体的溶解能力,用廉价溶剂体系,溶解CFRP中的环氧树脂,可分离出单一形式、性能几乎100%保留的碳纤维。


四、CFRP应用的实施效果及发展趋势


1、汽车轻量化设计总方案


图15:全生命周期内汽车轻量化技术体系构成


2CFRP应用的实施效果

行驶安全化:强度为钢及塑料的200%400% 撞击吸收能量4倍于钢;

节能资源化:最适合抵偿新能源汽车能源部分带来的增重;

零件寿命化:高强高模、耐高温、抗蠕变、耐疲劳、防腐;

环境人性化:质轻、转动惯性小,低噪音、阻尼震动,舒适度高;

环保清洁化:废气排放锐减自润滑性免加润滑剂;

车体轻量化:比钢及塑料轻300-400%30~40%;

车型个体化:加工性良好易形成多种外型。


3CFRP应用的发展趋势

1高端汽车向普及型发展;

2)装饰件向结构件发展;

3)实现汽车燃油化向清洁能源化发展。




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