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国内外知名企业最新车用碳纤维复合材料技术介绍

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。

摘要:年来,车用碳纤维复合材料(CFRP)的开发是汽车轻量化的一个主流趋势。在国外,MAG低轨式自动铺带机的应用可以优化结构集成度、降低35%的材料及70%人工时间的浪费;44分钟打印一台车则将碳纤维技术和3D技术结合在了一起,丰富了设计师的可操控自由度!

在国内,韩氏三维织物和韩氏三维复合材料世界上首次将纤维粘带技术与复合材料相结合,高效低成本制成了三维骨架材料和三维复合材料,并成功地实现了增强纤维在复合材料基体中的二维铺设向三维铺设转变,各项力学性能提升显著!

一、国外车用碳纤维应用开发


图1:沃尔沃“车身储电”技术


1
沃尔沃“车身储电”技术

沃尔沃基于S80打造出采用新蓄电材料的原型车。用CFRP超级电容器板替代发动机盖和扭力杆的组合取代传统车辆的金属。

应用车体车门、车顶材质能够靠刹车动能回收系统以及传统的插电方式来充电,从而减轻了蓄电池的重量,整体重量降低15% 。

图2:沃尔沃新型储电技术


2
展纱设备的研究进展

1)Entec公司

美国卓尔泰克公司所属的Entec公司对现有缠绕机展纱浸润过程进行了系统的研究,用最低成本解决方案使现有缠绕机能够很好的使用低成本大丝束碳纤维。回复“碳纤维”,查看更多

图3:静态角辊展纱


图4:静态同心“D”型环组合


图5:弧形辊和导丝辊组合

2) MAG低轨式自动铺带机

此机床可实现32条碳纤维高精度(±1.27mm)独立的被分配、压实、装夹、切割、再成型,形成无褶皱的曲线、曲面或混合曲平面。可以优化结构集成度、降低35%的材料及70%人工时间的浪费。


图6:自动铺带机

3)大丝束碳纤维薄层化技术

用自制大丝束碳纤维薄层化装置展纱异形辊,使SIGRAFIL C30 T050 EPY (50 K)宽度从从6 mm分散到了28 mm,厚度从0.4 mm薄层化至0.085 mm;渗透率降低为原来的0.47倍,渗透均匀性有明显提高,CFRP内部缺陷大大减少。


图7:大丝束碳纤维薄层化装置展纱异形辊

3
东丽开发的纳米结构控制技术

东丽公司在碳纤维表面设置了纳米型结构的反应点,并在树脂基体的顶端设置了纳米型结构的导入反应点,使得不同长度的CF均可实现均一分散,并通过高粘合界面,提高了CFRP的力学性能。

推荐阅读:我国碳纤维生产落后美日30年

图8:东丽实现较长的短CF在树脂中的均匀分散技术


图9:(a)较长的短CF在树脂的均匀分散技术 (b)通过高粘合界面提高强度

4
碳纤维复合材料汽车发动机

PolimotorResearch Inc.复合材料铸造有限责任公司开发了一种新的、轻巧、碳纤维复合材料四缸发动机缸体,专有的成型工艺使用低成本的加工材料、快速成型工艺。

图10:碳纤维复合材料四缸发动机缸体


被浇注的复合材料缸体是净形状,消除了二次加工的麻烦,振动噪声显着减少,耐腐蚀, 意味着碳排放量大量减少碳。此外,和压铸工艺相比,模具工具成本减少50%。碳纤维复合材料缸体比合金的重量轻20磅。这种四缸和八缸发动机缸体即将应用于赛车、OEM汽车、卡车。

5
彻底高性能复合材料

美国复合材料生产商RTP成功推出一款新型碳纤维复合热塑性工程塑料。采用世界顶尖级合成工艺生产而成。由于在增强材料性能的同时保留了纤维的完整性。该产品被取名为“彻底高性能复合材料”。


图11:RTP Compounds 2285 LF PEEK

此款新型工程塑料由PEEK(聚醚醚酮)、高性能PPA, PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亚胺)多种树脂复合而成。

该新型复合塑料不但具备工程塑料所需的高抗冲击性的机械性能,还继承了碳纤维低密度、耐腐蚀、易成型的优点。在组成成分中,碳纤维的含量为20~40%。这一复合材料能够经受高温、高压等极地环境的考验。

6
44min打印一台车

辛辛那提公司负责提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印机,能够打印3英尺×5英尺×10英尺(约合90厘米×152厘米×305厘米)的零部件。车身一体成型,由3D打印机打印,共有212层碳纤维增强热塑性塑料。回复“3D打印”,查看更多

辛辛那提公司提供的大幅面增材制造3D打印机,碳纤维增强ABS塑料的熔融沉积速度可达到每小时40磅,能够打印3英尺×5英尺×10英尺的零部件。Strati只有40个零部件。除了动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃外(大部分来自一辆雷诺Twizy或者采用传统制造技术制造),包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印,所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。


图12:雷诺Twizy

二、国内车用碳纤维应用开发
1
电子束固化技术

利用高能高聚集度的电子束固化树脂基复合材料,不需压罐室温固化节省能耗,时间及模具费用降低成本能够成形大型整体部件减少部件翘曲和变形,更好的控制外形。


图13:电子束固化技术

1
韩氏三维织物和韩氏三维复合材料

美国海归博士韩楠林团队韩氏三维织物(Han -3 D -Fabrics)和韩氏三维复合材料(Han 3 D-Com-posites)世界上首次将纤维粘带技术与复合材料相结合,高效低成本制成了三维骨架材料和三维复合材料,并成功地实现了增强纤维在复合材料基体中的二维铺设向三维铺设转变。

抗撕裂强度提高50%100%,抗冲击强度提高50%100%,界面剪切强度提高15%。同时取代人工叠层,实现纤维叠层自动化,提高复合材料生产效率70%90%,降低生产成本50%以上。


图14:韩楠林博士因此荣膺“JEC巴黎创新奖”,右边是师昌绪老先生

2
我国首辆碳纤维新能源汽车

中国第一个CFRP量产型电动汽车8万辆/年,奥新鹿曦e25紧凑型A级车及奥新鹤影e45高端公务车,国内首次在量产汽车上使用的全碳纤维材质乘客舱设计,采用HP-RTMLFT-D复合材料成型工艺。


图15:奥新鹤影e45高端公务车


碳纤维整体非承载式车身取消了前处理和中涂等传统涂装工艺。通过覆盖件与内板件粘合形成结构强度功能、优化集成零件模块,整车零部件数量减少至传统汽车零部件40%。更加节能和环保。实现了整车制造工艺的颠覆性突破。回复“碳纤维”,查看更多

3
立康得新-雷丁汽车设计中心

康得投资集团有限公司董事长钟玉先生应邀参加李克强总理率领的中国代表团,出席了以“创新驱动发展”为主题的第七届中德经济技术合作论坛;与德国高盛集团就“新能源电动汽车碳纤维车体及部件的产业化项目”签署了总额为4亿欧元的投资合作协议。默克尔总理和李克强总理亲切接见了钟玉先生。


图16:默克尔总理和李克强总理亲切接见了钟玉先生

公司与德国国家级碳纤维复合材料研究中心德国慕尼黑工业大学碳纤维复合材料研究中心签订协议。该中心具有世界领先研究水平,对宝马、奥迪、SGL等公司长期提供技术支持。同时还决定设立康得新-雷丁汽车设计中心。建立具有国际领先水平的汽车轻量化解决方案设计中心。

雷丁汽车是一家专精汽车及汽车轻量化结构设计与开发的领先技术公司,拥有专业的研发团队,开发设计了全碳纤维复合材料结构的跑车Roding Roadster等多款产品,其在德国雷丁市及慕尼黑设有研发基地及工程设计中心。自建立始,雷丁便专注于碳纤维复合材料在汽车轻量化领域的设计、开发与应用工作,同宝马、保时捷、西门子及SGL集团等在汽车设计及轻量化应用领域开展广泛合作,为上述公司的产品轻量化提供了一流解决方案。

4
展纱设备及技术的研究进展

1)浸渍树脂体系研究

用粘性适中,流动性可控;高温固化树脂体系热熔法工艺浸渍48 KCF,聚芳醚酮改性环氧树脂体系、热熔法制作的改性环氧树脂体系。

解决了树脂与大丝束碳纤维间的相容性问题,大丝束CF的厚度与小丝束相同,CFRP 横向拉伸强度得到了较大的提升。


图17:通过过调整胶槽外的超声波的强度和作用时间使大丝束碳纤维物理开纤,达到理想的浸润效果

2)大丝束碳纤维薄层化装置展纱异形辊

用自制大丝束碳纤维薄层化装置展纱异形辊,使SIGRAFIL C30 T050 EPY (50 K)宽度从从6 mm分散到了28 mm,厚度从0.4 mm薄层化至0.085 mm;渗透率降低为原来的0.47倍,渗透均匀性有明显提高,CFRP内部缺陷大大减少。



图18:大丝束碳纤维薄层化装置展纱异形辊



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