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碳纤维复合材料创新应用方案发展趋势
发布日期:2019-11-04  来源:汽车材料网  浏览次数:209
 
  近年来,维受到越来越多汽车制造商的关注,尤其在近一两年,新能源汽车的快速发展给碳纤维行业提供了巨大机遇。作为新型汽车材料,碳纤维最大的优点是质轻,高强高模,耐腐蚀,采用碳纤维可使汽车的轻量化取得突破性进展,大大提升产品性能。但受限于制造成本及生产节拍的影响,始终仍未大批量应用。
 
  近期,苏州华特时代碳纤维有限公司(HT Carbon Fiber)碳纤维专家、主任工程师邸娥梅女士,就碳纤维热点问题进行了一次深入的沟通。
 

 
  多工艺混合使用,满足汽车碳纤维批量要求
 
  从80年代末开始,许多OEM厂商,尤其是法拉利和迈凯轮开始使用碳纤维部件,通过减重,提升赛道用车和超级跑车的操控性能。随着全球变暖的气候问题日益凸显,2009年哥本哈根全球气候峰会上提出“节能减排”口号以后,各国均出台了降低燃油车油耗和CO2排放量的强制性的法规和标准,汽车轻量化提上日程。尤其是新能源车对汽车车身重量的特殊要求,碳纤维复合材料似乎成了汽车材料减重的终极选择。随着宝马在i3车型中批量化使用碳纤维复合材料,让碳纤维受到了全球汽车行业的特别关注。为了适应汽车行业生产节拍,宝马在选择复合材料成型工艺的时候专注于湿法工艺,例如对传统的RTM工艺进行优化,提出的HP-RTM工艺,湿法模压工艺等,这些工艺的研发改进是成功的,2019年宝马i3的全球销量突破了15万台,验证了碳纤维的在汽车领域的批量化应用的可行性。但是HP-RTM和湿法模压等湿法工艺并不能满足所有类型的汽车零部件的设计生产,例如车身外覆盖件、内外饰等需要完美碳纤维织物纹路的零部件,含有倒扣结构的复杂特征承力零部件,非连续纤维结构的复合材料汽车零部件等等,这些都不可能用单一一种工艺实现批量生产。自宝马成功应用后,许多公司,特别是初创公司越来越多地在汽车制造中尝试使用碳纤维,希望能在借鉴宝马案例的基础上探索开发适合多种汽车零部件批量生产的复合材料设计、制造的方法。相对于全金属结构车身,目前碳纤维材料是集轻量化和高性能于一体的唯一选择,多种成型工艺的混合使用,也是碳纤维复合材料在汽车上应用的必然。

  碳纤维行业迫切需要技术、工艺创新
 
  邸娥梅女士表示,碳纤维产品的设计和开发涉及许多关键技术,在国外,许多OEM会与碳纤维复合材料原材料的供应商一起合作开发,组建团队共同研究,共享研发成果,并共同承担相应的成本。而在中国,目前还没有看到类似的方式。这种共同开发的方式其实是可以帮助汽车企业快速提高碳纤维技术水平,使汽车技术和碳纤维技术得到很好的结合。未来碳纤维在中国汽车行业的应用前景非常广阔。数据显示,2018年全球碳纤维用量中汽车行业占11.7%,而在中国,这一数字仅3%不到。也正因如此,这一巨大的差距给中国的碳纤维行业提供了机会。
 
  碳纤维在汽车轻量化方面发挥了助力作用,并且几乎所有的部件都可以使用碳纤维制造,这具体需要OEM厂根据部件的设计要求和产品规划进行决策。当谈及中国碳纤维发展前景时,邸娥梅女士充满信心,相信随着新技术、新工艺的应用,碳纤维将在汽车上取得越来越多的应用。未来的汽车工业将是地面和空中协同发展的局面,飞行汽车值得期待。如果我们迫切需要实现汽车的空中运输,碳纤维材料一定会是一个不错的选择。邸工非常肯定未来碳纤维的使用量将在汽车行业中实现1-2倍的增长,具有广阔的发展空间。
 
  在交流中,邸娥梅女士同时也指出目前中国碳纤维技术研发能力较美国、日本还有较大差距,尤其是产业化方面,这也导致了当前碳纤维的成本较高、生产节拍跟不上等问题。要解决碳纤维成本及产能问题,邸娥梅女士认为中国企业应该把重点精力放在技术创新、工艺创新上。就像近年来Vestas在风电碳梁上的突破,通过工艺创新,汽车用碳纤维成本完全可以做到现有基础上再降50%。
 

 
  邸娥梅女士现场举了一个案例:前途K50机盖,0.8毫米的金属机盖重量为12kg,而1.1毫米的碳纤维机盖重量仅为3kg。计算综合成本将降低14%,其中包括成本降低48%,资本支出(CAPEX)降低36%。因此合理的使用碳纤维的关键是需要进行有效地设计和制造,来实现降低成本的目标。与金属材料不同,纤维增强复合材料是各向异性材料,本身既是一种材料又是一种结构。构成复合材料的纤维和树脂是一级结构,含有铺层数量和铺层角度的层合板结构是二级结构,具体的产品特征结构是三级结构。鉴于复合材料本身的结构复杂性,面向生产制造的复合材料产品设计是碳纤维复合材料是否能在汽车上应用的灵魂核心。机盖由外板、内板和配件组成,既需要满足刚度要求,又需要保证重量最轻,又要可以生产制造,怎么做?这需要面向制造的产品设计!邸娥梅女士表示,这需要从材料选择开始就要考虑到用什么方法生产的问题,即技术路线选择。对于复合材料,不同的材料对应了不同的工艺类型,也就对应了不同的层合板性能,即使相同的碳纤维型号和相同的树脂型号,采用不同的工艺方法制造,材料的性能就有很大的差异。例如预浸料热压罐成型、预浸料模压成型、RTM成型等制备的材料样板,因为材料纤维体积含量、空隙率的差异,性能就存在不同。后续进行CAE仿真分析的输入就会不一样,设计出来的产品结构就会存在差异。更不要说复合材料的铺层层数设计、角度设计所带来的设计差异,也会很大程度上影响生产制造。结构复杂,纤维布/预浸料的铺覆性差,就需要分块铺贴,分块势必会产生连续纤维的断裂,直接影响力的传递性,分块的多少又直接影响铺贴工序的效率。所以复合材料的汽车零部件设计需要综合考虑权衡。
 

 
  理论研究及工艺验证并行,探索新的应用方案
 
  在结构设计创新方面,邸工认为基础研究至关重要。今年,华特碳纤在汽车行业重点推广的碳纤维复合材料补强金属方案便是其中一项。通过金属和碳纤维复合材料的结合,既能达到良好的性能及轻量化表型,又能做到成本可控,是当前碳纤维大规模应用较好的技术路径之一。
 
  例如,碳纤维复合材料与铝合金防撞梁的有机结合,还能利用碳纤维复合材料产品结构设计性灵活的特点,实现防撞梁的平台化设计,用相同结构的铝合金挤压防撞梁,通过不同结构的碳纤维复合材料进行增强,满足不同车型的特殊需求。
 
  同时我们目前正在进行多材料混杂部件的设计和开发,如将碳纤维与芳纶纤维、铝、钢等材料相结合。在拥有丰富的专业知识基础下,进行了大量基础理论研究及产品工艺验证。同时,公司专业的团队致力于碳纤维增强热塑性复合材料零部件的开发,如(ABS、HDPE、PEEK)。
 
  对于复合材料而言,工艺创新,提升复杂结构产品的成型效率和质量同样重要。生产效率的提升涉及到多方面的技术创新,包括成型方法、模具设计、加热方式、温控技术、自动化等。华特碳纤在进行产品结构设计等尝试的同时,积极探索改进现有工艺技术,致力于降低复杂结构和大尺寸产品的成型时间,同时提升整个生产过程的自动化水平,提高产品的一致性。
 
  类似这些创新方案,我们的研发部门还有很多储备,邸工说,我们拥有丰富的专业知识,进行大量基础理论研究及产品工艺验证,如碳纤维轮毂、传动轴、发动机进气罩,电池壳下壳体,我们都有创新解决方案。更重要的是,我们拥有以低成本生产碳纤维部件的制造基地,可为客户提供从技术到量产全流程方案。

  国际化运营方式 致力碳纤维部件的开发研究
 
  苏州华特时代碳纤维有限公司(HT Carbon Fiber),拥有非常专业全面的碳纤维专家团队。公司项目团队开发了一套独特的算法,可根据客户的具体要求进行设计计算,推算出那种零件适合采用什么等级的碳纤维。专家将为客户提供专业精准的指导,从而用最低的成本开发出高性能碳纤维部件。同时研发团队具有丰富的经验,60%来自于一线主机厂,拥有的专业技术。行业内需要低成本和高性能的解决方案,华特碳纤维将是很好的选择。
 
  据邸娥梅女士介绍,苏州华特时代碳纤维研发团队管理层由面向世界的碳纤维专家组成,采用国际化的运营方式,致力于碳纤维部件的开发和工艺研究。同时,公司拥有先进的实验室,可完成各种材料的性能测试和产品的质量验证。公司配套的专业设备和全自动化生产线,可以低成本制造复合材料零件,满足OEM量产需求。

  专家信息:
 
  邸娥梅,主任工程师,碳纤维专家,苏州华特时代碳纤维有限公司研发部门负责人。在复合材料领域发表多篇期刊论文并拥有多项专利。在过去的近10年中,邸娥梅女士致力于碳纤维材料的应用和设计开发,涉及航天器、轨道交通、飞机内饰以及汽车结构件和外饰件等多领域。
 
  
 
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