復(fù)合材料在輕量化汽車終端市場(chǎng)上的應(yīng)用

方鯤1,2劉康1,2李玫2喬治3徐堅(jiān)41. 北京熱塑性復(fù)合材料工程技術(shù)研究所2. 北京納盛通新材料科技有限責(zé)任公司3. 中化集團(tuán)塑料公司4. 深圳大學(xué)

Marelli開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)的片材壓縮模制懸架（ASMC）懸架轉(zhuǎn)向節(jié)，并獲得2020年Altair Enlighten Awards的輕量化大獎(jiǎng)。

復(fù)合材料經(jīng)常被用于賽車運(yùn)動(dòng)和小批量高端、豪華汽車中，而且大多傾向于使用連續(xù)碳纖維材料。從2021到2022年，在這兩個(gè)領(lǐng)域都得到了持續(xù)性的增長(zhǎng)。對(duì)于成本較為敏感的中、高批量生產(chǎn)的車型，復(fù)合材料主要通過(guò)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）以及短切纖維模塑復(fù)合材料，包括片狀模塑料（SMC）車身面板和框架、團(tuán)狀模塑膠（BMC）殼體和支撐結(jié)構(gòu)以及用于保險(xiǎn)杠框架、升降門和座椅結(jié)構(gòu)的注塑熱塑性塑料等方面的應(yīng)用持續(xù)保持穩(wěn)步的增長(zhǎng)，根據(jù)Stratview Research 2019年11月的一份報(bào)告，復(fù)合材料在汽車中的頂級(jí)應(yīng)用按體積順序?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)罩下部件、外部和內(nèi)部。另一個(gè)增長(zhǎng)的市場(chǎng)是懸架部件和驅(qū)動(dòng)軸。除板簧外，還包括：

用于Ram1500半噸皮卡的混合玻璃纖維復(fù)合材料/鋁上部控制臂，由Stellantis和一級(jí)供應(yīng)商Iljin Group共同開(kāi)發(fā)；

福特汽車公司使用SMC和預(yù)浸料開(kāi)發(fā)的后懸架轉(zhuǎn)向節(jié)；

Marelli開(kāi)發(fā)的高級(jí)SMC轉(zhuǎn)向節(jié)；

Saint Jean Industries公司使用Hexcel的預(yù)浸料制成的混合碳纖維/鋁懸架轉(zhuǎn)向節(jié)；

Shape Machining公司在鋁上壓制成型的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂懸掛；

IFA復(fù)合材料公司開(kāi)發(fā)的CFRP平穩(wěn)桿；

Williams Advanced Engineering公司使用回收碳纖維和新開(kāi)發(fā)的RACETRAK工藝，在90秒內(nèi)成型CFRP叉臂懸掛；

• 拱形、多功能單向（UD）玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂前軸“葉片”，包括懸架、防振動(dòng)/噪音和防側(cè)傾；
• Dynexa公司開(kāi)發(fā)的CFRP傳動(dòng)軸；

2021宣布的最著名的懸掛結(jié)構(gòu)之一是由Rassini（Piedras Negras，墨西哥）為MY 2021福特F-150皮卡車開(kāi)發(fā)的碳纖維后懸掛系統(tǒng)（上圖）。該高負(fù)載部件由Rassini使用樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）制造，用Hexion的EPIKOTE樹(shù)脂TRAC 06150和EPIKURE固化劑TRAC 0650環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)制作的玻璃纖維增強(qiáng)件。根據(jù)Hexion發(fā)布的信息，EPIKOTE樹(shù)脂TRAC 06720粘合劑對(duì)于織物穩(wěn)定和織物層的大方向疊層的自動(dòng)預(yù)成型至關(guān)重要，并且與快速固化樹(shù)脂系統(tǒng)完全兼容。在外觀方面，超輕量SMC仍然低于1.0克/立方厘米（g/cc），碳纖維也在取得了很大進(jìn)展，Polynt Composites、AOC和Teijin Automotive Technologies在過(guò)去幾年都增加了新的SMC生產(chǎn)線，所有這些都有能力制造碳纖維SMC。Polynt還將Polynt RECarbon再生纖維SMC引入其產(chǎn)品系列，以及UDCarbon和TXTCarbon化合物，分別采用UD和織物增強(qiáng)材料。這些產(chǎn)品的潛力可以在Magna International和福特汽車公司完成的前副車架開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中看到，該項(xiàng)目使用局部增強(qiáng)和共成型的短切碳纖維SMC，以及由碳纖維0°/90°無(wú)卷曲織物（NCF）制成的SMC貼片。該SMC結(jié)構(gòu)的副車架必須能夠承受大載荷，支撐發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤部件，包括轉(zhuǎn)向器和支撐車輪的下擺臂。雖然只是一個(gè)開(kāi)發(fā)部分，但它實(shí)現(xiàn)了82%的零件減量，用兩個(gè)壓縮成型的復(fù)合材料部件和六個(gè)包覆成型不銹鋼插件替換了54個(gè)沖壓鋼零件，同時(shí)34%的輕量化。01電池外殼汽車復(fù)合材料的另一個(gè)重要推動(dòng)力是全球推行的2050年實(shí)現(xiàn)零排放，這將促進(jìn)電動(dòng)汽車（EV）的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的大幅度增加。2020年9月，加利福尼亞州宣布，將要求該州銷售的所有新乘用車和卡車在2035年前實(shí)現(xiàn)無(wú)排放。與此同時(shí)，歐盟提出了2030年的目標(biāo)，將新車二氧化碳減排目標(biāo)設(shè)定為37.5%。BloombergNEF先進(jìn)材料負(fù)責(zé)人朱莉婭·阿特伍德在IACMI 2020年秋季成員會(huì)議上表示，到2025年，電動(dòng)汽車的平均價(jià)格預(yù)計(jì)將降至內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車的價(jià)格以下。她預(yù)測(cè)，到2037年，全球電動(dòng)汽車銷量將超過(guò)ICE汽車，到2050年將達(dá)到5000萬(wàn)輛/年。動(dòng)力總成技術(shù)中范式轉(zhuǎn)變?cè)诖笠?guī)模引入對(duì)堅(jiān)固的電池外殼系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)能夠滿足嚴(yán)格的機(jī)械和沖擊要求，以及在電池起火時(shí)保護(hù)車輛乘員的防火、防煙和毒性性能。此外，由于電池組給車輛增加了很大的重量，因此要求盡可能的減輕外殼的重量。由于所有這些原因，復(fù)合材料在電池外殼應(yīng)用中被證明是非常有利的，并且這些結(jié)構(gòu)正在為復(fù)合材料在地面運(yùn)輸中，諸如汽車、卡車、公共汽車和其他車輛中的使用提供了主要機(jī)會(huì)。

組裝完成的電池外殼

在2020至2021期間，多家材料供應(yīng)商、汽車制造商和復(fù)合材料制造商宣布了電動(dòng)汽車用電池外殼解決方案。例如，Evonik Industries（德國(guó)埃森）于2021年2月報(bào)告稱，它正與合作伙伴組成的財(cái)團(tuán)開(kāi)發(fā)一種更輕、更具成本效益的高壓電池外殼，使用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧SMC的電動(dòng)出行解決方案。整體電池系統(tǒng)概念旨在為汽車行業(yè)提供一種更安全、更節(jié)能的替代方案，以取代金屬或價(jià)格更高的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）。聯(lián)合體包括Evonik Industries、Forward Engineering（德國(guó)慕尼黑）、電池技術(shù)專家LION Smart（德國(guó)加興）、組件制造商Lorenz Kunststofftechnik（德國(guó)沃倫霍斯特）、工程服務(wù)和業(yè)務(wù)發(fā)展專家Vestaro（慕尼黑，贏創(chuàng)和Forward工程的合資企業(yè)）、EV電池外殼和其他汽車結(jié)構(gòu)的全球制造商MINTH（中國(guó)嘉興市）。聯(lián)合體開(kāi)發(fā)的復(fù)合電池外殼概念可用于三種電池規(guī)格：65千瓦時(shí)（kWh）、85千瓦時(shí)和120千瓦時(shí)，用于各種車輛尺寸和等級(jí)。

IDI Composites International采用FLAMEVEX制造的EV電池外殼

2020年，IDI Composites International（美國(guó)印第安納州諾布爾斯維爾）推出了FLAMEVEX，這是一個(gè)新的纖維增強(qiáng)材料和樹(shù)脂家族，專門用于制造電動(dòng)汽車和新能源汽車（NEV）市場(chǎng)的電池外殼系統(tǒng)。FLAMEVEX系列產(chǎn)品包括短切玻璃纖維與不飽和聚酯（UPR）或UPR與乙烯基酯的組合，已通過(guò)嚴(yán)格的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T31467.3測(cè)試（電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)安全性要求與測(cè)試方法）。IDI表示，F(xiàn)LAMEVEX為設(shè)計(jì)師提供了一種堅(jiān)固、輕便、經(jīng)濟(jì)高效的替代材料，以取代傳統(tǒng)上用于封裝電動(dòng)汽車和新能源汽車電池組的鋼和鋁材料。2021年8月，德國(guó)專業(yè)化學(xué)品公司Lanxess和韓國(guó)汽車零部件公司INFAC宣布聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種電池外殼。INFAC專門從事汽車控制電纜、執(zhí)行器、天線和電池組，它使用Lanxess的Durethan BKV30FN04，以滿足嚴(yán)格的機(jī)械和化學(xué)性能要求。無(wú)鹵阻燃玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺6（PA6）材料具有優(yōu)化的阻燃和電氣性能。Lanxess指出，該材料具有高度可加工性，能夠集成外殼組件所需的復(fù)雜功能，從而減少零件數(shù)量，簡(jiǎn)化組裝過(guò)程，減輕重量。2021年，該外殼已在韓國(guó)OEM批量生產(chǎn)用于某電動(dòng)汽車上。CSP的多材料電池外殼展示了包括組裝，以多種材料生產(chǎn)電池外殼所需的所有組件的能力許多復(fù)合電池外殼通常使用金屬底座，電池單元安裝在金屬底座上，頂部用復(fù)合材料的電池蓋。2020年末，帝人汽車技術(shù)公司（前身為美國(guó)密歇根州奧本山大陸結(jié)構(gòu)塑料公司）和母公司帝人有限公司（日本東京）宣布開(kāi)發(fā)全套多材料電池外殼，在下托盤和上蓋中使用復(fù)合材料。帝人汽車技術(shù)公司執(zhí)行董事休·福蘭表示：“作為我們新的高級(jí)技術(shù)中心的初始項(xiàng)目之一，我們用生產(chǎn)模具鋼（P-20）設(shè)計(jì)和制造模具工具，然后我們開(kāi)始制定不同的材料和獨(dú)特的工藝，不僅增強(qiáng)模具，還增強(qiáng)零件本身。”?！拔覀円恢痹谶M(jìn)行廣泛的測(cè)試。我們?cè)谌毡镜腉H Craft進(jìn)行了自己的碰撞測(cè)試，因此我們對(duì)不同的車架進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)箱體設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些修改，包括增加一些筋骨以增加更多的結(jié)構(gòu)?！钡廴诉€與供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)了不同的預(yù)制件和玻璃纖維材料，以添加到箱體中，電池供應(yīng)商也能夠測(cè)試整個(gè)外殼的熱失控要求，并在負(fù)載下進(jìn)行評(píng)估。除電池外，外殼本身至少包括三個(gè)結(jié)構(gòu)部件：相對(duì)較薄的復(fù)合材料頂蓋、較厚且更具結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料底托盤和金屬梯形框架，以在箱體內(nèi)部為電池提供額外支撐。帝人還開(kāi)發(fā)了一種吸能結(jié)構(gòu)泡沫內(nèi)部框架，可用于更高的碰撞保護(hù)。同樣在2020年末，TRB Lightweight Structures（英國(guó)亨廷頓TRB）在美國(guó)肯塔基州啟動(dòng)了電動(dòng)客車復(fù)合電池外殼生產(chǎn)工廠。此外，TRB與美國(guó)豐田通商（美國(guó)紐約州）合資使用碳纖維預(yù)浸料，通過(guò)自動(dòng)切割和壓縮成型，每11分鐘生產(chǎn)一個(gè)外殼，每年生產(chǎn)多達(dá)40000個(gè)電池外殼。02碳纖維輪轂第一個(gè)完全商業(yè)化用于汽車工業(yè)的碳纖維輪轂是由carbon Revolution（澳大利亞）生產(chǎn)的，于2008年推向市場(chǎng)。2015年，carbon Involution為福特野馬謝爾比GT350R推出了碳纖維輪轂。然而，這些車輪每臺(tái)售價(jià)15000美元，并不適合批量生產(chǎn)車輛。從那時(shí)起，各種汽車復(fù)合材料制造商一直在追求材料和工藝接合，以使碳纖維車輪在成本和性能上與鍛造和鑄造鋁車輪能夠競(jìng)爭(zhēng)。

2021年8月，Bucci Composites SpA（意大利）宣布為英國(guó)汽車制造商Bentley的Bentayga SUV開(kāi)發(fā)22英寸全碳纖維輪轂。據(jù)說(shuō)是迄今為止制造的最大的全碳纖維輪轂，它是通過(guò)高壓RTM（HP-RTM）制造的，每個(gè)車輪可減輕6公斤的重量。Bucci Composites表示，更輕的車輪可減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這意味著可以得到更大的加速度、更短的制動(dòng)距離和更好的車輛操控性。

2021秋季，在美國(guó)德克薩斯州達(dá)拉斯舉行的CAMX 2021貿(mào)易展上，越野車、賽車和售后汽車輪轂的設(shè)計(jì)師和制造商Vision Wheel（美國(guó)阿拉巴馬州）推出了其最新的碳纖維輪轂，該輪轂是與IDI Composites International和復(fù)合材料編織公司A&P Technology（美國(guó)俄亥俄州）合作開(kāi)發(fā)的。Vision Wheel碳纖維輪轂采用IDI的Ultrium U660（一種基于碳纖維的復(fù)合材料）制造，輻條采用A&P提供的編織預(yù)制件制造，整個(gè)車輪通過(guò)壓模成型工藝完成。03更高的產(chǎn)量和持續(xù)性盡管市場(chǎng)正在從內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車逐步轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，但內(nèi)燃機(jī)汽車的生產(chǎn)完全停止還需要十多年的時(shí)間。與此同時(shí)，汽車制造商仍然在繼續(xù)尋找提高汽車效率的方法。這意味著復(fù)合材料必須提供極具吸引力的價(jià)值，以激勵(lì)汽車制造商放棄傳統(tǒng)（和更熟悉的）材料和工藝。2021的各種公告表明，原始設(shè)備制造商和供應(yīng)鏈似乎認(rèn)為復(fù)合材料的應(yīng)用前景廣闊。

2021年10月，由英國(guó)政府資助的研究項(xiàng)目-TUCANA、AOC AG（瑞士）和Astar（西班牙）宣布開(kāi)發(fā)一種基于Daron聚氨酯混合技術(shù)的新型SMC，該技術(shù)能夠在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)具有環(huán)氧樹(shù)脂CF-SMC機(jī)械性能的短切碳纖維模塑件，以及具備UPR和乙烯基酯樹(shù)脂SMC的制造容易性。CF-SMC共同支持開(kāi)發(fā)具有低密度、E-coat能力和低排放的汽車結(jié)構(gòu)零部件，同時(shí)保持復(fù)合材料典型的設(shè)計(jì)靈活性。它還將與Zoltek（美國(guó)密蘇里州）的低成本分束纖維結(jié)合使用。同樣是在10月，Carbon Truck&Trailer GmbH（德國(guó)）宣布安裝iPul拉擠系統(tǒng)（如上圖），用于生產(chǎn)客車、小型卡車和移動(dòng)房屋等車輛的高負(fù)載部件輕型碳纖維增強(qiáng)塑料型材系列。新的拉擠系統(tǒng)由Pultrex（英國(guó)勞福德KraussMaffei子公司）交付，并根據(jù)Carbon TT的要求量身定制，每年為大約70000輛汽車底盤型材零件。

2019年雪佛蘭為Silverado皮卡設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了熱塑性復(fù)合材料/金屬保險(xiǎn)杠支架。與標(biāo)準(zhǔn)相比，這對(duì)注塑混合動(dòng)力支架的質(zhì)量降低了2.5千克/輛。由于質(zhì)量分解效應(yīng)，較輕的保險(xiǎn)杠拐角使得保險(xiǎn)杠安裝支架和其他部件的尺寸減小，因此前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的總質(zhì)量比即將推出的車型減少了7.3千克。Advanced Composites Products & Technology Inc.（ACPT）公司宣布將開(kāi)發(fā)新技術(shù)以加速碳纖維復(fù)合材料在汽車驅(qū)動(dòng)軸上的應(yīng)用。ACPT表示，增加傳動(dòng)軸產(chǎn)量的原因是需求增加，這是由于碳纖維傳動(dòng)軸與金屬傳動(dòng)軸相比具有獨(dú)特的混合性能，如更高的扭矩能力、更高的轉(zhuǎn)速能力、更好的可靠性、更輕的重量，由于在高沖擊時(shí)傾向于分解成相對(duì)無(wú)害的碳纖維，并且降低了噪音、振動(dòng)和不平順性（NVH），從而提高了安全性。ACPT從Roth Composite Machinery（德國(guó)）引進(jìn)了一種具有多個(gè)纏繞架的雙軸自動(dòng)纖維纏繞系統(tǒng)，而且采用由Globe Machine Manufacturing公司（美國(guó)華盛頓州）設(shè)計(jì)的半自動(dòng)芯軸處理系統(tǒng)。