新材料!新技術!盤點降低車用複合材料成本的最新技術進展!

2020-11-25 紡織導報

新材料！新技術！盤點降低車用複合材料成本的最新技術進展！

發表時間：2016/5/3

碳纖維複合材料（CFRP）是材料輕量化進程中最成功的代表，但是由於碳纖維價格居高不下，加之複合材料的製備成本高，限制了其在汽車輕量化領域的大規模應用。目前，商業級的碳纖維主要為PAN基碳纖維，其高成本問題主要集中在較高的PAN 原絲生產成本（佔總成本的51％）和較長的生產流程。因此，降低車用CFRP成本的主要路徑是降低碳纖維原絲成本，尋求低成本纖維生產工藝以及低成本的CFRP製備工藝。

低成本碳纖維技術

目前，國外碳纖維主要生產商已經致力於開發低成本碳纖維製造技術，並尋求PAN以外的更低成本的原料來製備碳纖維。日本三菱和東麗公司開發的大絲束碳纖維是低成本製造技術的典型代表，美國也已開發出先進的碳纖維製備技術。



在低成本原料方面，美國、日本等碳纖維主要製造國家已經開發出了包括聚烯烴類聚合物、木質素纖維素、電紡酚醛纖維、輻射丙烯酸紡織物等在內的低成本代替材料。2015年瑞典的研究機構Innventia和Swerea SICOMP也聲稱開發出了世界首創技術，可以基於100％軟木木質素前體製造出重約1.8g的編織CFRP層壓板。並表示，這種材料可以用於生產重量輕、燃油效率高的汽車零件，但是其製造方法與其他目前使用木質素替代前體的研究相同，還處在實驗室階段，進入生產線還需時日。

圖10  Innventia和Swerea SICOMP合作開發的木質素基碳纖維及1.8 g編織碳纖維複合材料層壓板

高效率成型樹脂及成型工藝

除纖維成本外，車用複合材料最大的挑戰是汽車行業高效率的生產預期，其中成型樹脂是決定複合材料生產效率的最主要影響素之一。由於優異的粘合強度和模量、耐蠕變性、高韌性和良好的抗疲勞性能，環氧樹脂通常是汽車複合材料生產商的首選。通過研究和開發「瞬間固化」（能夠流動和徹底浸潤纖維預製件，並在 5min之內固化）的環氧樹脂及其配套的預成型和成型設備，從而開發高效、低成本的複合材料生產技術已經成為降低車用複合材料成本的主要手段之一。



2015年，美國Hexion（瀚森）和Dow Automotive Systems（陶氏汽車系統）先後推出了2種60s可「瞬間固化」的環氧樹脂。其中，Hexion針對樹脂傳遞模塑成型（RTM）和液體壓縮成型（LCM）工藝推出EPIKOTE TRAC06170環氧樹脂與EPIKURE TRAC06170固化劑，僅需20s樹脂注入時間（RTM或LCM）和40s固化時間就可完成複合材料成型。


而陶氏推出的用於LCM工藝的VORAFORCE樹脂，可以直接將樹脂均勻地塗敷在幹的纖維預製件上，並通過壓強使樹脂織物在厚度方向上均勻浸潤，其還宣稱已經與德國KraussMaffei公司和義大利Cannon SpA公司合作開發出僅需要15～20 s塗敷樹脂及30s固化，總製造時間小於60s的複合材料製備工藝。但是該工藝由於很難提供複雜零件的成型模具，對於LCM成型的部件則僅適合相對平坦或輕微輪廓部件的製造，相比之下，RTM是該樹脂最好的選擇。



2015年底，Gurit UK（英國固瑞特）也推出了「瞬間固化」環氧樹脂，但不同於其他針對RTM或溼壓縮成型工藝開發的樹脂，其樹脂配方主要用於成套預浸料和熱進/熱出衝壓成型（hot-in/hot out press molding）工藝。雖然該工藝固化周期需要 5min，但報導稱其製造的部件表面可達A級，無需模具後處理。



今年3月，Huntsman Advanced Materials （亨斯邁先進材料）公司也宣布推出了一款快速固化的環氧樹脂。在此之前，亨斯邁商業化的，固化時間為 2.5min的環氧樹脂的解決方案已經用於生產寶馬i系列高纖維含量的複合材料零部件，而此次推出的快速固化環氧樹脂不僅具有更快的固化速度，而且具有更高的玻璃化溫度（Tg），可承受高達150℃的工藝條件。


據亨斯邁介紹，該樹脂在140℃下僅30s就可固化，這使得1min內複合材料成型工藝成為可能。為此，亨斯邁還開發了與該樹脂配套的動態流體壓縮成型（dynamic fluid compression molding，DFCM），該工藝可以省去高壓注塑工藝，而且在很多情況下也可省略纖維預浸料工藝。與常規溼發壓縮成型（wet-compression molding，WCM）相比，該工藝的主要優點之一是可以減少層壓板層間縫隙，複合材料孔隙率低於1％，性能可媲美高壓的RTM工藝，且高達66％纖維體積含量（FVC）的複合材料可以在沒有特殊處理的條件來實現。

複合材料在汽車工業的應用具有令人期待的發展前景，但其汽車行業對成本/效益要求較高，成本較高且工藝複雜的複合材料要想在汽車輕量化領域獲得長足發展，在其輕量化的天然優勢之下，還必須不斷在低成本、高效率等方面加大研發投入，尋求競爭優勢。

（來源：紡織導報）

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