汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料研發(fā)方向討論

1、Page 1 20152015年年銀寶山新科技股份有限公司技術(shù)中心版權(quán)所有融匯尖端科技融匯尖端科技 雕琢世界品牌雕琢世界品牌 深圳市銀寶山新科技股份有限公司技術(shù)中心，成立于 2008年。本中心擁有一支專(zhuān)業(yè)、創(chuàng)新的技術(shù)隊(duì)伍, 由研發(fā)部、先進(jìn)制造技術(shù)研究所、標(biāo)準(zhǔn)化部、數(shù)字化部、知識(shí)產(chǎn)權(quán)部組成，負(fù)責(zé)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)、創(chuàng)造運(yùn)用知識(shí)產(chǎn)權(quán)、建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、凝聚培養(yǎng)創(chuàng)新人才、推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新全過(guò)程實(shí)施，組織實(shí)施自動(dòng)化數(shù)字化技術(shù)改造，以解放技術(shù)生產(chǎn)力為使命，以保障公司技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)領(lǐng)先為目的，為公司的戰(zhàn)略和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)保駕護(hù)航。深圳市銀寶山新科技股份有限公司技術(shù)中心汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料研發(fā)方向討

2、論2018.3.15Page 2 2匯報(bào)內(nèi)容Page 3 3一、纖維類(lèi)型及關(guān)鍵技術(shù)碳纖維短切纖維由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)纖維切斷機(jī)短切而成。一般長(zhǎng)度在1mm-100mm范圍。該纖維一般不能直接使用，會(huì)與樹(shù)脂含浸制成半成品待后道工藝使用。比如：SMC、LFT-G等碳纖維編織物由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)織機(jī)織造而成。一般分為機(jī)織物（平紋、斜紋、緞紋）、經(jīng)編織物和立體編織物（立體編織、立體機(jī)織、鋪縫）。適合做外觀?？椢锟梢宰龀深A(yù)浸料使用，或是直接使用，但一般需要進(jìn)行裁剪和預(yù)定型。比如：WCM和RTM。碳纖維碳纖維預(yù)浸料由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)預(yù)浸機(jī)與樹(shù)脂復(fù)合而成。一般分為單向預(yù)浸布和織物預(yù)浸料。預(yù)浸料直接使用鋪覆在模具上。由于預(yù)浸

3、料本身的特性，會(huì)更有設(shè)計(jì)性。比如：PCM碳纖維氈由碳纖維長(zhǎng)絲制成的氈。碳纖維氈一般會(huì)作為補(bǔ)強(qiáng)或是特殊功能用。可以與樹(shù)脂復(fù)合制成GMT使用。Page 4 4非連續(xù)纖維連續(xù)纖維VS1. 材料制造簡(jiǎn)單。2. 可使用邊角料、廢料或回收材料，成本低是其最大的優(yōu)點(diǎn)。3. 纖維分散，容易用樹(shù)脂浸潤(rùn)。4. 后續(xù)成型工藝簡(jiǎn)單，流動(dòng)性好包括所有短切纖維和碳纖維氈，但主要使用短切纖維。包括所有預(yù)浸料和織物。1. 成型后，無(wú)法發(fā)揮纖維性能。2. 對(duì)應(yīng)成型工藝中均無(wú)法保證樹(shù)脂含量。1. 力學(xué)性能保留率高。2. 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。3.一般成型過(guò)程中樹(shù)脂含量可控。1. 后續(xù)材料成本高。2. 成型設(shè)備和工藝成本高。3. 成型過(guò)程中

4、需要考慮纖維浸潤(rùn)。Page 5 5關(guān)鍵技術(shù)纖維種類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)連續(xù)纖維1. 高速纖維浸潤(rùn)技術(shù)開(kāi)發(fā)；2. 低成本制造技術(shù)開(kāi)發(fā)；3. 高表面質(zhì)量制件制造技術(shù)開(kāi)發(fā)。非連續(xù)纖維1. 穩(wěn)定樹(shù)脂含量控制技術(shù)開(kāi)發(fā)；2. 高纖維體積含量制造技術(shù)開(kāi)發(fā)；3. 大尺寸纖維制造技術(shù)開(kāi)發(fā)；4. 纖維均勻分布控制技術(shù)開(kāi)發(fā)；5. 嵌入件或補(bǔ)強(qiáng)件連接技術(shù)開(kāi)發(fā)。Page 6 62.1 HP-RTMHP-RTM（High pression Resion Transform Molding，高壓樹(shù)脂傳遞模塑），是通過(guò)增大注射壓力提升注射速度的有效方法。高壓意味著混合頭中的壓力高達(dá)150bar（約15MPa），模內(nèi)壓力高達(dá)30120ba

5、r（312MPa），具體多少取決于部件的尺寸和形狀。1. 充?？?、浸潤(rùn)效果好，顯著減少了氣泡，降低了孔隙率；2. 使用高活性樹(shù)脂，縮短了生產(chǎn)周期，工藝穩(wěn)定性和可重復(fù)性高；3. 使用內(nèi)脫模劑和自清潔系統(tǒng)，制件表面效果優(yōu)秀，厚度和形狀偏差小?？蓪?shí)現(xiàn)低成本、短周期（大批量）、高質(zhì)量生產(chǎn)。4. 具有很高的工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性。二、各成型工藝對(duì)比Page 7 7HP-RTM過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù) 纖維增強(qiáng)材料的預(yù)定型技術(shù) 高精度樹(shù)脂計(jì)量、混合及注射技術(shù) 成型模具溫度場(chǎng)均勻性和密封性設(shè)計(jì) 高精度液壓機(jī)及其控制技術(shù)RTM自動(dòng)化生產(chǎn)線3D編織HP-RTM的預(yù)定型技術(shù)模具壓制定型Page 8 82.2 WCMWCM（W

6、et Compression Molding，濕法模壓）是將樹(shù)脂浸漬的碳纖維編織物在潤(rùn)濕的狀 態(tài)下置入三維壓模中，然后進(jìn)行壓型和硬化處理。優(yōu)點(diǎn)：成型快，可批量化生產(chǎn)，成本低。缺點(diǎn)：性能略差，樹(shù)脂含量控制和樹(shù)脂浸潤(rùn)存在難點(diǎn)。Page 9 92.3 PCMPCM（Prepeg Compression Molding，預(yù)浸料模壓）工藝是將已經(jīng)用樹(shù)脂預(yù)浸處理好的預(yù)浸料放入模壓機(jī)中進(jìn)行直接成型。是目前為止最為普及的成型工藝之一。預(yù)浸料后視鏡模壓機(jī)Page 10 10各成型工藝對(duì)比表2.4 各成型工藝對(duì)比Page 11 11基礎(chǔ)材料成本對(duì)比（ HP-RTMPCMWCMGMTLFT-DSMC ）HP-RTM

7、樹(shù)脂：快速固化環(huán)氧液體樹(shù)脂，價(jià)格估計(jì)5060RMB/kg。纖 維 ： 碳 纖 維 織 物 ， 價(jià) 格 估 計(jì)250400RMB/kg。若購(gòu)買(mǎi)編織預(yù)制體，則價(jià)格估計(jì)1000RMB/kg以上。WCM樹(shù)脂：快速固化環(huán)氧液體樹(shù)脂，價(jià)格估計(jì)5060RMB/kg。纖 維 ： 碳 纖 維 織 物 ， 價(jià) 格 估 計(jì)250400RMB/kg。PCM樹(shù)脂：快速固化環(huán)氧固體樹(shù)脂，價(jià)格估計(jì)5060RMB/kg。纖 維 ： 碳 纖 維 織 物 ， 價(jià) 格 估 計(jì)250400RMB/kg?；蚴褂美w維束，價(jià)格估計(jì)150280RMB/kg。成 型 材 料 ： 預(yù) 浸 料 。 價(jià) 格 估 計(jì)6001200RMB/kgSMC樹(shù)

8、脂：不飽和聚酯樹(shù)脂，價(jià)格估計(jì)1030RMB/kg。纖 維 ： 短 切 碳 纖 維 。 價(jià) 格 估 計(jì)50150RMB/kg。LFT-D樹(shù)脂：熱塑樹(shù)脂（PA、PPS、PP），價(jià)格估計(jì)1030RMB/kg。纖 維 ： 碳 纖 維 束 ， 價(jià) 格 估 計(jì)150280RMB/kg（T700纖維）。GMT樹(shù)脂：熱塑樹(shù)脂（PA、PPS、PP），價(jià)格估計(jì)1030RMB/kg。纖 維 ： 碳 纖 維 氈 ， 價(jià) 格 估 計(jì)5001000RMB/kg。如果使用回收纖維，價(jià)格估計(jì)200500RMB/kg 。Page 12 12HP-RTM設(shè)備：一臺(tái)模壓機(jī)、一臺(tái)高精密高壓注膠機(jī)、一臺(tái)預(yù)制體定型壓機(jī)。WCM設(shè)備：一臺(tái)

9、模壓機(jī)。PCM設(shè)備：一臺(tái)模壓機(jī)。SMC設(shè)備：一臺(tái)模壓機(jī)。LFT-D設(shè)備：一臺(tái)模壓機(jī)、雙螺桿注射機(jī)。GMT設(shè)備：一臺(tái)模壓機(jī)。設(shè)備成本對(duì)比（ HP-RTM LFT-D GMT WCM PCM SMC ）HP-RTM目前處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)中，未有批量化生產(chǎn)。技術(shù)難點(diǎn)較多，還需開(kāi)發(fā)預(yù)制體技術(shù)。無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)，但可參考預(yù)浸料數(shù)據(jù)庫(kù)。WCM目前處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)中，未有批量化生產(chǎn)。技術(shù)難點(diǎn)較少。無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)，但可參考預(yù)浸料數(shù)據(jù)庫(kù)。PCM有批量化生產(chǎn)，技術(shù)成熟。技術(shù)難點(diǎn)少。有數(shù)據(jù)庫(kù)。SMC有批量化生產(chǎn)，技術(shù)成熟。技術(shù)難點(diǎn)少。有數(shù)據(jù)庫(kù)。LFT-D國(guó)內(nèi)無(wú)批量化生產(chǎn)，但國(guó)外技術(shù)成熟。技術(shù)難點(diǎn)少。無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)。GMT國(guó)內(nèi)無(wú)批量化生產(chǎn)，但國(guó)外

10、技術(shù)成熟。技術(shù)難點(diǎn)少。無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)。工藝開(kāi)發(fā)成本對(duì)比（ HP-RTM WCM GMT LFT-D PCM SMC ）Page 13 13材料性能對(duì)比（ PCMHP-RTMWCMLFT-DSMC GMT ）HP-RTM制件質(zhì)量好，孔隙少?？稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)。使用連續(xù)碳纖維織物，制件強(qiáng)度高。WCM使用連續(xù)碳纖維織物，制件強(qiáng)度相對(duì)高。制件質(zhì)量較差，孔隙較多，會(huì)一定程度上降低制件的性能?？稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)。PCM制件質(zhì)量好，孔隙少。可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，特別是單向預(yù)浸料。使用連續(xù)纖維，制件強(qiáng)度高。SMC使用短切纖維，性能不高，較難發(fā)揮碳纖維的力學(xué)優(yōu)勢(shì)。LFT-D使用切斷的纖維，性能不高，較難發(fā)揮碳纖維的力學(xué)優(yōu)勢(shì)。由于纖維尺寸相對(duì)較

11、長(zhǎng)，可以通過(guò)工藝彌補(bǔ)。GMT使用纖維氈，性能不高，非常難發(fā)揮碳纖維的力學(xué)優(yōu)勢(shì)。如果使用回收纖維，性能更差Page 14 14 從各方面來(lái)綜合分析，我認(rèn)為銀寶山新的研究方向需要以熱塑性樹(shù)脂的LFT-D成型工藝為主，輔助研究PCM工藝或WCM工藝?；谝韵聨追矫娴脑颍篏MT需向其它供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)原材料，其制品種類(lèi)與LFT-D類(lèi)似，沒(méi)有必要消耗時(shí)間去進(jìn)行研究。同時(shí)其它供應(yīng)商不一定具備生產(chǎn)能力。HP-RTM設(shè)備成本和研發(fā)成本太大。若無(wú)穩(wěn)定的客戶(hù)需求和資金來(lái)源以及有能力合作的研究院所投入與回報(bào)可能在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法平衡。1.LFT-D目前能夠滿足熱塑性零部件的客戶(hù)需求，能應(yīng)對(duì)復(fù)雜形狀和對(duì)力學(xué)性能要求不高的零部

12、件。1.PCM（或WCM）工藝能滿足熱固性制品的客戶(hù)需求，可以制造具有高力學(xué)性能的承力結(jié)構(gòu)件和次承力結(jié)構(gòu)件，比如汽車(chē)底盤(pán)。Page 15 15研發(fā)流程三、研發(fā)團(tuán)隊(duì)配置及資源配置3.1 研發(fā)團(tuán)隊(duì)配置及工作Page 16 161.篩選合適的材料和供應(yīng)商。包括對(duì)樹(shù)脂和纖維。并進(jìn)行管理。2.建立完善的材料數(shù)據(jù)庫(kù)。依托于不同材料、不同工藝下的試樣測(cè)試數(shù)據(jù)。3.材料選型設(shè)計(jì)。依托于材料性能要求對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對(duì)新材料進(jìn)行選型。01材料工程師1.收集并建立測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，確保試驗(yàn)結(jié)果的符合性與可對(duì)比性。2.需求科研院所和企業(yè)合作，減少試驗(yàn)成本。3.對(duì)于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目，需自行進(jìn)行測(cè)試方法，并取得客戶(hù)認(rèn)

13、可。4.及時(shí)匯總和分析測(cè)試數(shù)據(jù)，并反饋給材料人員。05 檢測(cè)工程師1.根據(jù)客戶(hù)給出的工況要求和制件尺寸，反推出材料性能，并配合工藝工程師制定工藝方案。2.根據(jù)材料性能，對(duì)制件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，保證計(jì)算結(jié)果符合客戶(hù)要求。02 結(jié)構(gòu)工程師1.按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)及成型工藝設(shè)計(jì)合適的模具，包括各種工裝設(shè)計(jì)。2.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果持續(xù)對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化。03 模具工程師1.根據(jù)客戶(hù)的材料和制件要求制定合理試驗(yàn)方案，并進(jìn)行工藝試驗(yàn)。2.負(fù)責(zé)對(duì)制造設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造，持續(xù)優(yōu)化。3.將制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化，方便批量化生產(chǎn)。04 工藝工程師Page 17 17例1 現(xiàn)有材料性能可以滿足客戶(hù)需求Page 18 18例2 現(xiàn)有材料性

14、能不能滿足客戶(hù)需求Page 19 19目前已擁有PP和PA樹(shù)脂。3.2 實(shí)物需求（針對(duì)碳纖維LFT-D）暫時(shí)缺少碳纖維。研究過(guò)程中纖維的來(lái)源主要以高校合作、企業(yè)合作或購(gòu)買(mǎi)的方式進(jìn)行。為了盡可能加強(qiáng)LFT制件的性能，碳纖維以Toray T700SC為主。1.樹(shù)脂與纖維復(fù)合可能浸潤(rùn)性差；2.纖維表面上漿劑的耐溫性問(wèn)題。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)研究過(guò)程中樹(shù)脂的來(lái)源主要以高校合作、企業(yè)合作或購(gòu)買(mǎi)的方式進(jìn)行。熱塑性樹(shù)脂以PP、PA和PPS為主，其中PA和PPS性能優(yōu)異。1. 缺少客戶(hù)對(duì)材料性能要求的輸入，無(wú)法對(duì)合作高?；驈S商提出要求，無(wú)法確認(rèn)材料種類(lèi)和規(guī)格。2. 沒(méi)有詳細(xì)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，目前僅能在項(xiàng)目進(jìn)行的同時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有

15、樹(shù)脂進(jìn)行試驗(yàn)積累。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)纖維樹(shù)脂Page 20 20目前已擁有LFT-D注塑機(jī)和電子顯微鏡。設(shè)備配置1.由于汽車(chē)用熱塑性復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)處于起步階段，部分測(cè)試項(xiàng)目需要自行建立測(cè)試方法。測(cè)試設(shè)備無(wú)法確定。2.所有測(cè)試設(shè)備必須符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，否則測(cè)試無(wú)效。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1.研究過(guò)程中的制造設(shè)備以公司購(gòu)買(mǎi)為主。2.測(cè)試設(shè)備需要配置一些常規(guī)的設(shè)備。拉伸試驗(yàn)機(jī)（需夾具）、沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、天平、電子顯微鏡。3.非常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目以高校合作或測(cè)試中心付費(fèi)測(cè)試的方式進(jìn)行。4.制件測(cè)試設(shè)備以客戶(hù)要求或標(biāo)準(zhǔn)為主。制造設(shè)備專(zhuān)用注塑機(jī)+模壓機(jī)測(cè)試設(shè)備推薦自購(gòu)：密度天平、烘箱、電子顯微鏡、拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)。需高校合作：SEM、DSC、DMAPage 21 21制造模具主要為制造最終產(chǎn)品、零部件或測(cè)試試樣的模具；檢測(cè)模具主要是為檢測(cè)最終制件的翹曲等模具尺寸要求用的模具。檢驗(yàn)工裝主要是在檢測(cè)試樣或者制件過(guò)程中涉及到需加裝在檢測(cè)裝置的輔助工裝。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)研究過(guò)程中的模具以公司自主設(shè)計(jì)為主。但碳纖維設(shè)計(jì)理念與制造和其它種類(lèi)的產(chǎn)品不同，需要注意。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)需要優(yōu)先以客戶(hù)要求為主，或是使用行業(yè)認(rèn)可的通用標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)椴煌臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)決定了測(cè)試尺寸、工裝夾具、測(cè)試條件以及設(shè)備。序號(hào)性能標(biāo)準(zhǔn)1玻纖含量EN DIN ISO 25642密度EN DIN ISO 11833熔融溫度EN