復合材料在汽車上的應用

1、劉明昌 2013年11月5日,復合材料在汽車上的應用 SAMPE中國年會,輕量化復合材料為汽車減重,2,報告內(nèi)容,3,一、復合材料在汽車上的應用現(xiàn)狀,4,一、復合材料在汽車上的應用現(xiàn)狀,復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。由于復合材料的范圍較廣，分類較多，本報告中涉及的復合材料均為高分子復合材料，其基體材料為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。 由于復合材料具有高的比強度和比模度、抗疲勞性能好、良好的破裂安全性能、優(yōu)良的高溫性能、減震性能好、成型工藝簡便靈活及可設計性強等特點，復合材料越來越多的應用于汽車

2、行業(yè)；而且復合材料可設計性強、開放周期短以及減輕整車重量的優(yōu)勢，國內(nèi)外都在大力研發(fā)汽車用復合材料和復合材料汽車。 隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、安全、輕量化將成為未來汽車的主要發(fā)展方向，而具有剛性大、強度高、重量輕等特點的復合材料正好順應了汽車的發(fā)展趨勢。因此，復合材料在汽車產(chǎn)業(yè)的應用就變得尤為重要，其在汽車上的廣泛應用前景和發(fā)展趨勢，必將導致未來汽車材料的巨大革新。,有人稱，2013年是復合材料汽車元年,5,一、復合材料在汽車上的應用現(xiàn)狀,統(tǒng)計顯示，全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達105千克，約占汽車總重量的8%12%。而發(fā)達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重

3、量的12%20%。近兩年，車用塑料的最大品種聚丙烯，每年以2.2%2.8%的速度加快增長，預計到2020年，發(fā)達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。 目前，德國奔馳高級轎車塑料及復合材料用量已經(jīng)達到150千克/輛，而奧迪車就更多了，如奧迪A2型轎車，塑料及復合材料件總重量已達220千克，占總用材的24.6%。,1.1 汽車工業(yè)成為復合材料的最大用戶,6,一、復合材料在汽車上的應用現(xiàn)狀,在塑料及其復合材料在汽車上的應用歷程上，中航復合材料有限責任公司李宏遠副總經(jīng)理的“復合材料在汽車領域的應用”報告認為： （1）成熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐熱熱增強改性，

4、主要應用在汽車內(nèi)外裝飾件上。 （2）進行的第二步：長/短玻璃纖維增強復合材料，主要應用于汽車部分結(jié)構(gòu)件和功能件上，是目前廣泛應用于汽車上的重要復合材料。 纖維熱塑性塑料：SMC/BMC; 纖維熱塑性塑料：GMT、LFT。 （3）關鍵的第三步：汽車用復合材料關鍵性的第三步，碳纖維增強復合材料（CFRP），主要應用于車身承載結(jié)構(gòu)件。 （4）追求的第四步：追求綠色的第四步，天然植物纖維增強復合材料，主要應用于汽車內(nèi)外裝飾件，有機回收，環(huán)保。,1.2 復合材料在汽車上的應用歷程,7,一、復合材料在汽車上的應用現(xiàn)狀,1.3 汽車用復合材料成型工藝,8,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,白車車身材料,1.

5、4 復合材料在車上應用趨勢,9,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,10,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,復合材料在上汽乘用車上的應用，胡仁其 高級經(jīng)理，上汽乘用車中心實驗室,2.1 整車輕量化的意義,11,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.2 整車輕量化的途徑,復合材料的使用時整車輕量化的主要途徑之一。,12,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.3 典型乘用車所用材料,高分子復合材料具有比強度、比模量大,耐疲勞性能好,阻尼減震性好，破損安全性高和耐腐蝕性能優(yōu)越等特點，因此高分子復合材料的使用能夠在使得汽車在節(jié)能減重的同時更具安全和舒適性。,13,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.3

6、 典型乘用車所用材料,14,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.3 典型乘用車所用材料,15,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.4 復合材料在乘用車上的應用,16,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.4 復合材料在乘用車上的應用,17,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.5 熱塑性復合材料在乘用車上的應用,目前，汽車上使用的玻纖增強塑料主要有玻纖增強PP、玻纖增強PA66或PA6以及少量PBT、PPO材料 。,長線粒料（LFT） 在乘用車上的應用,18,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.5 熱塑性復合材料在乘用車上的應用,玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)，是目前國際上極為活

7、躍的復合材料開發(fā)品種，主要用于生產(chǎn)多功能支架、儀表板托架、座椅骨架，發(fā)動機護板、蓄電池托架等。,據(jù)統(tǒng)計，汽車行業(yè)的LFT消耗量約占世界LFT行業(yè)總消耗量的80%。而在汽車行業(yè)中，歐美LFT消耗量大約占95%，其中歐洲占80%，美國占15%。業(yè)內(nèi)類似的研究使得長纖維增強熱塑性材料（LFRT）在重型卡車和大規(guī)模公共交通運輸領域被廣泛關注，休閑車（RV）OEM制造商更是表示，探索熱塑性復合材料能夠幫助他們“車輛上的房子”性能更為優(yōu)越。,發(fā)動機護板,蓄電池托架,玻璃纖維氈增強 熱塑性復合材料 (GMT)在乘用車 上的應用,19,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.5 熱塑性復合材料在乘用車上的應用,

8、連續(xù)玻璃纖維和玻璃纖維通過合理的設計制造座椅骨架,德國化工巨頭巴斯夫公司和法國汽車配件集團佛吉亞公司聯(lián)手設計了一種復合材料汽車座椅骨架。這種骨架用連續(xù)玻璃纖維和尼龍注塑成型，比傳統(tǒng)的汽車座椅減少了泡沫塑料和金屬用量，比傳統(tǒng)金屬骨架輕20%、薄30%。最重要的是，它減少了座椅中75%的泡沫用量。佛吉亞公司預計這種座椅在2014年就能進入主流汽車市場。目前這種座椅有兩種設計形式，都采用暴露的骨架來減少材料用量。,上汽乘用車中心實驗室胡仁其高級經(jīng)理在報告中單獨提出來了這個應用,20,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,2.5 熱塑性復合材料在乘用車上的應用,天然纖維增強熱塑性樹脂復合材料在汽車內(nèi)裝飾件

9、上的應用,該解決方案是為提高結(jié)構(gòu)和降噪性能而開發(fā)的 采用單一的復合材料（可以回收利用） 減輕重量， 降低成本,工藝：LFT粒子注射成型 D-LFT模壓成型 OEMs: Mercedes E-class 注射成型 BMW 7-series 注射成型 VW Polo 模壓 VW Golf 模壓,應用舉例引擎降噪板/底部護板,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,21,OEM BMW 車型 7 series 產(chǎn)量 55.000 cars 重量 (6 parts) 6,7 kg 供應商 Faist 部件加工商Polynorm 工藝路線 擠出模壓成型 使用材料 StaMax P 30YK430 優(yōu)勢綜合成本

10、比GMT更低，對汽車底部的保護較好,應用舉例引擎降噪板/底部護板,22,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,OEM DCX Vehicle E-class 產(chǎn)量 250.000 cars 部件重量 5 kg 供應商 Polynorm 加工商 Polynorm 工藝路線 LFTP擠出模壓 使用材料 StaMax P 20YK430 MB,23,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,應用舉例引擎降噪板/底部護板,給客戶帶來的好處： 和鋼材相比，降低了重量，節(jié)省了成本 便于組裝 功能綜合性提高 干濕分離 聲阻尼效果改善,產(chǎn)量 :500.000 cars/a 部件重量 : 1kg 改造方 : Faureci

11、a 工藝路線 : 注射成型 使用材料 :Stamax P30YM240,24,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,應用舉例Ford-Fiesta 門板模塊,尺寸 (L/W/H/WB) mm - 3626 / 1688 / 1396 / 2467 整車質(zhì)量 - 1125 kg 產(chǎn)量 - 120,000 cars 材料 - StaMax P 30YM240 前端框架重量 - 3 kg 制造商 - Faurecia 工藝 - 1500 T 注射成型,優(yōu)勢： 和鋼材相比節(jié)省了成本，減輕了重量部件,25,二、熱塑性復合材料在汽車上的應用,應用舉例BMW Mini Cooper前端框架,26,三、熱固性復合

12、材料在汽車上的應用,27,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.1 熱固性復合材料在汽車上的應用,從目前熱塑性復合材料和熱固性復合材料在汽車上的應用來看，熱塑性復合材料主要是應用于非承受力或次承受力的結(jié)構(gòu)件，而熱固性復合材料主要應用于主承受力結(jié)構(gòu)上，比如層合板、加筋板和夾層結(jié)構(gòu)等。,熱固性復合材料在車輛領域中的使用比例,28,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.2 汽車用熱固性復合材料的種類,美國早于上世紀50年代中期開始了這一進程，如1953年美國的通用汽車公司研制了一個全玻璃鋼復合材料的跑車Corvette，此后玻璃鋼被 廣泛應用在汽車的頂蓋、前端框架、后舉門、前后保險杠、前后翼子板、擋

13、泥板、座椅骨架、底部護板、車門、進氣岐管、散熱器罩等結(jié)構(gòu)和功能部件上。,（1）玻璃鋼,（2）碳纖維復合材料,玻璃鋼的模量低，剛度不足，不能用于主承力結(jié)構(gòu)，故在定義上不屬于先進復合材料，目前能用于主承力結(jié)構(gòu)的復合材料就是碳纖維復合材料。 碳纖維復合材料由于其自身獨具的強度，剛度特性可以挑戰(zhàn)鋼用于汽車的主承力結(jié)構(gòu)，如受力骨架，車頂、底盤、側(cè)板、車門、帽罩、保險杠、翼子板、輪轂、傳動軸以至板簧等部位，車種則包括賽車、高檔跑車、轎車、客車、貨車及各種特種車上。,重點介紹碳纖維復合材料在汽車上的應用,29,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,CFRP可應用于汽車的六大

14、主要系統(tǒng)：,發(fā)動機系統(tǒng)：挺桿、連桿、搖臂、油箱底殼、水泵葉輪和罩等； 傳動系統(tǒng)：傳動軸、萬向節(jié)、減速器、殼罩等； 制動系統(tǒng)：剎車片； 底盤系統(tǒng)：縱梁、橫梁、支架、車輪、板簧等； 車體系統(tǒng)：引擎蓋、翼子板、散熱器罩、保險杠、車燈架、車廂、行李架、地板、門窗框架、尾翼、擾流板等； 附件：排氣筒、儀表板總成、方向盤、內(nèi)飾等。,30,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,BMW i 系CFRP駕駛艙,在電動車量產(chǎn)車型上的首個突破（2011法蘭克福車展首次發(fā)布） 突破性構(gòu)造理念：Life Drive框架 BMW i3 (MCV) BMW i8,31,三、熱固性復合材料在

15、汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,BMW MCV的CFRP引擎罩,CFRP夾層結(jié)構(gòu),32,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,豪華跑車底盤,Mosler MT900車身與底盤 CFRP底盤 模壓+熱壓罐成型的AFRP車體,33,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,高端跑車底盤,Audi R8 GT : 從全金屬車身到混合結(jié)構(gòu)車身：CFRP底盤+鋁副車架(2014)，減重目標：100kg,Lamborghini Aventador LP700-4,34,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材

16、料在汽車上的應用,高端跑車底盤,Toyota: Lexus LFA: 底盤結(jié)構(gòu)的65%為CFRP 綜合多種復合材料制造工藝 手工鋪放預浸料：主框架 RTM:氣道、地板、頂蓋和引擎罩 SMC:CFRP 擾流板、內(nèi)飾 膠接技術(shù),35,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.3 碳纖維復合材料在汽車上的應用,36,三、熱固性復合材料在汽車上的應用,3.4 熱固性復合材料在貨車上的應用,37,四、我們復材如何在汽車上應用,38,四、我們復材如何在汽車上應用,目前，發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%8%，預計不久將達到10%11%。對于中國來說，塑料在汽車行業(yè)的應用尚處于初級階段。塑料等非金屬材料在國

17、產(chǎn)車上的應用狀況還比不上進口車。在歐洲，車用塑料的重量占汽車自重的20%，平均每輛德國車使用塑料近300千克，占汽車總重量的22%。與國外相比，國產(chǎn)車的非金屬材料用量仍然偏少，國產(chǎn)車的單車塑料平均使用量為78千克，塑料用量僅占汽車自重的5%10%。 在過去的幾年中，亞太地區(qū)的復合材料市場取得了長足的發(fā)展，亞洲目前的復合材料市場的規(guī)模已經(jīng)超過180億歐元。亞洲市場的復合材料產(chǎn)量將翻番，預計到2015年可達到1000萬噸。強勁的經(jīng)濟增長將繼續(xù)推動亞洲復合材料行業(yè)的發(fā)展中國、印度等主要市場將呈現(xiàn)快速增長的勢頭。,四、我們復材如何在汽車上應用,（一）復合材料在汽車領域的發(fā)展趨勢,39,4.1 選材 從

18、GFRP到CFRP 減重效果：GFRP: 25-35 wt%；CFRP: 5070 wt% 從短切纖維到連續(xù)纖維 環(huán)境友好綠色復合材料 新型碳纖維的研發(fā)：Oak Radge: 木質(zhì)素基碳纖維 植物纖維：內(nèi)飾 熱塑性基體：PPPAPET,四、我們復材如何在汽車上應用,40,4 2 設計 4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式 復合材料夾層結(jié)構(gòu)： BMW i3引擎罩,（一）復合材料在汽車領域的發(fā)展趨勢,四、我們復材如何在汽車上應用,（一）復合材料在汽車領域的發(fā)展趨勢,4 2 設計 4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式 SMC加筋加肋： 地板設計采用格柵結(jié)構(gòu),41,四、我們復材如何在汽車上應用,4.2.2 結(jié)構(gòu)一體化理念 傳統(tǒng)：等代設計 現(xiàn)代：結(jié)構(gòu)一體化趨勢 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)按承載功能分解，重新設計 典型實例 BMW MCV的Life Drive模塊化框架 CFRP駕駛艙+鋁底盤，安全、輕質(zhì),（一）復合材料在汽車領域的發(fā)展趨勢,42,四、我們復材如何在汽車上應用,4.2.3 新工藝提供新可能 PP-GF+CF的主結(jié)構(gòu)件 單向連續(xù)纖維+LFT,（一）復合材料在汽車領域的發(fā)展趨勢,43,四、我們復材如何在汽車上應用,4.3 制造 大批量自動化生產(chǎn)技術(shù) 快速RTM技術(shù)樹脂的快速固化技術(shù) LFT技術(shù) 低成本技術(shù) 無熱壓罐成型預浸料真空成型技術(shù) 模具、工裝技術(shù) 變截面中空