60年來汽車復合材料發(fā)展緩慢

復合材料在汽車領域中的應用可以追溯到20世紀50年代。最初，該材料主要用于汽車非結構部件（如硬質(zhì)車頂），到20世紀70~80年代，有越來越多的制造商采用熱塑性復合材料生產(chǎn)汽車內(nèi)飾，或用熱固性復合材料制造次結構件（如保險杠的梁）。復合材料具有設計靈活、易成型、質(zhì)量輕及耐腐蝕等優(yōu)點，雖然其原材料和工藝成本高于鋼材和鋁，但在汽車領域中還是贏得了發(fā)展空間。

如今，汽車復合材料不再是一個小眾市場。據(jù)統(tǒng)計，世界平均每輛乘用車中，復合材料的用量約占車身總重量的6%，其具體比例受汽車的級別、地區(qū)和部件種類等因素的影響，例如，復合材料在豪華車中所占比例約為15%，在高端車中約為9%，在中級車中約為6%，而在入門級車輛中僅為4%。另外，75%的車輛選擇采用復合材料制造車內(nèi)儀表盤等內(nèi)飾部件。但是，復合材料在結構部件中的應用相對較少，目前還僅限于一些高端車型。

近些年，復合材料的回收得到了人們越來越多的關注。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料的回收難度顯著降低，因此，在現(xiàn)有復合材料應用的基礎上，采用熱塑性材料去取代傳統(tǒng)熱固性材料的趨勢日益明顯。

2010~2015年發(fā)展趨勢

2013年4月24日，歐洲議會通過一項法律草案，要求到2020年，歐盟地區(qū)出售的新汽車平均每公里的CO2排放量要由目前的130 g減少到95g。對于那些計劃生產(chǎn)CO2排放量超標車的歐盟廠商，該草案提出了補救措施，即這些廠商必須同時生產(chǎn)每公里CO2排放量低于50 g的超清潔汽車。

隨著更嚴格的排放法規(guī)即將頒布以及燃油成本的提高，整車廠對復合材料的興趣不斷增加。事實上，上述這些問題都可以通過輕量化來解決，而復合材料是輕量化發(fā)展不可或缺的組成。當然，車輛減重并不是減少碳排放、降低燃油消耗的唯一方法。另外一種行之有效的解決方案是提高燃油效率。此方案可能成為整車廠的首選，特別是那些生產(chǎn)中級和入門級車輛的廠商。

2010~2015年，汽車復合材料用量的增加主要集中在量產(chǎn)車車身的三個領域：汽車底盤，車身覆蓋件和次結構部件。其中，底盤的重量約占車身總重量的25%，是最具減重潛力的部件之一。按照預計，量產(chǎn)車領域復合材料用量的突破性進展在2015年以前不會出現(xiàn)。2015年以前的這段時間里，汽車復合材料的用量會有少量增加，成本會有所下降，復合材料制造廠家和整車廠對復合材料及其相關工藝的了解將進一步加深，同時復合材料也將開始用于一些高端車型的旗艦項目中。

2015~2020年發(fā)展趨勢

2015年以后，隨著排放法規(guī)（2020年生效）的出臺，碳纖維成本將逐漸降低，加之快速固化環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，以及工藝和自動化設備的不斷成熟，如針對熱固性復合材料快速制造開發(fā)的高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM）工藝，到2020年，碳纖維復合材料的綜合性價比將優(yōu)于金屬，并逐漸取代其成為量產(chǎn)車底盤生產(chǎn)的重要材料，且使用范圍將涵蓋大多數(shù)的高端車型和少量的中級車。

熱固性復合材料HP-RTM工藝

航空工業(yè)常采用樹脂轉移模塑（RTM）工藝制造大型高強度結構件，以降低工藝成本。在汽車行業(yè)中， RTM工藝也應用于零部件的生產(chǎn)，但其主要目的是為了實現(xiàn)更好的表面質(zhì)量，且該工藝通常只用于小批量生產(chǎn)的頂級轎車中。

一般，RTM工藝的注射壓力在0.6~1.5 MPa范圍內(nèi)，最高不會超過2 MPa，工藝周期約1 h。與之相比，HP-RTM工藝的注射壓力提高到1~6 MPa，工藝周期縮短為6 min。

目前，世界上HP-RTM工藝的主要設備供應商有德國的迪芬巴赫、克勞斯瑪菲、Schuller、 Frimo以及意大利的Cannon S.p.A公司等。通常，這些設備供應商會采取兩家公司合作的方式。對此，本文以下迪芬巴赫和克勞斯瑪菲的合作為例，對HP-RTM工藝進行詳細介紹。

迪芬巴赫和克勞斯瑪菲共同開發(fā)了HP-RTM的自動化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線包括預成型加工、壓制過程以及修整工藝。與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，此HP-RTM自動化生產(chǎn)線減少了樹脂注射次數(shù)，提高了預制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。

◆1．預制件制造過程

采用HP-RTM工藝進行生產(chǎn)前，需要制造一個由織物增強材料制成的預制件。在迪芬巴赫和克勞斯瑪菲的合作案例中，此預制件在迪芬巴赫的預成型中心制造完成，其具體生產(chǎn)過程是：由碳纖/玻纖制成的柔軟纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機；然后使用CNC切割技術，將纖維鋪層切割成部件加工所需尺寸（此過程通過由現(xiàn)有的CAD零件參數(shù)得到的切割程序來完成）；最后，切割成型的纖維鋪層材料被層合到一起，放置到成型單元中，以備后續(xù)加工過程使用。

此預制件的制造過程可完全實現(xiàn)自動化，使用機器人處理切割織物、纖維氈及預制件。迪芬巴赫的預制件成型中心可作為單獨的單元運行，也可與壓制工藝一起集成到產(chǎn)線中。

◆2．合模加壓過程

預制件加工完成后，進入合模加壓階段。在此過程中，預制件將由環(huán)氧樹脂系統(tǒng)浸漬，并實現(xiàn)固化，其具體操作過程是：采用機器人將預制件放置到RTM模具中；然后，根據(jù)模內(nèi)壓力和部件的尺寸及復雜性，采用迪芬巴赫液壓壓機以36,000 kN的壓力完成實際的合模加壓過程。迪芬巴赫液壓壓機能在很短的建壓時間內(nèi)達到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。不僅如此，此液壓壓機內(nèi)的短沖程系統(tǒng)使壓機具有非常高的能效（與傳統(tǒng)的合模加壓技術相比，能效提高了50%）、很短的成型時間和較大的滑塊行程。

◆3．注射過程

在注射過程進行前，需要在一個閉環(huán)過程中，在高壓條件下，對樹脂和固化劑進行精確計量，制成一種低黏度反應性混合物。然后，將此混合物注入到閉合的模具中。

高壓計量能縮短注射時間，提高預制件的浸潤度，使樹脂固化加快，從而縮短了生產(chǎn)周期，提高了成本效益。不僅如此，它還能帶來其他的好處，如采用該技術能在保持制品表面品質(zhì)的同時，獲得更低孔隙度等。

通過使用克勞斯瑪菲的先進技術，注射速度可達10~200 g/s，其具體情況取決于樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設計?？藙谒宫敺频母邏夯旌项^消除了停工時間，也無需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時所用的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，在大批量生產(chǎn)時，表現(xiàn)出了突出的能效優(yōu)勢，且此優(yōu)勢已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗證。

◆ 4．修整

修整是HP-RTM工藝鏈最后步驟中的一環(huán)，此項工序包括部件的外廓修邊、增加安裝孔和嵌件開孔。在實際生產(chǎn)過程中，克勞斯瑪菲開發(fā)的訂制化解決方案被用于部件的修整，此過程以銑刀為主要工具，當然也可以采用自動化切割臺或手提式切割機，工具的選擇主要取決于部件的尺寸及其復雜程度。在修整過程中，機器人可用于在各工藝步驟之間對零部件進行處理。

熱塑性復合材料技術

近些年，熱塑性復合材料在汽車領域中得到了越來越多的應用，其相關技術也獲得了較快發(fā)展。

◆1.有機板混合結構包覆成型工藝

未來兩年內(nèi)，復合材料有機板（Organosheet）混合結構包覆成型技術將在汽車結構部件的量產(chǎn)化應用中實現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應商——巴斯夫和朗盛，以及兩家機器供應商——恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術開發(fā)的前沿。

如今，采用全塑料的“有機板混合結構”取代汽車中的塑料-金屬的混合結構，已成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。此項新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎上預成型，然后進行包覆成型。恩格爾和克勞斯瑪菲都以PA 6熱塑性樹脂纖維織物層壓板（熱成型）為基礎，搭配另一種PA 6（纖維增強或不增強），進行包覆成型，其具體加工過程是：首先加熱一塊用PA 6連續(xù)纖維增強的有機板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個三維形狀，接下來，用另外的PA 6樹脂（未填充或是玻纖增強的）對其進行包覆成型。

值得一提的是，有機板混合結構包覆成型工藝不僅能用來加工熱塑性復合材料，對熱固性復合材料也同樣適用。采用熱塑性復合材料獲得的混合結構，將主要應用于汽車內(nèi)飾中，包括座椅部分的組件、門側防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉向柱支架、安全氣囊組件和前端組件等。而采用熱固性復合材料獲得的混合結構，可用于結構件或次結構件中。但是，目前國外還很少有針對熱固性復合材料（應用于汽車行業(yè)）混合結構包覆成型的研究和應用。

◆2.熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝

作為熱塑性復合材料技術的下一發(fā)展目標，己內(nèi)酰胺單體在模內(nèi)聚合為PA 6的技術正在推進之中。該技術允許采用低黏度的己內(nèi)酰胺浸潤放于模具中的干纖維，經(jīng)反應后可在線形成一種PA基的復合材料。

目前，巴斯夫與西格里集團正在聯(lián)合開發(fā)一種基于反應性PA系統(tǒng)和碳纖維的復合材料，以實現(xiàn)熱塑性復合材料的低成本生產(chǎn)。該材料體系是為熱塑性樹脂傳遞模塑（T-RTM）工藝以及反應注射成型工藝量身打造，以獲得比傳統(tǒng)熱固性RTM工藝更短的生產(chǎn)周期。

總結

汽車復合材料的發(fā)展，結合了化工、機械制造以及汽車復合材料設計等眾多領域的成果。隨著更加嚴格的碳排放法規(guī)即將頒布，復合材料在汽車行業(yè)的發(fā)展將會在2015年以后取得突破，歐洲汽車行業(yè)也將繼續(xù)成為先進材料的倡導者和先行者。未來，熱塑性復合材料和熱固性復合材料不存在誰替代誰的問題，因為二者在性能方面存在差異，也將在不同領域中發(fā)揮各自的重要作用，而快速成型和自動化是二者共同的發(fā)展方向。最終，汽車結構的優(yōu)化會與金屬類似，是一種建立在多材料體系基礎上的混合結構。