5月28日周四晚8點(diǎn)，蓋世微課堂邀請(qǐng)了贏創(chuàng)特種化學(xué)（上海）有限公司ROHACELL ®泡沫產(chǎn)品亞太區(qū)高級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理，胡培，以“高性能復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用”為主題，圍繞復(fù)合材料的發(fā)展及其在汽車中的應(yīng)用展開分享與交流，并解答了微友的提問。同時(shí)，來自上汽、北京江森等相關(guān)行業(yè)的共450位人士在群內(nèi)展開熱烈討論。以下是課堂焦點(diǎn)內(nèi)容速記匯總，與業(yè)內(nèi)共饗！
一、復(fù)合材料定義
材料材質(zhì)分類
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。
材料、加工、成型種類
隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時(shí)，美國復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，美國復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬噸。
材料發(fā)展歷程
從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來人們對(duì)環(huán)保問題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。
另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。
二、樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料
樹脂基復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性價(jià)比較高，因此增長率也比較快，年增長率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報(bào)道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強(qiáng)酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實(shí)用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，只有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到國際先進(jìn)水平，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運(yùn)動(dòng)器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達(dá)20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀(jì)80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達(dá)國家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹脂基復(fù)合材料
熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達(dá)到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進(jìn)口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。
1971年以前我國的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號(hào)的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運(yùn)輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險(xiǎn)杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。
三、熱塑性樹脂基復(fù)合材料
熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。
高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動(dòng)皮帶保護(hù)罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪?qiáng)PP在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動(dòng)剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價(jià)格等特點(diǎn)，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、車門護(hù)欄、電機(jī)風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。
我國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始于20世紀(jì)80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強(qiáng)材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達(dá)國家尚有差距。
四、我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c(diǎn)
我國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點(diǎn)問題。
1、復(fù)合材料創(chuàng)新
復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費(fèi)量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。
2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展
我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點(diǎn)、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點(diǎn)、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。
3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整
我國玻璃纖維70%以上用于增強(qiáng)基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進(jìn)國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。
4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場
一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機(jī)用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機(jī)661架，將形成民航客機(jī)的大產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級(jí)娛樂耐用消費(fèi)品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點(diǎn)仍有發(fā)展的空間。
5、纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲(chǔ)倉修補(bǔ)和加固中市場廣闊。
6、復(fù)合材料綜合處理與再生
重點(diǎn)發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學(xué)回收（熱裂解）和能量回收，加強(qiáng)技術(shù)路線、綜合處理技術(shù)研究，示范生產(chǎn)線建設(shè)，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應(yīng)用、在拉擠制品中的應(yīng)用以及在SMC/BMC模壓制品中的應(yīng)用和典型產(chǎn)品中的應(yīng)用。
21世紀(jì)的高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是賦予復(fù)合材料自修復(fù)性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強(qiáng)度、高濕熱環(huán)境下使用的復(fù)合材料為重點(diǎn)，構(gòu)筑材料、成型加工、設(shè)計(jì)、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯(lián)盟和集團(tuán)化，這將更充分的利用各方面的資源（技術(shù)資源、物質(zhì)資源），緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動(dòng)復(fù)合材料工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
五、復(fù)合材料在汽車中的發(fā)展過程和現(xiàn)狀
作為世界上最大的工業(yè)領(lǐng)域之一，2010年的汽車行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)值達(dá)到9000億歐元，銷售車輛5500-6000萬輛。按照車輛銷售價(jià)格，分成四個(gè)不同級(jí)別：豪華車、高端車、中級(jí)車和入門級(jí)車輛。目前的銷售價(jià)格，豪華車>7.5萬歐元，高端車>2.5萬歐元，中級(jí)車>1.5萬歐元，入門車
近幾年，全球汽車工業(yè)的發(fā)展主要源于新興市場產(chǎn)量的激增，尤其是中國。中國不再簡單的作為西方的世界工廠，過去取得的經(jīng)濟(jì)成就也帶動(dòng)了國內(nèi)消費(fèi)和服務(wù)業(yè)的興起。汽車消費(fèi)的發(fā)展就是一個(gè)強(qiáng)有力的佐證。世界上，幾乎所有的汽車公司都在中國開設(shè)了本土工廠，這些合資工廠并非為了降低西方消費(fèi)者的成本，而是為了滿足中國消費(fèi)者對(duì)汽車的需求。
汽車工業(yè)的的發(fā)展，曾經(jīng)是西方戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)恢復(fù)的象征，如今也成為中國等新興國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的體現(xiàn)。預(yù)計(jì)到了2015年，世界上每兩部汽車就有一部在亞洲制造，即使不包括日本。中國生產(chǎn)的汽車比北美、日本和德國加起來的產(chǎn)量都多。
1、60年來汽車復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用緩慢
復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了一段很長的歷史，可以追溯到19世紀(jì)50年代，主要用于汽車非結(jié)構(gòu)部件，例如硬質(zhì)車頂。從70/80年代開始，越來越多地采用熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)汽車內(nèi)飾以及用熱固性復(fù)合材料制造次結(jié)構(gòu)件，例如保險(xiǎn)杠的梁。由于復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如設(shè)計(jì)靈活、容易成型、輕質(zhì)和耐腐蝕等，雖然原材料和工藝成本高于鋼材和鋁，在汽車領(lǐng)域還是獲得了一些應(yīng)用。噴漆以后鋼汽車構(gòu)件的成本大約是3-4歐元/公斤，復(fù)合材料次結(jié)構(gòu)件的成本大約是8-10歐元/公斤。
汽車復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)不再是一個(gè)小眾市場。相對(duì)于復(fù)合材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域已經(jīng)是其最大市場，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每輛乘用車，復(fù)合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級(jí)別、地區(qū)和部件有所不同。對(duì)于所有級(jí)別的車輛，儀表板等內(nèi)飾件，75%的車輛采用了復(fù)合材料，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)部件，僅僅在高端車型中有所應(yīng)用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復(fù)合材料?？偟膩碚f，復(fù)合材料的用量豪華車大約是15%，高端車大約9%，中級(jí)車6%，入門級(jí)車4%。另外，對(duì)于新興市場中級(jí)車和入門級(jí)車，復(fù)合材料的用量通常比發(fā)達(dá)國家市場同級(jí)別車型低1%。最近，廢舊復(fù)合材料構(gòu)件的回收越來越引起人們的關(guān)注。熱固性復(fù)合材料與熱塑性相比，回收的難度要大很多。所以，在現(xiàn)有的復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有采用熱塑性取代熱固性樹脂體系的趨勢。
2、2010年-2015年的趨勢
近期，汽車整車廠對(duì)復(fù)合材料的興趣不斷增加。這主要源于不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)（將來CO2排放超標(biāo)罰款）以及增加的燃油成本，這些都可以通過復(fù)合材料輕量化來實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料可以減輕重量，進(jìn)而降低碳排放，抵消增加的材料費(fèi)用和工藝成本。
歐洲議會(huì)2013年4月24日通過一項(xiàng)法律草案，要求到2020年在歐盟出售的新汽車平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克減少到95克。對(duì)于那些計(jì)劃生產(chǎn)二氧化碳排放量超標(biāo)車的歐盟廠商，草案提出了補(bǔ)救措施，即這些廠商必須同時(shí)生產(chǎn)每公里二氧化碳排放量不足50克的超清潔汽車。具體規(guī)定如下：2013年至2015年每生產(chǎn)1輛這樣的超清潔汽車，最多可生產(chǎn)3.5輛超標(biāo)車；2016年至2023年可生產(chǎn)1.5輛超標(biāo)車；2024年以后可生產(chǎn)1輛超標(biāo)車。
盡管整車廠對(duì)復(fù)合材料的興趣有所增加，但是減少碳排放和燃油消耗的方法不僅僅是車輛減重。最經(jīng)濟(jì)的方法是提高燃油利用率，這可能是整車廠的首選，特別是對(duì)于中級(jí)車和入門級(jí)車，因?yàn)檫@兩個(gè)級(jí)別的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)排量常常不是購買的主要考慮因素。對(duì)于現(xiàn)有復(fù)合材料和金屬在成本上的差距，需要一段時(shí)間，通過技術(shù)進(jìn)步來彌補(bǔ)。例如，對(duì)于底盤這樣的結(jié)構(gòu)部件，加工好的鋼結(jié)構(gòu)的成本大約是3-4歐元/公斤，但是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本（基于現(xiàn)有材料和工藝技術(shù)）高于30歐元/公斤。
不同的整車廠家最終會(huì)獲得不同的解決方案，這些方案能夠達(dá)成目標(biāo)的程度也會(huì)有所差異?？偟膩砜?，汽車復(fù)合材料用量的增加，主要集中在量產(chǎn)車車身的三個(gè)領(lǐng)域：汽車底盤，車身覆蓋件和次結(jié)構(gòu)部件。這三個(gè)方面可以大幅度的提高汽車復(fù)合材料的用量。底盤的重量約占總重量的25%，是最具減重效率的部件。但是，按照預(yù)計(jì)，量產(chǎn)車領(lǐng)域的汽車復(fù)合材料用量的突破不會(huì)在2015年以前出現(xiàn)。在2015年前的這段時(shí)間，汽車復(fù)合材料部件的用量會(huì)有少量增加，成本會(huì)有所降低，復(fù)合材料制造廠家和整車廠對(duì)復(fù)合材料的材料和工藝進(jìn)一步熟悉；同時(shí)，復(fù)合材料開始用于一些高端車型的旗艦項(xiàng)目，例如德國的BMW的i3、美國的Tesla電動(dòng)汽車以及英國的Axon插電式混合動(dòng)力汽車。
到2015年，汽車復(fù)合材料的用量會(huì)達(dá)到200萬噸，增長主要來源于汽車產(chǎn)業(yè)的自然增長（年產(chǎn)量增加6%）和已經(jīng)采用了復(fù)合材料的汽車部件的市場份額的增加。
3、2015-2020年的趨勢
2015年以后，隨著碳排放法規(guī)（2020年生效，并逐步嚴(yán)格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，加上工藝和自動(dòng)化設(shè)備的不斷成熟，例如針對(duì)熱固性復(fù)合材料快速制造開發(fā)的HP RTM（高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑）工藝和熱塑性復(fù)合材料層板熱成型自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)，到2020年，碳纖維復(fù)合材料的綜合性價(jià)比會(huì)優(yōu)于金屬，取代金屬材料，用于量產(chǎn)車的底盤制造，并涵蓋大多數(shù)的高端車型和少量的中級(jí)車。下面分別對(duì)HP RTM工藝和熱塑性層板的解決方案做詳細(xì)介紹。
4、熱固性復(fù)合材料高壓RTM工藝
航空工業(yè)采用樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM），生產(chǎn)大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，降低工藝成本。在汽車的制造過程中，也有采用RTM工藝進(jìn)行零部件的生產(chǎn)，主要目的是為了達(dá)到更好的表面質(zhì)量，但是只用于小批量生產(chǎn)的頂級(jí)轎車中。
通常RTM工藝的注射壓力是 6-15bar最大不超過20bar，工藝周期大約1小時(shí)。但是高壓RTM工藝，注射壓力在10-60bar，工藝周期大約6分鐘。
目前世界上高壓RTM工藝的設(shè)備廠家有：德國Dieffenbacher KraussMaffei；德國Schuller Frimo和意大利的Cannon S.p.A公司，一般采用兩家公司合作的方式。下面主要就Dieffenbacher KraussMaffei的情況做具體的介紹，其他廠家的設(shè)備大同小異。
德國加工機(jī)械領(lǐng)域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）共同開發(fā)了高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）的自動(dòng)化生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)系統(tǒng)包括預(yù)成型加工、壓制過程以及修整工藝。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，HP-RTM工藝減少了樹脂注射次數(shù)，提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。
（1）預(yù)制件過程
對(duì)于HP-RTM部件的生產(chǎn)，需要制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。這樣的預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，通常使用一個(gè)完全自動(dòng)化的過程。
由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機(jī)。使用CNC切割技術(shù)，纖維鋪層被切割成構(gòu)件加工所需尺寸。該過程通過由現(xiàn)有的CAD零件參數(shù)得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中?？梢允褂脵C(jī)器人來可靠地處理切割織物、纖維氈以及預(yù)制件。預(yù)制件成型中心可以作為一個(gè)單獨(dú)的單元來運(yùn)行，也可與壓制工藝一起結(jié)合在產(chǎn)線上。
（2）合模加壓過程
預(yù)制件的加工過程之后就是合模加壓。在合模加壓的過程中，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)浸漬預(yù)制件以及使其固化。
在用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中之后，根據(jù)模內(nèi)壓力及部件的尺寸和復(fù)雜性，采用一臺(tái)迪芬巴赫液壓壓機(jī)用高達(dá)36000 kN（3600 t）的壓力完成實(shí)際的合模加壓過程。壓機(jī)在很短的建壓時(shí)間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。迪芬巴赫短沖程系統(tǒng)能夠確保壓機(jī)具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時(shí)間和較大的滑塊行程。與傳統(tǒng)的合模加壓技術(shù)相比，可以提高50%的能效。
合模加壓控制系統(tǒng)允許使用不同的操作程序，并能縮短生產(chǎn)周期。模座周期性地進(jìn)入和離開壓機(jī)，只需要很短的換模時(shí)間、裝卸過程以及生產(chǎn)線下對(duì)下半模的清潔。
完成高壓注射過程后，還可以通過再加壓來獲得部件質(zhì)量的改善。
（3）注射過程
將低粘度的反應(yīng)性混合物注入到閉模中浸漬預(yù)制件。通過使用克勞斯瑪菲的技術(shù)，能夠使注射速度達(dá)到10-200 g/s，取決于樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)。在一個(gè)閉環(huán)過程中，對(duì)樹脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物。
高壓計(jì)量使得注射時(shí)間更短，并提高預(yù)制件的浸潤度，因而能以較短的固化時(shí)間來處理樹脂系統(tǒng)。這帶來了更短的生產(chǎn)周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額外的好處，比如，能在保持出色的表面品質(zhì)的同時(shí)獲得更低的孔隙率。而對(duì)溫度的精確控制則能進(jìn)一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹脂體系中獲益。
克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了耗費(fèi)成本的停工時(shí)間，也無需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時(shí)所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出突出的能效優(yōu)勢，它的這種優(yōu)勢已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。
通過脫模劑供料塊，能夠?qū)⒐に囁璧拿撃┲苯右刖o湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在最低劑量（如0.1 g/sec）時(shí)，仍具有極高的準(zhǔn)確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復(fù)性的脫模劑計(jì)量對(duì)于可靠地實(shí)施下游工藝來說無疑是非常必要的。
（4）修整
修整是工藝鏈最后步驟的其中一環(huán)。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開孔。用銑刀進(jìn)行的修整采用的由克勞斯瑪菲開發(fā)的定制化解決方案?？梢圆捎米詣?dòng)化切割臺(tái)或手提式切割機(jī)。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復(fù)雜程度。機(jī)器人被用于在工藝步驟之間進(jìn)行零部件的處理。
5、熱塑性復(fù)合材料汽車應(yīng)用
這幾年，在復(fù)合材料領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料也備受關(guān)注。
（1）有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)包覆成型工藝
未來兩年內(nèi)，復(fù)合材料有機(jī)板（Organosheet）混合結(jié)構(gòu)技術(shù)將在汽車結(jié)構(gòu)部件的量產(chǎn)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應(yīng)商，即巴斯夫和朗盛，以及兩家機(jī)器供應(yīng)商，即恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術(shù)開發(fā)的最前沿。
采用全塑料的“有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)”取代汽車中的塑料-金屬的“混合”結(jié)構(gòu)。新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎(chǔ)上，預(yù)成型，然后包覆成型，代替過去在金屬預(yù)成型件的基礎(chǔ)上通過包覆成型，加上加強(qiáng)筋。恩格爾和克勞斯瑪菲都是采用尼龍6熱塑性樹脂層纖維織物壓板（熱成型），在加上尼龍6（加或者不加纖維增強(qiáng)）包覆成型。材料廠家是德國Bond-Laminates的Tepex有機(jī)板，以及朗盛的尼龍包覆成型顆粒料。恩格爾稱之為：Organomelt工藝，克勞斯瑪菲則稱之為FiberForm工藝。包覆成型的混合結(jié)構(gòu)工藝不僅僅可以對(duì)熱塑性適用，也可以用于熱固性的復(fù)合材料混合部件，參見圖7。
“有機(jī)板（Organosheet）”的混合結(jié)構(gòu)部件成型工藝的生產(chǎn)流程是：首先加熱一個(gè)用PA6連續(xù)纖維增強(qiáng)有機(jī)板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個(gè)三維形狀，并用另外的PA6樹脂（未填充的或者是玻璃纖維增強(qiáng)的）對(duì)其進(jìn)行包覆成型。在某些情況下，在將板坯放入注塑模具中前，先對(duì)其進(jìn)行熱成型。
如果采用熱塑性復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，主要市場將是汽車內(nèi)飾，包括座椅部分的組件、門側(cè)防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉(zhuǎn)向柱支架、安全氣囊組件和前端組件等。如果改成熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，可以用于結(jié)構(gòu)件或者次結(jié)構(gòu)件。但是，目前國外還很少有針對(duì)汽車領(lǐng)域的熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)包覆成型的研究和應(yīng)用。
在K 2010展會(huì)中，恩格爾和克勞斯瑪菲這兩家公司都第一次在兩個(gè)復(fù)雜的成型單元中證明了這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)，恩格爾成型了一個(gè)轉(zhuǎn)向柱支架，而克勞斯瑪菲則成型了一個(gè)門側(cè)防撞梁。兩家公司均采用了德國Bond-Laminates公司（最近已被朗盛收購）提供的Tepex復(fù)合材料板材，并采用朗盛的尼龍材料對(duì)該組件進(jìn)行包覆成型。將有機(jī)板放到300℃的加熱爐中預(yù)熱30～40s，然后將加熱后的板材送入注塑模具中。閉合模具，對(duì)該板材進(jìn)行預(yù)成型, 接著從其上方將另外的尼龍材料注入到特定區(qū)域。按加熱爐能力的不同，整個(gè)循環(huán)時(shí)間從33s到55s。
（2）熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝
作為熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的下一發(fā)展目標(biāo)，己內(nèi)酰胺單體在模內(nèi)聚合為PA6的技術(shù)正在推進(jìn)之中。該技術(shù)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(yīng)后可在線形成一種尼龍基的復(fù)合材料。
巴斯夫與西格里集團(tuán)正在聯(lián)合開發(fā)一種基于反應(yīng)性尼龍系統(tǒng)和碳纖維的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的低成本生產(chǎn)。該材料體系是為T-RTM工藝（熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝）以及反應(yīng)注射成型工藝而準(zhǔn)備的，以獲得比傳統(tǒng)熱固性RTM工藝更短的生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間。為適應(yīng)這些更快速加工技術(shù)的要求而對(duì)材料系統(tǒng)的調(diào)整，將在采用碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)入汽車量產(chǎn)化應(yīng)用的過程中發(fā)揮重要作用。己內(nèi)酰胺在線聚合為尼龍6的機(jī)器系統(tǒng)正由恩格爾在進(jìn)行開發(fā)。
6、回收
在日本、歐洲、美國等市場經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的國家, 報(bào)廢汽車與廢舊家電回收處理的管理都嚴(yán)格。除了對(duì)回收拆解企業(yè)進(jìn)行門檻的規(guī)定外，還要求制造商擔(dān)負(fù)起對(duì)汽車的報(bào)廢回收負(fù)責(zé)。因此制造商做研發(fā)時(shí)就必須考慮產(chǎn)品的可回收利用性，以保證上萬個(gè)零部件都易于再生循環(huán)使用。目前歐洲出售的所有車型均滿足可再利用性的型式認(rèn)證要求。
在2013中國汽車回收利用國際論壇上，工信部介紹稱，《汽車產(chǎn)品限制使用有害物質(zhì)和可回收利用率管理辦法》已達(dá)成行業(yè)共識(shí)，正處于部委內(nèi)部征求意見階段，有望于近期發(fā)布?！豆芾磙k法》分階段提出汽車產(chǎn)品可回收利用率的指標(biāo)要求，確保法規(guī)施行之日起，M1類、N1類汽車新車型的可回收利用率要達(dá)到90%，其中可再利用率達(dá)到80%。兩年內(nèi)，M1類、N1類汽車新車型的可回收利用率要達(dá)到95%，可再利用率不低于85%。
平均，目前復(fù)合材料占整車重量的6%，都尚未考慮復(fù)合材料的回收，因?yàn)楦鱾€(gè)國家和地區(qū)的可回收利用率一般要求在85%左右。但是這個(gè)問題會(huì)越來越重要，因?yàn)閺?fù)合材料的滲透率越來越高，而且可回收利用率的比率也越來越高。很多產(chǎn)業(yè)集中在回收汽車上的金屬和鋼材，但是回收復(fù)合材料的相關(guān)產(chǎn)業(yè)尚待發(fā)展。復(fù)合材料回收或者再利用的難易和纖維以及樹脂的類型有關(guān)。
7、綜合
汽車復(fù)合材料的發(fā)展，結(jié)合了化工、機(jī)械制造以及汽車復(fù)合材料設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)來看，最新突破應(yīng)該源于德國。德國的工業(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)合了大多數(shù)的豪華汽車和高端車，另外朗盛、巴斯夫等世界頂級(jí)化工企業(yè)以及精密的機(jī)械制造廠家，例如迪芬巴赫公司和克勞斯瑪菲等。隨著碳排放法規(guī)的不斷臨近，復(fù)合材料在汽車行業(yè)的突破會(huì)在2015年以后時(shí)間，歐洲汽車行業(yè)也會(huì)是先進(jìn)材料的倡導(dǎo)者和先行者。熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料不存在誰替代誰的問題，因?yàn)樗麄兊母鞣矫娴男阅芏加兴町?，快速成型和自?dòng)化都是共同的發(fā)展方向。最終汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一定是和金屬類似，建筑在多材料體系基礎(chǔ)上的混合結(jié)構(gòu)，例如包覆模塑工藝成型的部件。
個(gè)人認(rèn)為，目前汽車領(lǐng)域需要關(guān)注三家公司，一個(gè)是TESLA，一個(gè)是BMW，另外一個(gè)是GOOGLE。
六、PMI硬質(zhì)泡沫在汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
與沒有泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層壓板相比， 泡沫夾層結(jié)構(gòu)能夠顯著的提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。文章總結(jié)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中夾層結(jié)構(gòu)的最新應(yīng)用，對(duì)比了蜂窩和泡沫在設(shè)計(jì)、工藝和使用過程的差異性。針對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)方式，做了詳細(xì)的介紹；同時(shí)針對(duì)不同的泡沫對(duì)比了其動(dòng)態(tài)剪切模量和壓縮蠕變性能。針對(duì)常用的工藝，介紹了如何選擇泡沫的密度和類型以及最新的泡沫芯材的型號(hào)。
針對(duì)目前汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)量大低成本的特點(diǎn)，結(jié)合復(fù)雜的大型三維結(jié)構(gòu)， 夾層結(jié)構(gòu)的制造成本和生產(chǎn)周期卻是個(gè)無法回避的劣勢。采用PMI泡沫模具內(nèi)發(fā)泡技術(shù)， 能夠?qū)哂袕?fù)雜形狀的芯材進(jìn)行高生產(chǎn)率的規(guī)模量產(chǎn)。
1、夾層結(jié)構(gòu)原理概述和芯材的選擇
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)通常采用先進(jìn)復(fù)合材料做面板，其夾芯為輕質(zhì)材料。夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結(jié)構(gòu)的芯材主要承受剪應(yīng)力并支持面板不失去穩(wěn)定性，通常這類結(jié)構(gòu)的剪力較小。選擇輕質(zhì)材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構(gòu)件的重量。當(dāng)然，對(duì)于面板很薄的夾層結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的最小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)還表明：在從成本方面評(píng)估夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要考慮制造成本，還必須考慮使用期的全壽命成本。
目前汽車夾層結(jié)構(gòu)主要的使用位置有：前蓋，后蓋，地板，門等。
通過在兩層面板中加入輕質(zhì)的芯材， 夾層結(jié)構(gòu)能夠有效地優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)， 其主要原理是增加結(jié)構(gòu)的截面慣性矩， 將彎曲應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉升應(yīng)力。
表1比較了不同結(jié)構(gòu)中最大彎曲剛度和抗彎強(qiáng)度。 這三個(gè)結(jié)構(gòu)具有相同厚度的表面鋪層， 以及不同厚度的夾芯。 運(yùn)用夾層結(jié)構(gòu)理論， 我們可以用較少的鋪層材料， 而達(dá)到比較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
夾層結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用在多個(gè)領(lǐng)域。 在航空制造領(lǐng)域， 這是進(jìn)行減重最重要的結(jié)構(gòu)。 風(fēng)機(jī)葉片在大規(guī)模生產(chǎn)中也會(huì)采用這個(gè)結(jié)構(gòu)。 然而， 雖然有很強(qiáng)的需求， 夾層結(jié)構(gòu)仍然沒有廣泛的運(yùn)用在三維結(jié)構(gòu)的部件中。 這主要是因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝復(fù)雜， 很難大規(guī)模量產(chǎn)運(yùn)用到具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的部件中。
芯材能夠極大地影響夾層結(jié)構(gòu)部件的性能。 它主要承受壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力。 同時(shí)， 應(yīng)當(dāng)能夠很好的與表面鋪層進(jìn)行粘合。 當(dāng)然， 重量越輕越好。 另外在滿足機(jī)械性能的同時(shí)， 易加工型是需要重點(diǎn)考慮的。
很多材料都可以作為芯材使用。 比如， 鋁蜂窩就可以作為聚合物泡沫的一個(gè)替代材料， 其具有較高的抗壓強(qiáng)度， 低密度， 以及大部分聚合物材料所不具備的不可燃特性。 但是由于蜂窩結(jié)構(gòu)的開放結(jié)構(gòu)。 限制了其在芯材中的使用。 而且雖然蜂窩具有很高的抗壓強(qiáng)度， 但是這個(gè)特性只適用于一個(gè)方向， 這決定了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)只能運(yùn)用在近二維結(jié)構(gòu)中。 對(duì)于三維結(jié)構(gòu)， 由于蜂窩無法承受三維方向上的載荷， 所以無法與各向同性材料競爭。
通常在夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，泡沫材料的密度（50kg/m3-120kg/m3）比蜂窩密度（32 kg/m3或48kg/m3）要高，剪切強(qiáng)度也低于同樣密度的蜂窩材料，這也是目前蜂窩材料的應(yīng)用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工藝、設(shè)計(jì)和使用過程中，也有其獨(dú)特的優(yōu)勢。
目前，先進(jìn)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中最常用的泡沫芯材是贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫在進(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗?，能承受高溫的?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預(yù)浸料固化工藝的蠕變性能要求，
從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，機(jī)械加工相對(duì)簡單；對(duì)于復(fù)雜形狀，可以通過熱成型的方法對(duì)芯材成型。泡沫夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，能夠適應(yīng)更高的共固化溫度和壓力，不需要進(jìn)行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料蒙皮的力學(xué)性能相對(duì)要高。另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝，例如各種樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝等。
從設(shè)計(jì)的角度來講，除了常用的全高度夾層結(jié)構(gòu)和蒙皮夾層結(jié)構(gòu)以外，還可以設(shè)計(jì)泡沫填充帽形加筋條結(jié)構(gòu)。另外泡沫的力學(xué)性能是各向同性，而蜂窩是各向異性。在復(fù)雜的受力狀態(tài)下，泡沫比蜂窩更能滿足結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求。
在使用過程中，泡沫因?yàn)槭情]孔結(jié)構(gòu)，和開孔的蜂窩結(jié)構(gòu)相比，具有較低的吸水率，減少維修成本。
選擇合適的泡沫材料，需要考慮下面幾個(gè)因素。
長期使用溫度，可以參見泡沫材料動(dòng)態(tài)剪切模量選擇泡沫的規(guī)格。
工藝要求。根據(jù)固化工藝的溫度、壓力和時(shí)間，確定滿足壓縮蠕變要求的泡沫規(guī)格和型號(hào)。
密度要求，通常選擇的泡沫密度在50kg/m3-120kg/m3之間。
樹脂的粘度。例如液體樹脂成型，推薦使用細(xì)小泡沫孔隙的型號(hào)，減少泡沫表面樹脂吸收率，減輕結(jié)構(gòu)重量。
2、夾層結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)形式
對(duì)于結(jié)構(gòu)高度小的結(jié)構(gòu)（例如定風(fēng)翼），采用全高度夾層結(jié)構(gòu)代替梁肋式結(jié)構(gòu)也能帶來明顯的減重效果。夾層結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的彎曲剛度和強(qiáng)度。對(duì)于結(jié)構(gòu)高度大的結(jié)構(gòu)，采用蒙皮夾層結(jié)構(gòu)能明顯減輕重量。
在彎曲和軸向壓力作用下，薄壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常常會(huì)發(fā)生穩(wěn)定破壞，失穩(wěn)破壞總是在材料到達(dá)壓縮破壞強(qiáng)度以前，在受壓部位出現(xiàn)，為此工程師常常設(shè)計(jì)加筋條結(jié)構(gòu)。對(duì)于常用的加筋板，圖4（a）中，加筋板分3步制造，包括面板固化、加筋條固化和二次膠接。盡管可以通過一些高效率、低成本的方法，例如擠出工藝制造出加強(qiáng)筋，但是由于采用了二次膠接，抵消了成本優(yōu)勢。另外一種方法是加強(qiáng)筋和面板采用共固化工藝，如圖4（b）所示，設(shè)計(jì)中可以采用和樹脂有相同固化周期的膠膜來提高膠接面整體性。加強(qiáng)筋可以經(jīng)過預(yù)固化或者未經(jīng)預(yù)固化，這樣加強(qiáng)筋和蒙皮結(jié)合在一起。圖4（c）中，增加了設(shè)計(jì)尺度，這也帶來微觀的設(shè)計(jì)。圖4（d）是放棄整個(gè)I形加強(qiáng)筋的概念，采用泡沫填充帽形加筋條的設(shè)計(jì)方法。和空心的帽形加筋條結(jié)構(gòu)相比，避免了帽筋條的側(cè)壁產(chǎn)生失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。
泡沫填充帽形加筋條的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度和空心加筋條相比，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初始失穩(wěn)時(shí)，失穩(wěn)載荷提高約100%（圖 5)。芯材主要承受和加強(qiáng)筋側(cè)表面垂直方向的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，避免在碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板達(dá)到屈服強(qiáng)度前，結(jié)構(gòu)過早地發(fā)生失穩(wěn)破壞。
對(duì)于常用的夾層結(jié)構(gòu)共固化工藝，例如泡沫填充帽形加筋條結(jié)構(gòu)，芯材還作為蒙皮復(fù)合材料的芯模，起到工藝輔助材料的功能，在復(fù)合材料蒙皮或面板的固化壓力和溫度條件下，提供足夠的尺寸穩(wěn)定性，保證蒙皮或面板能夠壓實(shí)。泡沫和蜂窩相比，更加適合于共固化工藝。
3、PMI剛性泡沫的生產(chǎn)
聚合物剛性泡沫能夠允許用戶使用數(shù)控加工或者熱變性成型的方式，來加工成用戶所需要的形狀。 由贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)Evonik Industries AG生產(chǎn)的PMI剛性泡沫就具有這樣的特性。 PMI泡沫是由MAA和MAN共聚反應(yīng)而成。(見圖6)
與其它的聚合物泡沫相比， ROHACELL? PMI硬質(zhì)泡沫提供極其優(yōu)越的比強(qiáng)度。 而且能夠在180°C高溫下耐受很高的壓力， 這使其作為很多應(yīng)用和工藝方法的首選材料。
4、PMI泡沫的模具內(nèi)發(fā)泡技術(shù)
在實(shí)際使用中， 過高的數(shù)控加工成本讓這種工藝難以運(yùn)用在大規(guī)模的量產(chǎn)中。 由于碳纖維量產(chǎn)技術(shù)的飛躍， 對(duì)于高性能復(fù)雜形狀的夾芯泡沫的市場需求也在不斷的增長。 ROHACELL? Triple F是一種顆粒狀的泡沫芯材， 專門用于模具內(nèi)發(fā)泡工藝， 由贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)Evonik Industries AG研發(fā)。 這種技術(shù)能夠通過減少材料損耗， 降低人工成本， 縮短工藝時(shí)間， 有效地降低了單件制件的成本。
在這種工藝中， PMI泡沫聚合板被粉碎為顆粒， 并且通過預(yù)發(fā)泡來獲得想要的密度。 這一步非常重要， 即必須在聚合物中保留一定數(shù)量的發(fā)泡劑。然后將這些顆粒裝入封閉的模具內(nèi)加熱，發(fā)泡會(huì)重新開始，這些顆粒將不斷的增大。 由于模具型腔的限制，這些顆粒會(huì)不斷地變形， 并且最終填滿整個(gè)模具型腔。 冷卻階段中， 這些聚合物會(huì)回到穩(wěn)定的狀態(tài)， 然后就可以開模取出具有與模具一致形狀的泡沫芯(見圖7)。
通過實(shí)驗(yàn)， 我們發(fā)現(xiàn)通過顆粒發(fā)泡的泡沫材料， 其性能低于完整發(fā)泡工藝的泡沫。 通過將ROHACELL? IG-F和ROHACELL? Triple F進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)， 抗壓強(qiáng)度以及抗剪切強(qiáng)度都發(fā)生了顯著的降低， 這主要是由于顆粒之間較低的結(jié)合力造成的。 為了改善這一問題， 在預(yù)發(fā)泡的顆粒中需要加入粘合劑。 在模具內(nèi)發(fā)泡時(shí)， 高溫會(huì)讓粘合劑融化， 在冷卻后形成顆粒之間良好的粘結(jié)強(qiáng)度。 這極大地改善了泡沫芯材的機(jī)械強(qiáng)度， 在高密度的應(yīng)用中， 甚至能夠達(dá)到正常工藝生產(chǎn)的ROHACELL? 泡沫(見圖8)。
與數(shù)控加工相比， 模內(nèi)顆粒發(fā)泡工藝的另外一個(gè)明顯的優(yōu)勢是可以埋入其它不同的材料。 金屬或者其它可以耐受高溫的塑料都可以在模內(nèi)發(fā)泡時(shí)候進(jìn)行埋入， 這樣可以高度整合其它的結(jié)構(gòu)部件。 比如， 典型的應(yīng)用是可以埋入螺栓套。圖9展示了一個(gè)埋入工藝的工藝驗(yàn)證件。這證明了通過ROHACELL? Triple F， 可以獲得各種復(fù)雜形狀的泡沫芯材， 以及各種表面結(jié)構(gòu)。
5、汽車復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低成本工藝
汽車復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)不再是一個(gè)小眾市場。相對(duì)于復(fù)合材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域已經(jīng)是其最大市場，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每輛乘用車，復(fù)合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級(jí)別、地區(qū)和部件有所不同。對(duì)于所有級(jí)別的車輛，儀表板等內(nèi)飾件，75%的車輛采用了復(fù)合材料，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)部件，僅僅在高端車型中有所應(yīng)用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復(fù)合材料。總的來說，復(fù)合材料的用量豪華車大約是15%，高端車大約9%，中級(jí)車6%，入門級(jí)車4%。
2015年以后，隨著碳排放法規(guī)（2020年生效，并逐步嚴(yán)格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，加上工藝和自動(dòng)化設(shè)備的不斷成熟，例如針對(duì)熱固性復(fù)合材料快速制造開發(fā)的HP RTM（高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑）工藝和模壓成型工藝、熱塑性復(fù)合材料層板熱成型自動(dòng)化設(shè)備，到2020年，碳纖維復(fù)合材料的綜合性價(jià)比會(huì)優(yōu)于金屬，取代金屬材料，用于量產(chǎn)車的底盤制造，并涵蓋大多數(shù)的高端車型和少量的中級(jí)車。
HP RTM（高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑）工藝示意圖：
熱塑性復(fù)合材料層板熱成型示意圖：
6、結(jié)論
夾層結(jié)構(gòu)是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重最可靠有效的技術(shù)。 但是與金屬相比， 碳纖維制造件的造價(jià)仍然偏高。 所以， 如何降低生產(chǎn)成本是一個(gè)大家共同關(guān)心的問題。 從小批量的試制到大規(guī)模生產(chǎn)， 其工藝方案是完全不同的， 在大規(guī)模生產(chǎn)中， 要求極高的自動(dòng)化水平和極短的工藝循環(huán)周期。 這就要求工藝和材料比如能夠耐受高壓(> 30 bar)和高溫(~ 180 °C)的生產(chǎn)環(huán)境。 因此， 泡沫芯材就成了制約復(fù)合材料工藝在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用的短板。 PMI剛性泡沫能夠滿足這樣的工藝和生產(chǎn)環(huán)境要求， 高效率地大規(guī)模生產(chǎn)三維復(fù)雜形狀泡沫夾芯。
提問環(huán)節(jié)：
1、復(fù)合材料現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用的情況如何？在哪些汽車零部件中用的最多？
現(xiàn)代的高性能連續(xù)纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，國內(nèi)是一個(gè)空白。改裝車市場，沒有實(shí)現(xiàn)批量化工業(yè)化的規(guī)模。BMWi3是世界上第一個(gè)采用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的量產(chǎn)車
2、國內(nèi)現(xiàn)在汽車結(jié)構(gòu)件的研發(fā)應(yīng)用情況如何？可靠性如何？
剛剛起步。
3、怎么解決生產(chǎn)效率問題？
材料的革新（主要是樹脂）＋真正基于工業(yè)化基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)＋自動(dòng)化。我個(gè)人特別推崇IKEA。同樣的木頭，通過不一樣的設(shè)計(jì)（板式），實(shí)現(xiàn)了低成本，批量化。
4、實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低成本的出路在哪里？
目前復(fù)合材料的成本1/3材料，1/3是工藝，1/3是后期的安裝等。降低工藝成本和后期的安裝、拋光、打磨的費(fèi)用是首當(dāng)其沖。
5、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞研究怎么考慮？
這個(gè)問題，對(duì)復(fù)合材料不是問題。我們的運(yùn)動(dòng)器材大多是碳纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料具有比金屬材料更好的疲勞性能。
6、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料怎么修復(fù)？怎么回收？
這個(gè)問題很簡單。我們的boeing飛機(jī)，你能看到的都是復(fù)合材料，他們的維修經(jīng)驗(yàn)可以給我們參考。
7、國內(nèi)增強(qiáng)復(fù)合碳纖維車架有沒有人做？
沒有。
8、國內(nèi)碳纖維車門做到什么程度？
沒有聽說。很多都是一些樣件，我們不能被誤導(dǎo)了
9、國內(nèi)碳纖維輪轂有沒有人使用？
有聽說過。
10、泡沫鋁材料使用有沒有開始？
沒有。
11、復(fù)合材料如何做結(jié)構(gòu)性連接？鉚接，焊接？粘接？
復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)連接：膠結(jié)，參見BMW的介紹。但是我不認(rèn)為這個(gè)是終結(jié)方案，結(jié)構(gòu)形式可以多樣，材料體系可以多元。
12、纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品模具設(shè)計(jì)與成型的發(fā)展？
熱塑性overmolding是最好的解決方案。
13、復(fù)合材料常用無損檢測方法？
參見胡總的論文：http://www.frponline.com.cn/expert/news/detail_178.html
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