復(fù)合材料-在汽車上的應(yīng)用

1、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用SAMPE中國年會,輕量化——復(fù)合材料為汽車減重,報(bào)告內(nèi)容,2,一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀,3,一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀,4,復(fù)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(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。由于復(fù)合材料的范圍較廣，分類較多，本報(bào)告中涉及的復(fù)合材料均為高分子復(fù)合材料，其基體材料為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。 由于復(fù)合材料

2、具有高的比強(qiáng)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(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，復(fù)合材料越來越多的應(yīng)用于汽車行業(yè)；而且復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、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(fù)合材料和復(fù)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(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)的復(fù)合材料正好順應(yīng)了汽車的發(fā)展趨勢。因此，復(fù)合材料在汽

3、車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用就變得尤為重要，其在汽車上的廣泛應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，必將導(dǎo)致未來汽車材料的巨大革新。,有人稱，2013年是復(fù)合材料汽車元年,,一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀,5,統(tǒng)計(jì)顯示，全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達(dá)105千克，約占汽車總重量的8%~12%。而發(fā)達(dá)國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重量的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(yù)計(jì)到202

4、0年，發(fā)達(dá)國家汽車平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。 目前，德國奔馳高級轎車塑料及復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到150千克/輛，而奧迪車就更多了，如奧迪A2型轎車，塑料及復(fù)合材料件總重量已達(dá)220千克，占總用材的24.6%。,1.1 汽車工業(yè)成為復(fù)合材料的最大用戶,一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀,6,在塑料及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程上，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司李宏遠(yuǎn)副總經(jīng)理的“復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用”報(bào)告認(rèn)為：（1）成

5、熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐熱熱增強(qiáng)改性，主要應(yīng)用在汽車內(nèi)外裝飾件上。（2）進(jìn)行的第二步：長/短玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車部分結(jié)構(gòu)件和功能件上，是目前廣泛應(yīng)用于汽車上的重要復(fù)合材料。纖維熱塑性塑料：SMC/BMC;纖維熱塑性塑料：GMT、LFT。（3）關(guān)鍵的第三步：汽車用復(fù)合材料關(guān)鍵性的第三步，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP），主要應(yīng)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

6、步，天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外裝飾件，有機(jī)回收，環(huán)保。,1.2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程,一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀,7,1.3 汽車用復(fù)合材料成型工藝,8,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,白車車身材料,1.4 復(fù)合材料在車上應(yīng)用趨勢,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,9,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,10,——復(fù)合材料在上汽乘用車上的應(yīng)用，胡仁其 高級經(jīng)理，上汽乘用車中心實(shí)驗(yàn)室,2.1 整車輕量化的意義,

7、二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,11,2.2 整車輕量化的途徑,復(fù)合材料的使用時(shí)整車輕量化的主要途徑之一。,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,12,2.3 典型乘用車所用材料,高分子復(fù)合材料具有比強(qiáng)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(diǎn)，因此高分子復(fù)合材料的使用能夠在使得汽車在節(jié)能減重的同時(shí)更具安全和舒適性。,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,13,2.3 典型乘用車所用材料,二、熱塑性復(fù)合材料在

8、汽車上的應(yīng)用,14,2.3 典型乘用車所用材料,15,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,2.4 復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,16,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,2.4 復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,17,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,目前，汽車上使用的玻纖增強(qiáng)塑料主要有玻纖增強(qiáng)PP、玻纖增強(qiáng)PA66或PA6以及少量PBT、PPO材料 。,長線粒料（LFT）在乘用車上的應(yīng)用,18,二、熱塑性復(fù)合

9、材料在汽車上的應(yīng)用,2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)，是目前國際上極為活躍的復(fù)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(jī)護(hù)板、蓄電池托架等。,據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(qiáng)熱塑性材料（LFRT）在重型卡車和大規(guī)模公共交通運(yùn)輸領(lǐng)

10、域被廣泛關(guān)注，休閑車（RV）OEM制造商更是表示，探索熱塑性復(fù)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(jī)護(hù)板,蓄電池托架,玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)在乘用車上的應(yīng)用,19,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,連續(xù)玻璃纖維和玻璃纖維通過合理的設(shè)計(jì)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(tuán)佛吉亞公司聯(lián)手設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料汽車座椅骨架。這種骨架用連續(xù)玻璃纖維和尼

11、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(yù)計(jì)這種座椅在2014年就能進(jìn)入主流汽車市場。目前這種座椅有兩種設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室胡仁其高級經(jīng)理在報(bào)告中單獨(dú)提出來了這個應(yīng)用,20,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用,天然纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料在汽車內(nèi)裝飾件上

12、的應(yīng)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(fù)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OEM’s: Mercedes E-class 注射成型BMW 7-series 注射成型VW Polo 模壓VW Golf 模壓,

13、應(yīng)用舉例—引擎降噪板/底部護(hù)板,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,21,OEM BMW車型 7 series產(chǎn)量 55.000 cars重量 (6 parts) 6,7 kg供應(yīng)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)勢綜合成本比

14、GMT更低，對汽車底部的保護(hù)較好,應(yīng)用舉例—引擎降噪板/底部護(hù)板,22,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,,OEM DCXVehicle E-class產(chǎn)量 250.000 cars部件重量 5 kg供應(yīng)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(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,應(yīng)用舉例—引擎降噪板/底部

15、護(hù)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 : Faurecia 工藝路線 : 注射成型 使用材料 :Stamax P30YM240,24,二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,應(yīng)用舉例—Ford-Fiesta 門板模塊,尺寸 (L/W/H/WB) mm - 3626

16、/ 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(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,應(yīng)用舉例—BMW Mini Cooper前端框架,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,26,27,三

17、、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.1 熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,從目前熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用來看，熱塑性復(fù)合材料主要是應(yīng)用于非承受力或次承受力的結(jié)構(gòu)件，而熱固性復(fù)合材料主要應(yīng)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(fù)合材料在車輛領(lǐng)域中的使用比例,28,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.2 汽車用熱固性復(fù)合材料的種類,美國早于上世紀(jì)50年代中期開始了這一進(jìn)程，如1953年美國的通用汽車公

18、司研制了一個全玻璃鋼復(fù)合材料的跑車Corvette，此后玻璃鋼被 廣泛應(yīng)用在汽車的頂蓋、前端框架、后舉門、前后保險(xiǎn)杠、前后翼子板、擋泥板、座椅骨架、底部護(hù)板、車門、進(jìn)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(fù)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(jìn)復(fù)合材料，目前能用于主承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料就是碳纖維復(fù)合材料。 碳纖維復(fù)合材料由于其自身獨(dú)具的強(qiáng)度，剛度特性可以挑戰(zhàn)鋼用于

19、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(xiǎn)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(diǎn)介紹碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,29,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,CFRP可應(yīng)用于汽車的六大主要系統(tǒng)：,發(fā)動機(jī)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；

20、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(xiǎn)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(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)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,

21、31,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,BMW MCV的CFRP引擎罩,CFRP夾層結(jié)構(gòu),32,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)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(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,高端跑車底盤,Audi R8 GT :從全金屬車身到混合結(jié)

22、構(gòu)車身：CFRP底盤+鋁副車架(2014)，減重目標(biāo)：100kg,Lamborghini Aventador LP700-4,34,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)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(fù)合材料制造工藝手工鋪放預(yù)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(fù)合材料在汽車

23、上的應(yīng)用,3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,36,3.4 熱固性復(fù)合材料在貨車上的應(yīng)用,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,37,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,目前，發(fā)達(dá)國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%~8%，預(yù)計(jì)不久將達(dá)到10%~11%。對于中國來說，塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用尚處于初級階段。塑料等非金屬材料在國產(chǎn)車上的應(yīng)用狀況還比不上進(jìn)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

24、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(fù)合材料市場取得了長足的發(fā)展，亞洲目前的復(fù)合材料市場的規(guī)模已經(jīng)超過180億歐元。亞洲市場的復(fù)合材料產(chǎn)量將翻番，預(yù)計(jì)到2015年可達(dá)到1000萬噸。強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)增長將繼續(xù)推動亞洲復(fù)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。,38

25、,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,39,4.1 選材 從GFRP到CFRP 減重效果：GFRP: 25-35 wt%；CFRP: 50~70 wt%從短切纖維到連續(xù)纖維 環(huán)境友好——綠色復(fù)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：PP\PA\PET,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,40,4 2 設(shè)計(jì)4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)

26、： BMW i3引擎罩,（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,4 2 設(shè)計(jì)4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式SMC加筋加肋：地板設(shè)計(jì)采用格柵結(jié)構(gòu),41,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,4.2.2 結(jié)構(gòu)一體化理念 傳統(tǒng)：等代設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)典型實(shí)例 BMW MCV的Life Drive模塊化框架 CFRP駕駛

27、艙+鋁底盤，安全、輕質(zhì),（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,42,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)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(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,43,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)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(yù)浸料真空成型技術(shù)模具、工裝技術(shù)變截面中空制品的成型4.4 裝配技術(shù)

28、膠接技術(shù)膠接接頭設(shè)計(jì)CFRP/金屬件的連接技術(shù),（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,44,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,CFRP的成本問題標(biāo)準(zhǔn)化問題GFRP缺乏材料性能數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)測試方法設(shè)計(jì)缺乏用于制造、連接、設(shè)計(jì)的通用建模工具和方法缺乏用于CFRP主結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法、預(yù)測工具和沖擊模型成型制品成型速度低于金屬件現(xiàn)有的CFRP預(yù)浸料鋪放成型技術(shù)不適于大批量生產(chǎn)回收再利用的問題,45,（二）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域大范

29、圍推廣應(yīng)用面臨的主要問題,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,復(fù)合材料供應(yīng)商與汽車制造企業(yè)的合作模式——戰(zhàn)略合作發(fā)展成本：大絲束碳纖維及其織物有吸引力的價(jià)格：70~100元/千克高效率低成本的制造工藝：高效率RTM工藝、LFT-D工藝技術(shù)、碳纖維SMC工藝技術(shù)、熱塑性連續(xù)碳纖維預(yù)浸技術(shù)復(fù)合材料與金屬材料的連接技術(shù),46,（三）國內(nèi)需要解決的問題,四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用,與汽車制造企業(yè)建立戰(zhàn)略合作，制定連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合