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中科院祝颖丹:轻量化已是新能源汽车行业发展的主流趋势

第一电动安小曼

12月16日,第九届全球新能源汽车大会(GNEV9)在国家会议中心开幕。在下午的轻量化论坛上,中科院宁波材料技术与工程研究所研究员祝颖丹发表了主题演讲——《汽车工业用热塑性纤维复合材料》。

祝颖丹表示,节能环保、法规、性能等对汽车轻量化的要求与日俱增,已经是新能源汽车行业发展的主流趋势。

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以下为中科院宁波材料技术与工程研究所祝颖丹研究员演讲实录(略有删减):

目前,新能源汽车的轻量化车身主要有三大类结构,第一,全铝合金车身;第二,碳纤维复合材料+铝合金车身;第三,Carbon Core混合材质车身。

碳纤维复合材料密度1.5左右,在等刚度或等强度下比钢可以减轻50%,比铝合金可减轻30%。受到成本、工艺、材料本身属性等多方面的约束,金属材料和复合材料都有各自的优势,不用相互排斥,大家怎么样将它们融合在一起发挥各自的作用,这才是轻量化最终要追求的目标,多材质的应用是必然趋势。

再看一下成本,我们平时讲成本高大多是基于替代思维,针对单个金属零部件,直接采用碳纤维复合材料替代对比价格显然是偏高的,忽略了复合材料在装配总成及轻量化带来的综合效益等全寿命周期的综合成本。到目前为止,碳纤维无法做到钢材的价格。任何一个新车型在开发之前应将新材料纳入进去,将成本融合进整车及全寿命周期层面,而不是采用简单的替代思维计算成本。

国外形成了上下游一体化的产业链,比如宝马,建立了从碳纤维到中间材料织物到零部件以及主机厂整车的全链条,国内主机厂很难去做到这一步,但是我们可以整合各个环节的优势单位一起做产业链,现在国产碳纤维已经量产,不少企业拥有量产设备,但是我们还处于示范应用中,没有达到真正的量产应用。

目前复合材料在汽车工业规模化应用问题较多,我简单列了几个:第一,原材料成本高;第二,设计水平不足;第三,生产效率低;第四,高效连接技术;第五,回收利用问题。

针对回收利用的问题,与热固性复合材料相比,热塑性复合材料占了很大的优势。目前国际上纤维复合材料的应用增长非常快,现在市场上热固为主导,热塑逐年递增,每年至少以15%增长,这个是响应咱们国家十三五节能环保政策,回收再利用即是其范畴,热塑复合材料另外一个特点是成型周期短,符合汽车的高效生产节拍。

目前高性能热塑复合材料成型技术主要包括非连接纤维复合材料成型技术、连续纤维复合材料成型技术,以及连续-非连续纤维复合材料成型技术三大类。非连续纤维复合材料性能低、成型效率高、结构复杂,连续纤维复合材料性能高、成型效率相对低、结构简单,连续和非连续结合在一起,可以实现复杂承载结构件的高效成型。

咱们讲工艺之前有一个很重要的问题先需要解决。碳纤维表面非常光滑,与高分子树脂材料结合性差,在两者之间需架入一个桥梁,从研究层面来讲这个叫碳纤维的表面处理,处理的方法有多种。这是碳纤维的基本生产流程,最后有一道上浆工序,这就是一个桥梁,在碳纤维表面上浆可以改善碳纤维-树脂的结合性能。

为什么我们这里特别强调要做热塑性上浆剂呢?目前市场上以热固树脂应用为主,所以大部分碳纤维的上浆剂是以环氧为主的。热塑性复合材料加工温度较高,一般都超过200度,这个加工温度容易破坏环氧上浆剂。另一方面,热塑性树脂和环氧上浆剂兼容性差,所以我们做成型工艺前一定要做好界面的处理。我们可以从这些图和数据中对比下采用和没采用专用热塑性上浆剂的区别,采用后复合材料的性能明显得到大幅度的提升。

接下来介绍下热塑性复合材料常见的成型工艺。首先是比较成熟的LFT成型工艺,主要有粒料和在线成型两大类。在线成型主要包括在线模压和在线注塑成型,模压就是将团状料直接转移至模腔合模成型,过程比较简单。注塑是直接将挤出料通过注塑机注入到模腔成型。国内宁波双马注塑机做的还是非常不错的,国际上KraussMaffei/Dieffenbacher公司做得最好。LFT工艺在欧洲曾被称为未来之星,已经在车上多个零部件得到了成功的应用。

第二种工艺是GMT,这种工艺也比较成熟,相对简单。这个是长纤维反应注塑成型,主要是跟PU浸润注塑,这是KraussMaffei公司开发的设备,已经研发出多个部件在大卡车上得到了很成功的应用。

接下来介绍下连续纤维复合材料成型技术。首先介绍下T-RTM成型,这是将热固性复合材料成型工艺移植到热塑性复合材料。适合这种工艺的热塑性树脂主要有阴离子开环聚合的己内酰胺、CBT、液态聚丙烯等,这是宁波所自主研发的注胶机,我们采用该装备成功制备出大尺寸(1.7*1.6 m)的结构件。这个是宁波材料所自主研发的“三步”热压成型技术及装备,目前我们可以做到单模13件/小时。这个是铺放成型技术,这一类技术分两种,一种可以做预制件铺放,另外一种是铺丝铺带成型。这是拉挤成型,涉及到多种反应型、非反应型成型技术。

谢谢大家。

来源:第一电动网

作者:安小曼

本文地址:https://www.d1ev.com/news/zhanhui/84061

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