碳纖維汽車解決方案：尋常駕駛 不再尋常

汽車行業(yè)真的要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，加速推進(jìn)碳纖維“黑車身”的應(yīng)用嗎？Vicki P. McConnell通過(guò)本文介紹了一些為汽車開(kāi)發(fā)的新型碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）產(chǎn)品，并向復(fù)合材料供應(yīng)商提出了疑問(wèn)——這次變革之旅是否確將開(kāi)啟？



汽車行業(yè)真的要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，加速推進(jìn)碳纖維“黑車身”的應(yīng)用嗎？Vicki P. McConnell通過(guò)本文介紹了一些為汽車開(kāi)發(fā)的新型玻纖增強(qiáng)塑料（FRP）產(chǎn)品，并向復(fù)合材料供應(yīng)商提出了疑問(wèn)——這次變革之旅是否確將開(kāi)啟？

在當(dāng)前環(huán)境下，新車銷售因經(jīng)濟(jì)低迷而陷入低谷，車輛燃油效率在刺激車市方面起著關(guān)鍵的作用。目前，汽車油耗從很大程度上取決于金屬及其他車用材料能否實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的性能效益。其中最重要的自然是幫助企業(yè)達(dá)到美國(guó)最新出臺(tái)的“公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性”標(biāo)準(zhǔn)（corporate average fuel economy，簡(jiǎn)稱CAFÉ）的目標(biāo)，即到2025年轎車及輕卡的油耗需低于54.5mph。而要想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，車輛的設(shè)計(jì)與制造很可能要作出巨大的改變。纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的一些供應(yīng)商表示，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用將達(dá)到前所未有的水平，可以滿足主機(jī)廠（OEM）當(dāng)前的需求。

本文來(lái)自123

“要達(dá)到最新的CAFÉ標(biāo)準(zhǔn)，需要盡早開(kāi)發(fā)出具有成本效益的先進(jìn)材料、可替代動(dòng)力系統(tǒng)以及其他新技術(shù)。”杜邦公司（美國(guó)特拉華州Wilmington市）全球汽車技術(shù)總監(jiān)Dr David Glasscock表示，“我們認(rèn)為，復(fù)合材料可以為汽車的很多應(yīng)用領(lǐng)域提供輕量化解決方案。兩個(gè)顯而易見(jiàn)的作用包括：在短期內(nèi)幫助縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸；以及幫助汽車底盤、結(jié)構(gòu)件及車身外飾件實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的減重。”
杜邦公司在2010年推出了1700多個(gè)新產(chǎn)品，并將其17億美元研發(fā)預(yù)算的22%投入到降低對(duì)化石燃料的依賴性，以及對(duì)創(chuàng)新化學(xué)品和新材料的開(kāi)發(fā)中。



“在目前的環(huán)境中，減少對(duì)化石燃料的依賴需要我們重新考量汽車上每一個(gè)零部件和每個(gè)系統(tǒng)的功能。”Glasscock繼續(xù)說(shuō)道，“這是一個(gè)決定性的時(shí)刻，不僅僅針對(duì)材料，對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)都是如此。這不只牽涉到某一種材料、某一種技術(shù)或供應(yīng)鏈上的某一部分。我認(rèn)為我們將會(huì)迎來(lái)大量的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明創(chuàng)造，涉及多種材料。此外，也會(huì)誕生一些獨(dú)特的業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)，能在全球范圍內(nèi)展開(kāi)合作。” 123,123

當(dāng)然在過(guò)去3年多的時(shí)間里，企業(yè)之間緊密合作的消息不斷見(jiàn)諸報(bào)端。汽車主機(jī)廠和纖維增強(qiáng)材料供應(yīng)商之間宣布正式建立合資公司以及達(dá)成其他合作關(guān)系的企業(yè)和項(xiàng)目包括：寶馬與西格里集團(tuán)、戴姆勒與東麗公司、豐田與東邦特耐克絲株式會(huì)社、奧迪與福伊特公司（Voith GmbH）、贏創(chuàng)以及CAMIMSA項(xiàng)目的合作伙伴 ；此外，還有歐盟第七屆科技框架計(jì)劃（European Union's Seventh Framework Programme）下的HIVOCOMP合作項(xiàng)目。

杜邦汽車業(yè)務(wù)全球市場(chǎng)總監(jiān)Patrick Ferronato表示，“今天，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的每一個(gè)零部件所接觸的化學(xué)混合物或負(fù)荷均不相同，而且還處于較高的溫度下，一種材料肯定無(wú)法解決所有的問(wèn)題。”杜邦新推出的樹(shù)脂材料專門用于生產(chǎn)可替代金屬的復(fù)合材料，共包括五種牌號(hào)的Zytel PLUS聚氨酯（PA）及兩種牌號(hào)的Zytel HTN 92聚酞酸酯（PPA）。所有這些產(chǎn)品均采用了杜邦獨(dú)有的SHIELD技術(shù)，其中包括全新的聚合物基體及特殊添加劑，可以承受熱油與氯化鈣的侵蝕，以及高達(dá)230℃的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。 123456

2010年的10月份，通用汽車在Zytel PLUS尼龍推向市場(chǎng)后的僅僅90天內(nèi)就在其凱迪拉克車型上采用了該產(chǎn)品，用于35%玻纖增強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩中。目前，這款樹(shù)脂還用于采用增強(qiáng)材料的廢氣循環(huán)系統(tǒng)中。杜邦公司進(jìn)行的一項(xiàng)測(cè)試顯示，Zytel PLUS尼龍樹(shù)脂相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的熱穩(wěn)定型尼龍可以將某些發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命延長(zhǎng)一倍。

Zytel HTN92系列 PPA樹(shù)脂的性能相比非芳香族聚酰胺又提升了一大步。分別在230°C的溫度下熱老化1000小時(shí)后，HTN 92系列的強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格PPA樹(shù)脂的兩倍，比PPS樹(shù)脂則高出20-25%。該產(chǎn)品可以用于排氣消音器、油底殼（變速箱油底殼）、機(jī)油濾清器模塊、氣門搖臂蓋及其他變速器部件等。杜邦Zytel HTN PPA樹(shù)脂的另一個(gè)牌號(hào)是一種“電力友好型”聚合物，在各種溫度下都能承受高電壓，因此非常適用于混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車上。杜邦計(jì)劃到2013年將Zytel HTN的產(chǎn)能提升至20000 t。 內(nèi)容來(lái)自123456

引擎蓋下的SMC部件

纖維增強(qiáng)材料在汽車部件上的應(yīng)用主要集中在車身面板和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件上。在車身面板方面，主要為采用玻璃、礦物、納米復(fù)合材料及其他填充物進(jìn)行填充的片狀模塑料（SMC）和團(tuán)狀模塑料（BMC），這些部件包括A級(jí)表面車門及側(cè)面板、車窗包圍飾條、車頂、引擎蓋以及行李箱蓋、翼子板與保險(xiǎn)杠、擾流板、立柱護(hù)板以及其他蓋板等。

“SMC滿足了許多需求，如輕量化、綠色可持續(xù)發(fā)展、易于造型等，此外總成本還與金屬相當(dāng)。”樹(shù)脂及聚合物供應(yīng)商AOC公司（美國(guó)田納西州Collierville市）的銷售代表Jim Plaunt表示，“BMC的成型工藝（模壓、注射及注射壓縮成型）可以讓生產(chǎn)率符合汽車行業(yè)的要求。”

AOC業(yè)務(wù)經(jīng)理Mike Dettre指出，“除了新的CAFE標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬隨后又頒布了有史以來(lái)首個(gè)全國(guó)性政策，其主旨是提高中型及重型卡車的燃油效率并降低溫室氣體排放（將覆蓋2014年到2018年的車型）。具體到2018年，重型卡車的油耗將降低20%，重型皮卡和廂式貨車的油耗將降低15%，職業(yè)性車輛如運(yùn)輸卡車、客車及垃圾車將降低10%。”



他認(rèn)為，“要想滿足這些新法規(guī)的要求，毫無(wú)疑問(wèn)需要大大降低未來(lái)車輛的車身重量。SMC/BMC較高的比強(qiáng)度，加上優(yōu)秀的表面質(zhì)量、尺寸穩(wěn)定性、抗侵蝕能力以及配方的靈活性，可以滿足最嚴(yán)苛的車型性能要求，也使這些材料成為合理的選擇。”他指出，“有許多其他牌號(hào)的產(chǎn)品正準(zhǔn)備推向市場(chǎng)，它們可以在許多不同種類的汽車部件上取得應(yīng)用，比如覆蓋板、結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件、燃料電池托架等。”

此外，Dettre與Plaunt都指出，采用碳纖維來(lái)增強(qiáng)SMC材料還需要與碳纖維制造商建立緊密的合作關(guān)系。

“碳纖維除了成本較高之外，”Dettre指出，“目前的絲束結(jié)構(gòu)決定了這種材料通常是扁平稠密的短切氈形態(tài)，采用目前的壓制設(shè)備很難浸潤(rùn)。此外，環(huán)氧基樹(shù)脂和某些乙烯基酯樹(shù)脂可以和碳纖維很好地粘接，但碳纖維與不飽和聚酯樹(shù)脂之間若要成功地粘接，則還需更多的研究工作。”

AOC公司會(huì)繼續(xù)與其客戶、主機(jī)廠及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展合作，解決碳纖維成本及SMC的可加工性問(wèn)題，與此同時(shí)，還會(huì)進(jìn)一步研發(fā)新的SMC配方，采用其他低密度、低煙阻燃、低硬度及更加綠色環(huán)保的增強(qiáng)劑。

Plaunt設(shè)想，“如果汽車設(shè)計(jì)及制造目前確實(shí)正在經(jīng)歷變革的話，那么這對(duì)于SMC來(lái)說(shuō)，可能也是一個(gè)復(fù)興的機(jī)會(huì)。”

BMC的發(fā)展

來(lái)自美國(guó)伊利諾伊州西芝加哥市（West Chicago）的Bulk Molding Compounds Inc（團(tuán)狀模塑料公司，簡(jiǎn)稱BMCI）在BMC配方設(shè)計(jì)方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)。該公司預(yù)期“2012年，公司在所服務(wù)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的有關(guān)汽車材料的銷售能取得7.5%的增長(zhǎng)。”該預(yù)測(cè)來(lái)自BMCI公司全球市場(chǎng)副總裁Len Nunnery。“我根據(jù)一些新開(kāi)發(fā)的熱固性BMC材料配方作出了這個(gè)預(yù)測(cè)，這些新材料可以用于某些汽車部件上，用來(lái)替代金屬或者熱塑性工程塑料。雖然2012年的汽車產(chǎn)量預(yù)計(jì)將依然疲軟，但是BMCI依然看好我們的材料在某些細(xì)分領(lǐng)域的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，比如歐洲的OEM公司用我們的材料生產(chǎn)節(jié)門體，亞洲的汽車制造商用來(lái)生產(chǎn)前向照明零部件；我們的材料還用于生產(chǎn)北美自由貿(mào)易協(xié)議（NAFTA）規(guī)定的隔熱及防撞擊護(hù)板 ；也被南美市場(chǎng)用于熱固性儀表板和前格柵零部件的生產(chǎn)。” 123456
2012款?yuàn)W迪A6車型中的兩個(gè)LED前大燈，其底座及燈泡周圍的組件完全采用了玻纖填充的BMC TD 156材料，重量達(dá)到4 lb（1.8 kg）。Nunnery估計(jì)，該車型在車燈部件上采用的BMC總量將達(dá)到50萬(wàn)lb（約合226.8 t）。他高興地表示，“我們的BMC材料是按每輛車幾公斤的數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的。如果2012年全球需求及汽車產(chǎn)量上升，那么我們的銷量就將成倍增長(zhǎng)。”

BMCI公司的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Jim Cederstrom表示，“我們?cè)趥鹘y(tǒng)及新型動(dòng)力系統(tǒng)方面看到以塑代鋼的開(kāi)發(fā)應(yīng)用水平得到了巨大的提高。幾年前，我們開(kāi)發(fā)了零收縮的Dimension X BMC材料，用于替代電子節(jié)氣門殼體的金屬件。在此基礎(chǔ)上我們又開(kāi)發(fā)了BMC 584材料，其基本化學(xué)屬性與Dimension X相近，但是潤(rùn)滑性更好，專門用于替代動(dòng)力系中泵殼體的壓鑄金屬件。BMC 665是一款聚酯基材料的牌號(hào)，用于玻纖填充汽缸蓋罩、前正時(shí)鏈罩蓋以及油底殼，是BMC 695乙烯基酯產(chǎn)品的低成本替代品。我們還發(fā)現(xiàn)，這款產(chǎn)品在新型動(dòng)力系統(tǒng)的高溫環(huán)境中的應(yīng)用比熱塑性工程塑料更具成本優(yōu)勢(shì)。”

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汽車動(dòng)力系還包括純電動(dòng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)，BMCI公司針對(duì)這些系統(tǒng)中的電氣零部件和敏感電子元器件的低壓包覆成型開(kāi)發(fā)了幾款新的高流動(dòng)性BMC產(chǎn)品牌號(hào)。

“BMC材料具有優(yōu)良的電絕緣特性，此外還具有輕量化及低成本優(yōu)勢(shì)，非常適用于生產(chǎn)電動(dòng)汽車的電池零部件、電氣及充電連接器以及密封型電子馬達(dá)零部件。”Cederstrom解釋道，“在汽車電動(dòng)化過(guò)程中，控制器、傳感器及電機(jī)數(shù)量的不斷增加為BMC材料提供了更多的機(jī)會(huì)。”

BMCI公司還針對(duì)商用氫燃料電池中的導(dǎo)電雙極板開(kāi)發(fā)了940和955牌號(hào)。

“碳纖維是我們?cè)谖磥?lái)聚合物配方研發(fā)中會(huì)考慮使用的一種材料。”Cederstrom表示，“不過(guò)，碳纖維在成本方面存在挑戰(zhàn)，這點(diǎn)毋庸置疑。自從BMC材料被定位為金屬和熱塑性工程塑料低成本、高性能的替代品，那么要想保持那些有利于BMC材料應(yīng)用的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)（比如，相對(duì)機(jī)加工金屬部件來(lái)說(shuō)部件成本的降低），意味著成本將依然是一個(gè)首要考慮的因素。盡管如此，減重也很快成為替代金屬的關(guān)鍵推動(dòng)因素，與降低成本相當(dāng)。”

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強(qiáng)度更高的車身面板

八、九年前，汽車行業(yè)針對(duì)電泳底漆粉末噴涂采用了增韌SMC材料，解決了汽車A級(jí)表面面板油漆破裂問(wèn)題。2002年，位于美國(guó)密歇根州Troy市的大陸結(jié)構(gòu)塑料公司（Continental Structural Plastics，簡(jiǎn)稱CSP）將旗下Budd Plastics公司的增韌A級(jí)表面SMC（TCATM）進(jìn)行了商標(biāo)注冊(cè)并申請(qǐng)了專利保護(hù)。CSP公司當(dāng)年還加入了由通用汽車研究員Dr Hamid Kia發(fā)起的一個(gè)聯(lián)盟。CSP公司大量采用了AOC公司的Atryl樹(shù)脂來(lái)開(kāi)發(fā)TCA產(chǎn)品，同時(shí)還為通用公司生產(chǎn)TCA零部件，比如引擎蓋和行李箱后蓋。

“TCA幫助我們提高了噴涂效果。”CSP公司研發(fā)及材料總經(jīng)理Probir Guha指出。Guha從學(xué)校畢業(yè)后即加入了Budd公司，早在1977-78年便參與了碳纖維SMC原型產(chǎn)品項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。“TCA復(fù)合材料對(duì)汽車A級(jí)表面部件來(lái)說(shuō)是一款非常成功的產(chǎn)品，我們現(xiàn)在正在測(cè)試一款中密度產(chǎn)品（MDTCATM），其密度為1.4 g/cm3。相比較來(lái)說(shuō)，沖壓金屬和鋁的密度為1.3，標(biāo)準(zhǔn)SMC的密度為1.8。采用16 祄玻璃微球可以幫助我們達(dá)到目標(biāo)密度。我們會(huì)繼續(xù)努力挑戰(zhàn)極限，并開(kāi)發(fā)出新的可適用于所有天氣情況的SMC產(chǎn)品，并能進(jìn)一步幫助OEM在保證一定經(jīng)濟(jì)效益的情況下降低零部件重量。” 123456

CSP公司在粘接技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域擁有多個(gè)有價(jià)值的專利。據(jù)Guha介紹，這些專利直接影響A級(jí)表面的粘接效果，還有利于部件的減重。該公司還采用熱塑性塑料及長(zhǎng)玻纖、直接配混長(zhǎng)玻纖、玻璃氈以及BMC增韌劑來(lái)進(jìn)行復(fù)合材料的成型，應(yīng)用領(lǐng)域包括A級(jí)表面、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車身底部及結(jié)構(gòu)部件，比如卡車車廂襯盒。

“我們可以大范圍推廣碳纖維SMC的應(yīng)用了嗎？現(xiàn)在還不行。這種材料最大的挑戰(zhàn)在于浸潤(rùn)性和流動(dòng)性。CSP公司與OEM、供應(yīng)商和一流院校開(kāi)展了大量的合作項(xiàng)目，希望可以研發(fā)出適用于結(jié)構(gòu)件和車身面板的低密度復(fù)合材料。”

位于美國(guó)俄亥俄州Dublin市的亞什蘭高性能材料（Ashland Performance Materials）公司擁有全系列適用于熱固性SMC的樹(shù)脂產(chǎn)品，并提供增韌A級(jí)表面SMC產(chǎn)品。通過(guò)其AROTRAN聚酯，可以生產(chǎn)出采用了納米粘土填充物及玻璃微球添加劑的密度低、質(zhì)量小的SMC材料。該公司的Aropol PET基樹(shù)脂可用于非A級(jí)表面結(jié)構(gòu)件，比如加固板、橫梁和格柵限位器——即那些需要高機(jī)械性能和抗沖擊性能，且需要快速固化的部件。此外，亞什蘭提供的Envirez大豆基生物樹(shù)脂還可以經(jīng)過(guò)填充用于生產(chǎn)A級(jí)及非A級(jí)表面汽車部件。

亞什蘭技術(shù)服務(wù)經(jīng)理Rob Seats表示，“汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越支持復(fù)合材料的應(yīng)用，這不僅體現(xiàn)在小眾車型上，還包括了新車型。在這些車型上，輕量化的復(fù)合材料如SMC可以發(fā)揮材料應(yīng)有的性能。2012年復(fù)合材料銷量預(yù)計(jì)會(huì)攀升，混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車若出現(xiàn)增長(zhǎng)，則更會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)需求的提升。OME對(duì)不久前推出的CAFE標(biāo)準(zhǔn)所作的反應(yīng)會(huì)帶來(lái)較為長(zhǎng)期的影響，但是我們預(yù)計(jì)，在2013-2014年及隨后推出的車型上，采用復(fù)合材料的部件會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。”

關(guān)于在SMC中采用碳纖維材料，Seats同意本文其他人的看法 ：“碳纖維的成本和環(huán)氧樹(shù)脂的加工周期依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。不過(guò)，如果這兩個(gè)障礙中至少有一個(gè)得到解決的話，機(jī)會(huì)還是存在的。”

熱塑性工程塑料

用復(fù)合材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件、飾件以及一些非可視零部件得益于熱塑性工程塑料中的長(zhǎng)玻纖和短玻纖增強(qiáng)材料。玻璃纖維供應(yīng)商PPG公司（美國(guó)賓夕法尼亞州Cheswick市）在接受《增強(qiáng)塑料》雜志采訪時(shí)談到了公司2012年對(duì)該市場(chǎng)的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)預(yù)期。 123456

“我們估計(jì)，未來(lái)五年汽車產(chǎn)量年均增長(zhǎng)量會(huì)保持在5-6%。”PPG運(yùn)輸及消費(fèi)市場(chǎng)（Transportation and Consumer Segments）全球總監(jiān)Gerry Marino表示，“我們希望汽車輕量化和降低成本的發(fā)展趨勢(shì)可以加快復(fù)合材料在汽車上的增長(zhǎng)速度——即每年保持10-11%發(fā)展速度。”

PPG公司的TUFROV長(zhǎng)玻纖熱塑性塑料（LFT）和CHOPVANTAGE短切玻璃纖維氈多年前就已投入汽車市場(chǎng)。最新推出的TUFROV LFT牌號(hào)不僅性能高，還可用于不同的樹(shù)脂，比如針對(duì)尼龍樹(shù)脂的TUFROV 4510玻璃纖維和針對(duì)聚丙烯樹(shù)脂應(yīng)用的4575玻璃纖維。

“未來(lái)幾個(gè)月里，我們還會(huì)針對(duì)PE推出TUFROV 4589牌號(hào)產(chǎn)品，以及用于PET/PBT熱塑性聚酯的4585玻璃纖維。”Marino表示。
PPG用于PA樹(shù)脂增強(qiáng)的CHOPVAN TAGE HP 3610玻璃纖維及用于PBT的HP 3786玻璃纖維在汽車零部件上得到了廣泛的應(yīng)用。為高溫PPS及抗水解PBT開(kāi)發(fā)的CHOPVANTAGE產(chǎn)品預(yù)計(jì)將于2012年初推向市場(chǎng)，性能會(huì)得到進(jìn)一步的提升。 123456

位于奧地利維也納的北歐化工公司（Borealis AG）提供的長(zhǎng)短玻纖熱塑性工程塑料滿足了歐洲OME客戶對(duì)材料的要求，那就是輕量化、節(jié)能減排、可持續(xù)性及可回收性。寶馬公司采用了北歐化工的NEPOL GD302HP產(chǎn)品，一款30%長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP，用于替代聚氨酯（PUR）和鋼的混雜材料座椅支架，獲得了35%的減重效果，并使系統(tǒng)成本降低了15-20%。在寶馬的一款儀表板支架產(chǎn)品上，采用20%長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的NEPOL GB215HP材料使部件重量及系統(tǒng)成本分別下降了23%和20%。菲亞特旗下藍(lán)旗亞（Lancia）公司采用了北歐化工的XMOD GD301HP（32%短玻纖增強(qiáng)PP）產(chǎn)品生產(chǎn)的油門踏板支架，其部件的整體重量低于玻纖增強(qiáng)PA產(chǎn)品；此外，在空氣過(guò)濾系統(tǒng)中的應(yīng)用相對(duì)于30%玻纖增強(qiáng)的PA 66產(chǎn)品，在重量上降低了16%。

大眾公司幾款車型的進(jìn)氣模塊上采用北歐化工的XMOD GB306SAF（35%短玻纖增強(qiáng)PP）替代了玻纖增強(qiáng)PA材料。通過(guò)外部生命周期分析顯示，此舉讓二氧化碳排放量降低了60%。北歐化工因這款創(chuàng)新型PP聚合物在進(jìn)氣歧管上的應(yīng)用而獲得的系統(tǒng)及生產(chǎn)成本的降低和高達(dá)15%的減重效果，讓其贏得了2010年弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）發(fā)動(dòng)機(jī)塑料類（Under the Hood Plastics category）全球新產(chǎn)品獎(jiǎng)（Global New Product Award）。 本文來(lái)自123

寶馬X5及X6車型的翼子板采用了北歐化工的DAPLEN EF341AE（30%滑石粉增強(qiáng)PP）產(chǎn)品，相對(duì)于金屬制件來(lái)說(shuō)，重量減輕了50%。據(jù)外部生命周期分析顯示，車輛二氧化碳排放因此降低了60%。北歐化工目前正在通過(guò)可再生的木材為PP樹(shù)脂開(kāi)發(fā)天然纖維填充物，計(jì)劃用于可視及非可視內(nèi)飾件以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件上。

為了應(yīng)對(duì)2012年全球汽車行業(yè)10%的預(yù)期增長(zhǎng)，位于德國(guó)勒沃庫(kù)森的朗盛公司也在積極開(kāi)發(fā)玻纖增強(qiáng)及高模量熱塑性材料。公司傳訊經(jīng)理Udo Erbstober透露，朗盛公司計(jì)劃提高旗下Durethan PA 6/66及Pocan PBT+PET/PBT+PC樹(shù)脂在中國(guó)及印度地區(qū)的產(chǎn)能。他還指出，集團(tuán)在汽車市場(chǎng)的產(chǎn)品銷量占集團(tuán)總銷量的15%。為了滿足OEM對(duì)輕量化及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)耐高溫的需求，Erbstober指出，朗盛發(fā)明了一種采用玻纖增強(qiáng)PA片材的復(fù)合材料/金屬混雜材料注射成型技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)用于奧迪某款車的前端模塊上，相對(duì)于鋁材，減輕了20%的重量。該技術(shù)還有望采用玻纖增強(qiáng)PA6材料，用于增壓空氣熱管、燃油濾清器等零部件上，還可以用于尺寸較大的支架類部件上——后者可以采用較高比例的玻纖進(jìn)行填充，并通過(guò)注塑成型。

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通過(guò)其玻纖/Pocan熱塑性工程塑料產(chǎn)品，朗盛在多功能牽引車的保險(xiǎn)杠上成功采用PBT+PET替代了SMC，其他應(yīng)用領(lǐng)域還包括卡車面板、翼子板、擋風(fēng)板、A柱以及上下車踏板等。此外，經(jīng)驗(yàn)證，朗盛的Pocan PBT+PC混合材料在用于制造沃爾沃工程車的免噴涂散熱器格柵方面可以實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率。這些熱塑性材料，以及塑料/金屬混雜材料，也可以用于電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)性電池托架上。此外，還能采用玻纖增強(qiáng)Durethan注塑成型電池蓋和電子器件外殼產(chǎn)品。

沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料業(yè)務(wù)部多年來(lái)也一直同其客戶一起探索汽車減重的解決方案。該公司表示，通過(guò)他們的材料，可以將一輛普通汽車的重量減輕24kg，將二氧化碳排放降低2.4g/km。按2.1億輛汽車總量來(lái)計(jì)算的話，每年可以減少960萬(wàn)噸的二氧化碳排放量。 本文來(lái)自123
沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料在某些汽車零部件上取得的進(jìn)展有望在新的車型平臺(tái)上獲得進(jìn)一步相似的應(yīng)用。公司提供的STAMAX長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP成功取代了鋼材，用于長(zhǎng)安汽車CX30車型的半結(jié)構(gòu)性前端模塊（FEM）以及路虎攬勝極光（Range Rover Evoque）的內(nèi)飾件上。

在CX30車型上，前端模塊重量減輕了40%，從而使整車重量減輕了4kg；此外，由于模塊化的裝備提高了生產(chǎn)效率，整體系統(tǒng)成本也因此得到了降低。前端模塊將散熱器、前照燈、鎖橋及緩沖梁全面整合起來(lái)，將22個(gè)不同的金屬部件縮減成一個(gè)注塑成型的復(fù)合材料部件。在攬勝極光車型上，STAMAX長(zhǎng)玻纖聚丙烯被應(yīng)用于儀表板和內(nèi)門模塊中，相比于其他材料，剛度更高、密度更低。此外，該材料還具有較高的流動(dòng)性，這意味著只需較少的材料即可實(shí)現(xiàn)同樣的硬度和強(qiáng)度。攬勝極光的車身總重為1600kg，是路虎有史以來(lái)最輕的車型。 123456

大批量的CFRP生產(chǎn)

將碳纖維用于高產(chǎn)量的車型平臺(tái)無(wú)論從產(chǎn)量、供應(yīng)方式、產(chǎn)品形式、可加工性，還是定價(jià)方面來(lái)說(shuō)都與概念車、低產(chǎn)量的超級(jí)跑車、新能源車以及F1賽車完全不同。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）已經(jīng)在這些車型上獲得了成熟的應(yīng)用，以滿足車型對(duì)減重、碰撞性能以及氣動(dòng)造型的訴求。無(wú)論如何，碳纖維在這些特殊車型上的應(yīng)用已經(jīng)證明，用碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂制作的“黑車身”來(lái)大規(guī)模地替代傳統(tǒng)的金屬白車身是可行的。

“致力于降低碳纖維成本的技術(shù)依然在向前發(fā)展。”美國(guó)能源部所屬的美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）（位于田納西州橡樹(shù)嶺市）的交通設(shè)施材料項(xiàng)目經(jīng)理C. David Warren表示，“織物增強(qiáng)前驅(qū)體可能幾個(gè)月內(nèi)就可以推向市場(chǎng)，而低成本前驅(qū)體轉(zhuǎn)化技術(shù)可能需要幾年時(shí)間。非聚丙烯睛（PAN）基前驅(qū)體，如木質(zhì)素纖維很可能需要3-5年時(shí)間。”

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Warren在ORNL工作了20年，近14年來(lái)，他一直是CFRP研究小組的成員之一，并且協(xié)助組建了“橡樹(shù)嶺碳纖維復(fù)合材料聯(lián)盟”（the Oak Ridge Carbon Fibre Composites Consortium）。該聯(lián)盟于去年9月份召開(kāi)成立大會(huì)。聯(lián)盟的目標(biāo)就是要開(kāi)發(fā)新的碳纖維產(chǎn)品，將成本控制在5-7美元/lb（11-15.4美元/kg）的水平。

“新的制造商若具有大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的遠(yuǎn)見(jiàn)，則會(huì)帶動(dòng)低成本碳纖維進(jìn)入市場(chǎng)。而這種情況已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生了。”他說(shuō)道。

最近有關(guān)一些合資公司的報(bào)道證實(shí)了這一點(diǎn)：卓爾泰克公司成立了卓爾泰克汽車公司（Zoltek Automotive，位于美國(guó)密蘇里州圣路易斯市），致力于利用大絲束碳纖維開(kāi)發(fā)滿足汽車客戶需求的中間體；陶氏歐洲公司與碳纖維及丙烯腈系纖維供應(yīng)商阿克薩（AKSA，位于土耳其伊斯蘭布爾市）簽署了諒解備忘錄 ；西格里碳素纖維汽車有限責(zé)任公司（SGL Automotive Carbon Fibres，位于美國(guó)華盛頓Moses Lake）宣布成立?？偛课挥谌毡緰|京的帝人公司打破了碳纖維生產(chǎn)周期的瓶頸，采用其獨(dú)有的一分鐘模壓成型工藝可以生產(chǎn)出與金屬白車身組件尺寸相同的工件，并能在短短一分鐘的時(shí)間里即生產(chǎn)出熱塑性塑料/碳纖維中間材料。ORNL聯(lián)盟成員中，負(fù)責(zé)木質(zhì)素基前驅(qū)體研發(fā)的Plasan Carbon Composites公司（Plasan碳纖維復(fù)合材料公司，位于美國(guó)佛蒙特州Bennington市）開(kāi)發(fā)了一種非熱壓罐生產(chǎn)工藝，可以讓碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂零部件在十分鐘內(nèi)固化。另外一個(gè)聯(lián)盟成員——Advanced Composites Group Ltd（先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)，簡(jiǎn)稱ACG，位于英國(guó)Heanor）在其DForm（可變形復(fù)合材料系統(tǒng)）預(yù)浸料的研發(fā)方面又取得了新的進(jìn)展——預(yù)浸料交叉編織成快速層壓形式，這樣在維持長(zhǎng)玻纖性能的同時(shí)還可以具有短切纖維模塑料可變形的特性。這款材料可以像SMC一樣模壓成型。汽車市場(chǎng)業(yè)務(wù)經(jīng)理Steve Cope指出，ACG公司還研發(fā)了一款自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，主要是將機(jī)器人用于高可變形預(yù)浸料，如DForm的物料處理中，從而降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件大批量生產(chǎn)的成本，提高生產(chǎn)效率和可重復(fù)性。 123456

預(yù)浸料及部件生產(chǎn)商固瑞特公司（總部位于瑞士Wattwil，在英國(guó)懷特島設(shè)有汽車復(fù)合材料工廠）去年5月份獲得的一項(xiàng)3000萬(wàn)瑞士法郎后續(xù)供貨合同采用了該公司享有專利的SPRINT CBS（car body sheet，車身板）技術(shù)。SPRINT CBS車身板最早于2007年獲得應(yīng)用，這種板材采用碳纖維增強(qiáng)，中間為合成夾芯層，外層可作為模內(nèi)底漆涂層。該產(chǎn)品有低溫烘烤型、輕質(zhì)型及高溫烘烤型（200℃）三種規(guī)格可供選擇。該訂單的需求方并沒(méi)有公布，但很可能是阿斯頓·馬丁。此外，這份合同將執(zhí)行到2016年，而且供貨量很有可能會(huì)在最初的基礎(chǔ)上再增加40%。

“通過(guò)我們的樹(shù)脂噴射傳遞專利技術(shù)（Resin Spray Transmission，簡(jiǎn)寫(xiě)為RST）制造的輕量化A級(jí)表面車身板使用干式碳纖維替代預(yù)浸料，而且不采用熱壓罐即可在幾分鐘內(nèi)固化。”Quickstep Technologies Pty公司（西澳大利亞州North Coogee地區(qū)）美洲及歐洲市場(chǎng)首席運(yùn)營(yíng)官Dale Brosius表示，“我們相信，這項(xiàng)技術(shù)可以降低制造成本，而且很容易應(yīng)用到汽車主車身結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組裝中。”

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他指出“今天，碳纖維零部件制造的最大問(wèn)題不是材料成本，而是將其轉(zhuǎn)變成部件的成本。RST工藝僅要求樹(shù)脂沿著厚度的方向流動(dòng)，因此它是厚度范圍為1.2-1.5mm的薄壁面板部件理想的成型工藝。此外，我們還將碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂的固化周期降低到了幾分鐘之內(nèi)。”

縮短RTM周期

東麗株式會(huì)社主要生產(chǎn)原絲、碳纖維、織物、預(yù)制體、基體樹(shù)脂、CFRP中間材料以及復(fù)合材料部件。在其所有的業(yè)務(wù)中，東麗都強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品生命周期管理。“其目的是通過(guò)降低產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的低碳社會(huì)。”位于東京的東麗先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)部總經(jīng)理Nobuyuki Odagiri說(shuō)道。他具體解釋道，在碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，尤其當(dāng)其用于汽車及卡車中實(shí)現(xiàn)輕量化時(shí)，因碳纖維制造所產(chǎn)生的溫室氣體（GHG）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于推行節(jié)能型車輛所減少的溫室氣體。 123456

為了在降低部件整體成本的同時(shí)，盡可能地減少溫室氣體的排放并提高生產(chǎn)力，東麗公司在2006年開(kāi)發(fā)了短周期樹(shù)脂傳遞模塑工藝（RTM）。在一項(xiàng)為期五年的政府資助項(xiàng)目中，東麗的科學(xué)家成功地將3D碳纖維預(yù)制體的自動(dòng)鋪設(shè)與快速固化的環(huán)氧樹(shù)脂浸漬過(guò)程結(jié)合起來(lái)。用于概念驗(yàn)證的部件包括了車門內(nèi)側(cè)面板和前地板。



“最終獲得的生產(chǎn)周期大約為10分鐘，時(shí)間大大短于采用預(yù)浸料的方式，是傳統(tǒng)RTM工藝的五分之一，這使其成為汽車部件生產(chǎn)的一項(xiàng)理想技術(shù)。”Odagiri總結(jié)道。

他還指出，這項(xiàng)短周期RTM技術(shù)會(huì)在東麗和戴姆勒的合資公司中得到進(jìn)一步的改進(jìn)，并將成為該公司CFRP零部件生產(chǎn)中的關(guān)鍵。
在軟件框架里的設(shè)計(jì)為迎合汽車生產(chǎn)廠商的需求而進(jìn)行的新型復(fù)合材料產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)說(shuō)明了這樣一個(gè)問(wèn)題——協(xié)同工程（collaborative engineering）可以帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。軟件供應(yīng)商VISTAGY Inc（美國(guó)馬薩諸塞州Waltham）的開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為，在設(shè)計(jì)周期的最初階段，用于部件可生產(chǎn)性、性能及成本評(píng)估的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)工具可以幫助提高這種協(xié)作的效率。

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“我們的FiberSIM軟件可以幫助工程師和設(shè)計(jì)師在輕松隨意的工作模式下交流創(chuàng)意，同時(shí)還可以采用熟悉的CAD/CAE工作環(huán)境。”VISTAGY公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Ed Bernardon表示，“只需要簡(jiǎn)單的手勢(shì)示意和屏幕點(diǎn)擊，你就可以根據(jù)需要，在上級(jí)或下級(jí)文檔和流程中獲取或重復(fù)使用某個(gè)復(fù)合材料部件完整主模型的相關(guān)數(shù)據(jù)。”

Bernardon和VISTAGY公司的創(chuàng)始合伙人Steve Luby可謂對(duì)汽車復(fù)合材料零部件的量化生產(chǎn)加工需求了如指掌，因?yàn)樗麄冏约阂苍鳛檠邪l(fā)人員長(zhǎng)期為一些項(xiàng)目（如道奇公司）的快速成型及復(fù)合材料零部件和預(yù)制體的制造開(kāi)發(fā)生產(chǎn)設(shè)備，而且在多年后創(chuàng)建了FiberSIM工程軟件。

“FiberSIM可以根據(jù)零部件及迭層的幾何結(jié)構(gòu)以及采用的制造和加工條件，來(lái)預(yù)測(cè)某個(gè)鋪層起皺或鋪設(shè)方向發(fā)生變化的方式。”Bernardon解釋道。“考慮到汽車復(fù)合部件中可能會(huì)用到各種材料，包括無(wú)卷曲織物（NCF），F(xiàn)iberSIM可以讓工程師靈活地對(duì)用于不同材料結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)的優(yōu)劣之處進(jìn)行快速評(píng)估。工程師還可以通過(guò)該軟件針對(duì)具體某個(gè)部件的形狀、鋪層、材料及制造工藝來(lái)創(chuàng)建并分析材料的可成形性、剪切力、平面內(nèi)屈曲性能、纖維取向及平面圖樣，從而達(dá)到某個(gè)部件的性能及包裝要求。”

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考慮到設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)復(fù)合材料鋪層性能的敏感性，汽車設(shè)計(jì)師可能最會(huì)看重此類軟件的操作便捷性。

“纖維鋪設(shè)方向發(fā)生15°的改變就可能導(dǎo)致最終材料的性能降低75%，因?yàn)檫@些都是各向異性材料，與金屬完全不同。”Bernardon說(shuō)道。“針對(duì)這種情況，F(xiàn)iberSIM可以給工程師提供一種對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)屬性——從部件形狀到材料本身再到制造工藝的配合——進(jìn)行評(píng)估的方式，這樣他們就能夠快速地為高性價(jià)比、大批量輕量化汽車設(shè)計(jì)出所需的復(fù)合材料零部件。”