汽車用輕量化碳纖維

1、1-總投資 9.7 億日元-實(shí)施期間2003-2007汽車用輕量化碳纖維汽車用輕量化碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的開發(fā)強(qiáng)化復(fù)合材料的開發(fā) 課題介紹課題介紹日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)課題2前言11.1研究背景 全球變暖 油價(jià)急漲今后10年必將是把輕量型高性能材料的CFRP應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的研究最后10年的黃金開發(fā)時(shí)期 環(huán)境污染嚴(yán)重 節(jié)能減排汽車用輕量化碳纖維汽車用輕量化碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的開發(fā)強(qiáng)化復(fù)合材料的開發(fā)日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)課題由于日本的冶金工業(yè)發(fā)達(dá)、鋼材質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，直到20世紀(jì)80年代中期，日本才正式開始積極研發(fā)FRP汽車部件。直到今日,其應(yīng)用主要限于汽車部件，對(duì)

2、于CFRP在汽車中大規(guī)模的應(yīng)用，從經(jīng)濟(jì)效益、批量生產(chǎn)、組裝加工技術(shù)、安全設(shè)計(jì)等方面看，都還沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。31.2 研究的主要內(nèi)容研究的主要內(nèi)容4 4個(gè)子課題個(gè)子課題為了能將CFRP確實(shí)應(yīng)用于實(shí)際,本課題從部件生產(chǎn)加工,整車組裝,行駛安全及再生利用等四個(gè)方面進(jìn)行了全方位的研究。開發(fā)目標(biāo)開發(fā)目標(biāo)與目前正在使用的汽車用軟鋼鋼板結(jié)構(gòu)相比,自重減半,安全性能提高50%的CFRP車身結(jié)構(gòu).同時(shí),還將研發(fā)汽車成型時(shí)間在10分鐘以內(nèi),低成本,可大量生產(chǎn)的制造技術(shù).并開發(fā)了基于LCA再生利用技術(shù).1.超高速一體成型樹脂及其成型技術(shù)的開發(fā)2.汽車用CFRP聯(lián)結(jié)技術(shù)的開發(fā)3.車身安全設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)4.再利用

3、技術(shù)的開發(fā)41.3 課題的性質(zhì)，定位課題的性質(zhì)，定位特別是車輛輕量化技術(shù),定位為可以大幅提高單位油耗行駛路程的關(guān)鍵技術(shù).經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出了,開發(fā)低能耗,安全可靠的新一代汽車的,輕量,高強(qiáng)度的創(chuàng)新型材料,作為強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要課題. 高風(fēng)險(xiǎn)研究高風(fēng)險(xiǎn)研究為NEDO“中長(zhǎng)期,高風(fēng)險(xiǎn)研究開發(fā)事業(yè)”34個(gè)研究課題中, 開發(fā)低能耗技術(shù)課題中的一個(gè)作為節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)作為節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù) 作為強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要課題作為強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要課題5超高速一體成型樹脂及其成型技術(shù)的開發(fā)超高速一體成型樹脂及其成型技術(shù)的開發(fā)22.12.1超高速一體成型樹脂的開發(fā)超高速一體成型樹脂的開發(fā) 可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化硬化度

4、時(shí)間10%3.5分90%6分即如能讓樹脂在前3.5分鐘內(nèi)完成注入,則可在其后的2.5分鐘內(nèi)基本完成硬化過(guò)程Cure Index（%）Time（minutes）CuredFlowableIsothermal 100CEpoxy AHi-cycle BHi-cycle A快速一體成型用的RTM成型樹脂的特性汽車成型時(shí)間在10分鐘以內(nèi) 快速成型快速成型B樹脂的特性樹脂的特性62.2高速高速樹樹脂含浸成型技脂含浸成型技術(shù)術(shù)開發(fā)了多點(diǎn)注入法。本手法的含浸時(shí)間與成型品的大小無(wú)關(guān).只要改變注入孔數(shù).不過(guò),要確定孔數(shù)及位置,需要通過(guò)電子仿真來(lái)決定.用CFRP的中間基材的保形性,由纖維的配向角決定.可以利用不同

5、纖維配向角而引起的纖維間的剪切變形的極限角度改變其造型結(jié)果.2.3立體成型造型立體成型造型/保形技保形技術(shù)術(shù)7汽車用汽車用CFRPCFRP聯(lián)結(jié)技術(shù)的開發(fā)聯(lián)結(jié)技術(shù)的開發(fā)3 必要性已經(jīng)在眾多的環(huán)氧樹脂及堿性粘結(jié)劑中選出了兩種能防止熱老化防濕及其耐疲勞的粘結(jié)劑CFRP與異質(zhì)材料部件的使用部位車體由數(shù)個(gè)板塊組成 粘結(jié)劑的開發(fā)8強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)CFRP復(fù)合材料的單純的平板接頭，在兩個(gè)端部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中耐久性耐久性已經(jīng)完成了熱老化，耐吸濕，疲勞試驗(yàn)?，F(xiàn)在正在做糯變?cè)囼?yàn)CFRP與異質(zhì)材料部件的分離分離前分離后接合部的力學(xué)性能接合部的力學(xué)性能 接合與再生利用接合與再生利用 已經(jīng)開發(fā)了含有膨脹黑鉛的解體型的接

6、合劑，成功地分離并回收了CFRP和金屬部件。9車身安全設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)車身安全設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)4 CFRP角柱筒角柱筒前面沖擊前面沖擊主要為引擎周圍部件在壓縮方向上利用變形而吸收能量側(cè)面沖擊側(cè)面沖擊主要是門周圍部件因彎曲而吸收能量4.1 沖擊形態(tài)沖擊形態(tài)4.2 沖擊仿真技術(shù)的確立沖擊仿真技術(shù)的確立解析結(jié)果解析結(jié)果初期沖擊負(fù)荷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致總體上有相同的變化趨勢(shì)FRP的破壞時(shí)的負(fù)荷-位移曲線10 CFRP/鋁鋁混合材料混合材料混合梁混合梁與與不銹鋼梁不銹鋼梁的比的比較較最大位移的吸收能不銹鋼梁，1500-1900J，混合梁，1822J每單位重量吸收能量不銹鋼1027-1301J/KG，混合梁15

7、10J/KG。負(fù)荷與位移曲線破壞模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析結(jié)果的比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析結(jié)果的比較解析解析結(jié)結(jié)果與果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較誤差為3.7%。11 三維CFRP角柱筒與金屬材料相比金屬與FRP的破壞時(shí)的負(fù)荷-位移曲線當(dāng)負(fù)荷達(dá)到某一臨界值后,金屬材料的負(fù)荷會(huì)在一個(gè)較大的振幅下反復(fù)振動(dòng),而復(fù)合材料的振幅很小,具有平穩(wěn)的破壞過(guò)程DisplacementPlastic deformation(a) MetalDisplacementProgressive crushing(b) FRPLoadLoad4.3 沖擊吸收用沖擊吸收用CFRP部材的開發(fā)部材的開發(fā)12再利用技術(shù)的開發(fā)再利用技術(shù)的開發(fā)5找

8、出玻璃轉(zhuǎn)移溫度Tg保持在100度，超過(guò)100度后會(huì)迅速軟化的樹脂分子骨架5.1樹脂與鋼樹脂與鋼,鋁等鋁等分離技術(shù)的開發(fā)分離技術(shù)的開發(fā) 構(gòu)造用解體性接合構(gòu)造用解體性接合劑的開發(fā)思路劑的開發(fā)思路要開發(fā)的解體劑粘合劑的性能13縮水甘油基鄰苯二甲酸的酰亞胺，（GlycidylPhthalicImide）混合物系列，在有效地降低橡膠彈性率的同時(shí)，Tg下降的程度比較小的樹脂。 構(gòu)造用解體性接合劑構(gòu)造用解體性接合劑樹脂組成的設(shè)計(jì)樹脂組成的設(shè)計(jì)14CFRP切碎,射出成型-最便宜,高速5.2汽車用汽車用CFRP再生利用技術(shù)的開發(fā)再生利用技術(shù)的開發(fā) 方法方法 性能性能 反復(fù)數(shù)次后再生的CFRP材料,也具有和GFRP射出成型材料同等以上的力學(xué)特性151）在部件生產(chǎn)加工上,已經(jīng)研發(fā)了汽車成型時(shí)間在10分鐘以內(nèi),低成本,可大量生產(chǎn)的制造技術(shù) 結(jié)論42）在汽車用CFRP聯(lián)結(jié)技術(shù)的開發(fā)上，已經(jīng)選