復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用

劉明昌2013年11月5日復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用SAMPE中國(guó)年會(huì)輕量化——復(fù)合材料為汽車(chē)減重報(bào)告內(nèi)容2一、復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀3一、復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀4復(fù)合材料(Compositematerials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)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(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂。由于復(fù)合材料具有高的比強(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(jiǎn)便靈活及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，復(fù)合材料越來(lái)越多的應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)；而且復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、開(kāi)放周期短以及減輕整車(chē)重量的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外都在大力研發(fā)汽車(chē)用復(fù)合材料和復(fù)合材料汽車(chē)。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、安全、輕量化將成為未來(lái)汽車(chē)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(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，復(fù)合材料在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用就變得尤為重要，其在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)，必將導(dǎo)致未來(lái)汽車(chē)材料的巨大革新。有人稱，2013年是復(fù)合材料汽車(chē)元年一、復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀5

統(tǒng)計(jì)顯示，全世界平均每輛汽車(chē)的塑料用量在2000年就已達(dá)105千克，約占汽車(chē)總重量的8%~12%。而發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)的單車(chē)塑料平均使用量為120千克，占汽車(chē)總重量的12%~20%。近兩年，車(chē)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(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。目前，德國(guó)奔馳高級(jí)轎車(chē)塑料及復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到150千克/輛，而奧迪車(chē)就更多了，如奧迪A2型轎車(chē)，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(chē)工業(yè)成為復(fù)合材料的最大用戶一、復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀6在塑料及其復(fù)合材料在汽車(chē)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(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用”報(bào)告認(rèn)為：（1）成熟的第一步：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(chē)內(nèi)外裝飾件上。（2）進(jìn)行的第二步：長(zhǎng)/短玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車(chē)部分結(jié)構(gòu)件和功能件上，是目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)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(chē)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(chē)身承載結(jié)構(gòu)件。（4）追求的第四步：追求綠色的第四步，天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)外裝飾件，有機(jī)回收，環(huán)保。1.2復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用歷程一、復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀71.3汽車(chē)用復(fù)合材料成型工藝HLUSMCRTMLFTBMCGMTR/S-RIMFW8二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用白車(chē)車(chē)身材料2008年450Kg2012年400Kg2016年350Kg2020年290Kg1.4復(fù)合材料在車(chē)上應(yīng)用趨勢(shì)二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用9二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用10——復(fù)合材料在上汽乘用車(chē)上的應(yīng)用，胡仁其高級(jí)經(jīng)理，上汽乘用車(chē)中心實(shí)驗(yàn)室2.1整車(chē)輕量化的意義燃油車(chē)輛車(chē)身質(zhì)量10%100Kg燃油效率6%~8%油耗0.3L~0.6L/百公里電動(dòng)車(chē)輛車(chē)身質(zhì)量10%100Kg行程8%二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用112.2整車(chē)輕量化的途徑汽車(chē)輕量化輕質(zhì)材料高強(qiáng)鋼輕合金復(fù)合材料…結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)形狀拓?fù)鋬?yōu)化集成化設(shè)計(jì)…先進(jìn)制造工藝激光拼焊板連續(xù)變截面板空心連續(xù)變截鋼管自沖鉚接…復(fù)合材料的使用時(shí)整車(chē)輕量化的主要途徑之一。二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用122.3典型乘用車(chē)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(chē)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(chē)上的應(yīng)用132.3典型乘用車(chē)所用材料基體材料環(huán)氧樹(shù)脂聚氨酯聚丙烯尼龍……纖維碳纖維玻璃纖維天然纖維……高分子復(fù)合材料二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用142.3典型乘用車(chē)所用材料材料體系拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）密度（g/cm3）比強(qiáng)度MPa/（g/cm3）比剛度GPa/（g/cm3）鋁合金420722.815126鋼（結(jié)構(gòu)用）12002067.815326SMC80-25010-161.7-1.9535.3BMC30-6010-121.8-2.1--LFT96-3409-201.414610玻璃纖維/聚酯單向1245482.062324織物5502227511S-玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向1795562.089828織物8202641013T300碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向17601301.6110081結(jié)構(gòu)鋪層8106050638T700碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向21001301.6131081結(jié)構(gòu)鋪層1010606313815二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.4復(fù)合材料在乘用車(chē)上的應(yīng)用16二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.4復(fù)合材料在乘用車(chē)上的應(yīng)用17二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.5熱塑性復(fù)合材料在乘用車(chē)上的應(yīng)用目前，汽車(chē)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(zhǎng)線粒料（LFT）在乘用車(chē)上的應(yīng)用18二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.5熱塑性復(fù)合材料在乘用車(chē)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(guó)際上極為活躍的復(fù)合材料開(kāi)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(dòng)機(jī)護(hù)板、蓄電池托架等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)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(chē)行業(yè)中，歐美LFT消耗量大約占95%，其中歐洲占80%，美國(guó)占15%。業(yè)內(nèi)類似的研究使得長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性材料（LFRT）在重型卡車(chē)和大規(guī)模公共交通運(yùn)輸領(lǐng)域被廣泛關(guān)注，休閑車(chē)（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(chē)輛上的房子”性能更為優(yōu)越。發(fā)動(dòng)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(chē)上的應(yīng)用19二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.5熱塑性復(fù)合材料在乘用車(chē)上的應(yīng)用連續(xù)玻璃纖維和玻璃纖維通過(guò)合理的設(shè)計(jì)制造座椅骨架德國(guó)化工巨頭巴斯夫公司和法國(guó)汽車(chē)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(chē)座椅骨架。這種骨架用連續(xù)玻璃纖維和尼龍注塑成型，比傳統(tǒng)的汽車(chē)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(chē)市場(chǎng)。目前這種座椅有兩種設(shè)計(jì)形式，都采用暴露的骨架來(lái)減少材料用量。上汽乘用車(chē)中心實(shí)驗(yàn)室胡仁其高級(jí)經(jīng)理在報(bào)告中單獨(dú)提出來(lái)了這個(gè)應(yīng)用20二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2.5熱塑性復(fù)合材料在乘用車(chē)上的應(yīng)用天然纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料在汽車(chē)內(nèi)裝飾件上的應(yīng)用汽車(chē)零部件纖維種類聚合物纖維含量車(chē)門(mén)板/襯墊洋麻/大麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50雜物箱/后擱物架洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50座位靠板/貨車(chē)車(chē)廂地板木纖維酚醛樹(shù)脂85亞麻聚丙烯50備胎蓋/車(chē)身后壁板亞麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50其他內(nèi)裝飾件洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50該解決方案是為提高結(jié)構(gòu)和降噪性能而開(kāi)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:

MercedesE-class 注射成型BMW 7-series 注射成型VW Polo 模壓VW Golf 模壓應(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(chē)上的應(yīng)用21OEM BMW車(chē)型 7series產(chǎn)量 55.000cars重量(6parts) 6,7kg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 StaMaxP30YK430優(yōu)勢(shì) 綜合成本比GMT更低，對(duì)汽車(chē)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(chē)上的應(yīng)用OEM DCXVehicle E-class產(chǎn)量 250.000cars部件重量 5kg供應(yīng)商 Polynorm加工商 Polynorm工藝路線 LFTP擠出模壓使用材料 StaMaxP20YK430MB23二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用應(yīng)用舉例—引擎降噪板/底部護(hù)板給客戶帶來(lái)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: 500.000cars/a

部件重量: 1kg

改造方:Faurecia

工藝路線: 注射成型使用材料: StamaxP30YM24024二、熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用應(yīng)用舉例—Ford-Fiesta門(mén)板模塊尺寸(L/W/H/WB)mm-3626/1688/1396/2467 整車(chē)質(zhì)量-1125kg 產(chǎn)量-120,000cars 材料-StaMaxP30YM240前端框架重量-3kg 制造商-Faurecia 工藝-1500T注射成型 優(yōu)勢(shì)：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(chē)上的應(yīng)用應(yīng)用舉例—BMWMiniCooper前端框架三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2627三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.1熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)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(chē)上的應(yīng)用來(lái)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。重型卡車(chē)中型卡車(chē)輕型卡車(chē)客車(chē)SUV其他熱固性復(fù)合材料在車(chē)輛領(lǐng)域中的使用比例28三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.2汽車(chē)用熱固性復(fù)合材料的種類美國(guó)早于上世紀(jì)50年代中期開(kāi)始了這一進(jìn)程，如1953年美國(guó)的通用汽車(chē)公司研制了一個(gè)全玻璃鋼復(fù)合材料的跑車(chē)Corvette，此后玻璃鋼被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)的頂蓋、前端框架、后舉門(mén)、前后保險(xiǎn)杠、前后翼子板、擋泥板、座椅骨架、底部護(hù)板、車(chē)門(mén)、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)鋼用于汽車(chē)的主承力結(jié)構(gòu)，如受力骨架，車(chē)頂、底盤(pán)、側(cè)板、車(chē)門(mén)、帽罩、保險(xiǎn)杠、翼子板、輪轂、傳動(dòng)軸以至板簧等部位，車(chē)種則包括賽車(chē)、高檔跑車(chē)、轎車(chē)、客車(chē)、貨車(chē)及各種特種車(chē)上。重點(diǎn)介紹碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用29三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用CFRP可應(yīng)用于汽車(chē)的六大主要系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：挺桿、連桿、搖臂、油箱底殼、水泵葉輪和罩等；傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、減速器、殼罩等；制動(dòng)系統(tǒng)：剎車(chē)片；底盤(pán)系統(tǒng)：縱梁、橫梁、支架、車(chē)輪、板簧等；車(chē)體系統(tǒng)：引擎蓋、翼子板、散熱器罩、保險(xiǎn)杠、車(chē)燈架、車(chē)廂、行李架、地板、門(mén)窗框架、尾翼、擾流板等；附件：排氣筒、儀表板總成、方向盤(pán)、內(nèi)飾等。30三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用BMWi系CFRP駕駛艙在電動(dòng)車(chē)量產(chǎn)車(chē)型上的首個(gè)突破（2011法蘭克福車(chē)展首次發(fā)布）突破性構(gòu)造理念：LifeDrive框架BMWi3(MCV)BMWi831三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用BMWMCV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(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用豪華跑車(chē)底盤(pán)MoslerMT900車(chē)身與底盤(pán)CFRP底盤(pán)模壓+熱壓罐成型的AFRP車(chē)體33三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用高端跑車(chē)底盤(pán)AudiR8GT:從全金屬車(chē)身到混合結(jié)構(gòu)車(chē)身：CFRP底盤(pán)+鋁副車(chē)架(2014)，減重目標(biāo)：100kgLamborghiniAventadorLP700-434三、熱固性復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用高端跑車(chē)底盤(pán)Toyota:LexusLFA:底盤(pán)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(chē)上的應(yīng)用3.3碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用車(chē)型品牌產(chǎn)量/年復(fù)材部件及使用工藝LamborghiniMurcielago550車(chē)身/底盤(pán)/內(nèi)飾(autoclave)FerrariEnzo150車(chē)身/底盤(pán)/內(nèi)飾(autoclave)PorscheCarreraGT180車(chē)身/底盤(pán)/內(nèi)飾(autoclave)MercedesMclarenSLR500車(chē)身/底盤(pán)(autoclave)車(chē)門(mén)(Infusion)AstonMartinVani