【技术干货】汽车工业用碳纤维复合材料的关键技术
摘 要
在上世纪80年代初，碳纤维首次出现在汽车领域，到如今已经有将近40多年的历史，虽然很多国内外企业对汽车用碳纤维趋之若鹜，但碳纤维高昂成本却始终制约着其在汽车领域广泛应用。
此次分享的文章是源于英国碳纤维织物解决方案专家Sigmatex公司在2018年11月SAMPE会议上文章，探讨了碳纤维在汽车应用发展史、优势及未来发展，并针对车用碳纤维复合材料的关键技术与应用进行了详细阐述。
附：本公众号碳纤维汽车应用原创文章
《碳纤维与汽车轻量化》
《碳纤维在轻量化汽车领域的应用》
《德国SGL汽车领域用碳纤维产业现状》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：关键技术》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：成型加工》
《用于汽车轻量化的碳纤维结构件成型》
《碳纤维助力全球首款远程太阳能汽车》
碳纤维在汽车工业应用发展史
1981年，迈凯轮（McLaren）向F1赛车中引入了世界上第一个碳纤维外壳材质的一级方程式赛车，在激烈竞赛期间，迈凯轮轻量化的车重并提高操控性能具有开创性。
Formula 1成为碳纤维的最早采用者，但该技术很快转移到了高性能公路车上。1992年迈凯轮F1的第一批赛车，随后是兰博基尼和法拉利。
在过去的二十年中，碳纤维已进入生产中的几乎所有超级跑车，超级跑车和豪华跑车。
McLaren MP4/1
CFRP被广泛用于高端市场–赛车，超级跑车和高档跑车领域中。在这些细分市场中，汽车性能是关键因素。 轻量化、降低排放、操控性以及外部结构美学成为碳纤维在汽车领域应用的动力。
碳纤维常用于包括主体框架结构，车顶结构，内部和外部车身面板等的组件中。材料的大部分以预浸料形式提供，但在某些情况下使用HP-RTM工艺。
碳纤维在汽车框架中应用
最近几年来，由于行业驱动以及设备制造商寻求推进其CFRP集成等因素驱动，CFRP已经出现由高级乘用轿车向中型车辆发展的趋势。如下图所示：
乘用车开始采用碳纤维材料
汽车用碳纤维产业发展与挑战
全球乘用车预计将以2.8％的复合年增长率增长，预计到2020年全球汽车产量将突破1亿辆；其中中国将继续是最大的市场，而且也是增长最快的市场，欧洲和北美将保持相对平稳。
全球乘用车市场发展趋势
与乘用车高速发展趋势相反，利用石油或柴油尤其是柴油发动机为动力的乘用车销售将大幅下降，以EV / PHEV为代表的新能源汽车复合年增长率预计将大幅增长35％，最快的成长期2025 -2030。
不同类型乘用车市场发展趋势
汽车行业发展趋势对碳纤维复合材料提出了挑战：
成本–是大量采用CFRP的最大障碍；
产能–扩大规模需要大量资金；
循环次数–需要CFRP的超低循环时间才能满足生产率要求；
质量保证–可重复，低PPM故障等级；
可回收性–报废/再利用是许多国家/地区的法规要求；
集成–多材料解决方案将需要金属和塑料之间的有效兼容性；
数据库体系–汽车工程师需要良好的材料数据来支持零件设计。
针对上述CFRP在汽车工业领域应用面临挑战，主要解决方案包括：
材料解决方案– CFRP不能适合所有组件，而是在正确的位置使用正确的材料；
制造设计–培训汽车工程师如何针对CFRP与金属进行设计；
材料创新–降低成本至关重要，价格差异必须与价值差异相匹配；
工艺创新–要实现时间/转换成本目标，需要重大技术进步；
稳健供应链–能够跨多个零件（T1 / T2 / T3）供应> 200,000个单位。
汽车用碳纤维复合材料关键技术
针对碳纤维复合材料进行设计，而不能落入金属材料的套路中，这意味着需要：减少零件数量/简化设计、增加曲率和拔模角度、树脂流动设计/低循环时间、考虑粘接要求和零件集成、尽量减少浪费并在可能的情况下进行设计、为零件选择正确的处理方法、协作以改善结果。
关键技术一：TP成型技术及应用
将CFRTP与注塑成型相结合，可以提高组件强度，刚度和功能性的结构，而且能够以合理的成本生产大量产品，该技术主要适用于非结构和半结构零件–非底盘，副车架等，生命周期可回收优势。
关键技术二：HP（hot press）-RTM & LCM技术及应用
该技术曾被视为所有汽车应用的首选解决方案，然而事实证明它更适合于汽车主要结构部件，例如底板，电池盒，支撑柱和车顶结构；成本仍然是该技术获得广泛应用的最大障碍。
目前，一些新的重大项目仍然采用该技术，通常选择液体压缩模塑，在该技术中良好的设计和预成形工艺对可行性至关重要，比较适合大批量生产。
关键技术三：热压成型技术及应用
该技术最广泛使用的方法是与大型预浸料相结合，具有良好的视觉效果，适用于非结构、半结构和结构零件，常用的增强材料类型包括单向预浸料、编织物、NCF等，但是面临着批量生产的挑战。
近年来，片状模塑材料（SMC）获得了广泛的关注，并且在未来十年内有可能成为汽车用CFRP主要技术，其优势在于快速成型和低成本，但缺点也比较明显，机械性能较低，因此主要适合一些对强度要求不高零部件，典型代表为丰田普锐斯。
关键技术五：ATP技术
Tape placement技术是新兴技术，但由于具有精确的材料放置创造出优化的零件、极低浪费、节省成本、无需预成型、柔性树脂系统等优势，应用前景十分广泛，但其主要缺点在于成型速度较慢。
汽车工业碳纤维复合材料的新技术
随着汽车工业发展，为了汽车用碳纤维复合材料发展趋势包括：低成本碳纤维，例如Oak Ridge的300/600K大丝束碳纤维；改善纤维上浆的化学性能，实现界面粘合和树脂相容性；更快的固化周期；实现材料标准化等等。
此外，Sigmatex公司也提出一点碳纤维织物的发展，下面将结合该公司研发新技术进行阐述。
碳纤维材料新技术一：可视碳技术
可视碳是当今CFRP汽车市场主要细分市场之一，该技术主要源自于消费者和设计师都对碳纤维斜纹编织物感到厌倦，因此，希望通过更具创意的设计来提高人们的兴趣（如下图所示）。
碳纤维材料新技术二：超低重量UD胶带
主要包括纤维铺展技术、大批量高速率制备技术、面积重量40 –200gsm、胶带宽度18 –120mm、自动化铺带技术，并可提供高强型/中模型等纤维材料。
碳纤维材料新技术三：平幅针织物
Sigmatex开发的一种新颖的编织工艺，能够生产平织物：覆盖系数提高、经纱和纬纱都“铺开”并平放（无捻）、高强型和中模型碳纤维均可用、面积重量从195 –280gsm；由于增加了纤维排列和丝束分布，提供了改进的机械性能，并具由一定美观性。