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行业分析

盘点降低车用复合材料成本的最新技术进展
来源:纺织导报  2016-05-09 17:19:51
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=3033
  碳纤维复合材料(CFRP)是材料轻量化进程中最成功的代表,但是由于碳纤维价格居高不下,加之复合材料的制备成本高,限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前,商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维,其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本(占总成本的51%)和较长的生产流程。因此,降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本,寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。
 
  低成本碳纤维技术
 
  目前,国外碳纤维主要生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术,并寻求PAN以外的更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表,美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。
 



 
  在低成本原料方面,美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出了包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸纺织物等在内的低成本代替材料。2015年瑞典的研究机构Innventia和Swerea SICOMP也声称开发出了世界首创技术,可以基于100%软木木质素前体制造出重约1.8g的编织CFRP层压板。并表示,这种材料可以用于生产重量轻、燃油效率高的汽车零件,但是其制造方法与其他目前使用木质素替代前体的研究相同,还处在实验室阶段,进入生产线还需时日。
 
  高效率成型树脂及成型工艺
 
  除纤维成本外,车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期,其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能,环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”(能够流动和彻底浸润纤维预制件,并在 5min之内固化)的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备,从而开发高效、低成本的复合材料生产技术已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。
 



 
  2015年,美国Hexion(瀚森)和Dow Automotive Systems(陶氏汽车系统)先后推出了2种60s可“瞬间固化”的环氧树脂。其中,Hexion针对树脂传递模塑成型(RTM)和液体压缩成型(LCM)工艺推出EPIKOTE TRAC06170环氧树脂与EPIKURE TRAC06170固化剂,仅需20s树脂注入时间(RTM或LCM)和40s固化时间就可完成复合材料成型。
 

 
  而陶氏推出的用于LCM工艺的VORAFORCE树脂,可以直接将树脂均匀地涂敷在干的纤维预制件上,并通过压强使树脂织物在厚度方向上均匀浸润,其还宣称已经与德国KraussMaffei公司和意大利Cannon SpA公司合作开发出仅需要15~20 s涂敷树脂及30s固化,总制造时间小于60s的复合材料制备工艺。但是该工艺由于很难提供复杂零件的成型模具,对于LCM成型的部件则仅适合相对平坦或轻微轮廓部件的制造,相比之下,RTM是该树脂最好的选择。
 
 

 
  2015年底,Gurit UK(英国固瑞特)也推出了“瞬间固化”环氧树脂,但不同于其他针对RTM或湿压缩成型工艺开发的树脂,其树脂配方主要用于成套预浸料和热进/热出冲压成型(hot-in/hot out press molding)工艺。虽然该工艺固化周期需要 5min,但报道称其制造的部件表面可达A级,无需模具后处理。
 
 
 
  今年3月,Huntsman Advanced Materials (亨斯迈先进材料)公司也宣布推出了一款快速固化的环氧树脂。在此之前,亨斯迈商业化的,固化时间为 2.5min的环氧树脂的解决方案已经用于生产宝马i系列高纤维含量的复合材料零部件,而此次推出的快速固化环氧树脂不仅具有更快的固化速度,而且具有更高的玻璃化温度(Tg),可承受高达150℃的工艺条件。
 

 
  据亨斯迈介绍,该树脂在140℃下仅30s就可固化,这使得1min内复合材料成型工艺成为可能。为此,亨斯迈还开发了与该树脂配套的动态流体压缩成型(dynamic fluid compression molding,DFCM),该工艺可以省去高压注塑工艺,而且在很多情况下也可省略纤维预浸料工艺。与常规湿发压缩成型(wet-compression molding,WCM)相比,该工艺的主要优点之一是可以减少层压板层间缝隙,复合材料孔隙率低于1%,性能可媲美高压的RTM工艺,且高达66%纤维体积含量(FVC)的复合材料可以在没有特殊处理的条件来实现。
复合材料在汽车工业的应用具有令人期待的发展前景,但其汽车行业对成本/效益要求较高,成本较高且工艺复杂的复合材料要想在汽车轻量化领域获得长足发展,在其轻量化的天然优势之下,还必须不断在低成本、高效率等方面加大研发投入,寻求竞争优势。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=3033