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2019车用新材料新工艺系列巡展规划

碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用

2019-7-4 09:01 265 0 来自: 邸峨梅 未来出行学院
简介
【汽车轻量化在线】复合材料简单来讲就是由原子组成的晶体结构,是将两种或两种以上物理性质不同的材料经过特殊的加工制成的材料,其基本构架分为基体与增强体,以土坯为例,基体就是土坯的泥,增强体就是稻草。一、 ...


【汽车轻量化在线】复合材料简单来讲就是由原子组成的晶体结构,是将两种或两种以上物理性质不同的材料经过特殊的加工制成的材料,其基本构架分为基体与增强体,以土坯为例,基体就是土坯的泥,增强体就是稻草。


一、什么是碳纤维复合材料?


复合材料涉及到的基体包括金属基、非金属基、聚合物基,跟汽车相关的复合材料主要是聚合物基,其中比较成熟的是热固性环氧树脂基。另一方面,增强体按照形态结构可以分为纳米、粉末、短切纤维、长纤维,今天主要讲到的是延续纤维增强体。目前复合材料汽车应用主要以碳纤维为主、以其他纤维为辅的连续纤维增强复合材料,这也是目前各大主机厂争相尝试的方向。



目前碳纤维复合材料基体是热素性树脂,它的常温状态有液体和固体,但是实际成形状态其实是液体。复合材料之所以复杂,是因为增强体形态非常多,增强体形态有碳纤维,碳纤维主要有长纤,长纤是碳纤维生产出来的初始状态,经过短切之后就是短切纤维,长纤维还可以与传统纺织纤维一样进行编织、机织、针织成各种不一样的花纹,这是干纤维的状态。因此大家选择的余地会非常广。会根据零件不同的要求、不同的承载要求、不同的使用工况,可以进行树脂的选择、纤维的选择,纤维还可以选择它的纤维状态。



碳纤维目前比较常规的生产方式是聚丙烯腈基纤维通过高温碳化除杂质,经过碳原子规则排列形成碳纤维。大家都知道碳是很神奇的元素,钻石、石墨都是碳,碳纤维也不例外,只是碳原子排列状态不一样,最终得到的物质状态不一样。碳纤维的本质就是一种碳原子规则排列,碳原子规则排列所含杂质越少,其强度越高。


业内常说的碳纤维T300、T700、3K、12K等,主要是从它的两种性能指标来区分的,从丝束来说是3K平纹、3K斜纹,K代表着丝束中所含千根纤维数量,3K就是丝束中含有3000根碳丝,碳丝细度大概在3-5微米,性能量就是T700、T800、M30、M40。


树脂分为热塑和热固。热固就是它固化胶粘之后不会再有物理状态的变化,热塑意味着形态和塑料类似,高温情况下就会熔融,从而实现不同形状。从工艺特点上来说,热塑成型温度非常高,大概300度-400度,热固则是常温到200度之间。因此二者存储方式也不同,热固树脂一般需要冷藏,热塑则不需要,常温存储即可


二、复合材料的特点及优势


轻量化是业内一直讨论的话题,复合材料具备密度低、拉伸强、模量高的特点,同时具备耐腐蚀性,做一些表面处理即可提高抗腐蚀的性能,但缺点就是对湿热比较敏感。复合材料是一种多空隙产品,所以有一定吸湿量,从而会影响到性能。但从目前航空航天应用案例来看,吸湿量带来的性能下降比例很小,足以满足汽车的使用寿命。如果要把碳纤维应用到汽车外饰件上,会增加汽车的卖点,但目前还有一个比较敏感的特点是目前使用的热固性豢养舒适不耐光照,就是不耐紫外线,长时间照射情况下存在颜色变黄的问题,如果作为外饰件,需要在喷器过程中增加抗紫外线的成份。



选材的核心原则是低成本、高效益。在选材过程中,在选择基体,尤其是选择纤维的时候要选择性能满足要求,甚至性能超过要求的材料,因为碳纤维性能越高,降成本的幅度会越大。


目前常规使用的树脂包括环氧、不饱和聚酯、聚氨酯,环氧是从航空航天行业延用下来,是应用案例比较成熟的材料,不饱和聚酯是玻璃钢行业,目前与玻纤匹配的应用案例比较多,存在的主要问题是性能比较差。相比之下环氧性能更好,环氧使用环境同样更好。


聚氨酯是从宝马i3开始出现在大众视野里的一种材料,但目前仅在宝马工艺上有一定应用,国内用量几乎没有。



在碳纤维的主要供应商中,日本东丽是生产碳纤维的鼻祖,其他几家碳纤维供应商、型号、性能标准基本都是以东丽作为参照。目前来说,从成本可接受度、性能等方面尚可满足要求。从日本东丽的T700和T300两种性能的纤维中进行选择,拉伸强度一般在3500,拉伸模量230。但是从目前前途K50设计来说,这个刚度依然偏小。


纤维构成的织物有单向纤维,即没有经过纺织的机织、针织、编织等工艺,没有形成织物。单向纤维特点是一致性比较好,这也意味着复合材料性能是相对稳定的。而经过机织、针织、编织后,纤维方向拉伸一次性承载纤维的数量会减少,即机织、针织的性能比单向差一些。但其优点在于抗疲劳过程中,承载每个力的纤维断掉会有次承载纤维承载,纤维抗疲劳性能非常好。


三、碳纤维复合材料在汽车上的应用

复合材料在汽车上的应用有几个特点,一个是颠覆原有生产流程,燃油车、钣金车、金属车的四大工艺使用复合材料后,冲压、焊接环节就没有了,取而代之的是复合材料的成型工艺,目前业内普遍叫做模压车间。轻量化,就是比强度、比模量要低,比金属减重50%—60%,比铝合金减重20%-30%,从安全性来说,复合材料的吸能模式和金属不一样,复合材料单位重量的吸能效率要比金属的高。复合材料和金属毕竟是两种不一样的材料,振动频率不一样,振动阻力更大,这就会提高整车的舒适度。


复合材料在汽车应用上目前有三方面的需求:第一是轻量化,可以从材料属性实现轻量化;第二是结构补强,这是碳纤维短期在汽车应用上最有前景的一个方面;第三是用户体验,国内目前碳纤维还停留在用户体验阶段,碳纤维是汽车销售过程中一个卖点。


四、复合材料的设计准则



复合材料的设计准则首先要考虑的是使用碳纤维的必要性。要知道自己的需求是什么;再一个是根据碳纤维的性能,运用碳纤维后零部件想要达到什么样的性能要求;此外就是要用什么样的碳纤维,用T300、T400、M40还是航空航天级别的;再一个取决于零部件结构复杂程度,复合材料生产工艺通过什么工艺实现;还有就是量产可行性问题、一致性问题、维修性问题。



与其说复合材料是一种材料,不如说是一种结构。复合材料原材料有纤维基体,纤维基体构成复合材料一级结构,即织物、预浸料、树脂构成的单层结构。第二层结构就是设计,预浸料是一种有方向性的产品,可以通过碳纤维各种角度的设计使产品拥有无限可能。再一个就是产品结构设计,就是我们汽车零部件的外形设计,这是它的三级结构。


复合材料产品的设计流程主要就是输入需求、原材料选择,这两个特有的设计环节就是叠层设计,需要考虑在什么样的角度下、铺设层数、铺设厚度等问题,同时根据应力分析、失效分析形成闭环流程,通过模拟、调整角度、层数,达到最终的使用要求。


设计方法不多说了,主要看铺层设计以及纤维方向的角度。坐标系、角度、数量、涂层顺序即构成复合材料的结构与设计环节。


从方便角度来看,设计材料过程中会将纤维方向定义成整车的X方向作为纤维0度方向,一般这个角度是作为应力剪切,90度是来改善横向强度,来调整泊松比。铺层数量一般就是产品数量除以织物数量以及经验值。复合材料目前难以大规模应用的原因就是还处在经验阶段,不能精确结算。



这是铺层角度的设计准则,有两个比较关键的点就是,铺层角度尽量对称,如果不对称的话就会在某个方向作用力更大,从而出现应力、产生变形。所以说,想要这个零部件达到我们预先设计的结构形状的话,基本上就要满足对称铺层的要求。


对于特别复杂的零部件,碳纤维的铺覆性是有局限的。大家可以想像,一张纸要铺到球上会产生什么的问题?会产生褶皱。复合材料的铺层也会存在这个问题,复合材料的原材料是一卷一卷的布,怎么实现一个复杂的产品,就需要铺层设计。如果变形性非常大,铺贴性非常不好,要进行分块设计,这就是铺层设计软件要做的工作。这个是铺覆性的仿真分析这两种方案的对比。


在做汽车零部件的时候,我们一开始也会有很大的困扰。我们到底怎么去分块、怎么去把这张布铺到上面,大家都没有经验。我们也找过好多供应商,一问好像大家也都说不出个所以然来。所以碳纤维应用到汽车领域的弊端和局限性,就是我们的经验不足。


宝马i3在应用碳纤维上做了很多年研究。它的铺层方式的理念主要是先把整个零件分块,每块会有一个预形承压机,再把小块拼成一个大块,中间有搭接、有连接,再放到模具里面整体成型。我们目前做的跟它的理念差不太多,细节就在于怎么分。分的方式有什么影响呢,目前CAE还计算不出来,只能凭经验。



这是铺层软件的输出,它会输出铺层顺序表,并且有一个非常形象的铺层展开图,铺层顺序、铺层角度一目了然。根据这个展开图会生成裁切图,我们再生产过程中,原材料要裁切成这样的形状,铺贴到模具上,然后通过加热加压把它做成零部件。



复合材料是一种材料,如果想做成产品的话,产品结构特征设计就有特殊的要求。这个是复合材料目前能够形成的几种结构方式,一个是单层板,一个是三维编织,另一个是三明治结构。目前常规用的是单层板结构,三明治结构也在用,但应用案例极少。


它的特征要求,根据产品的壁厚、远角,还有一个R角的计算公式,对于复合材料来说,R角越大越容易成型,如果R角设计不好的话会出现缺陷,就是数值会堆积,纤维有刚度,纤维在很小的R角里面是铺覆不到位的。



这是我们目前K50上的一个案例分析,一开始的特征结构特别像钣金件,根本没有按照复合材料的结构特征来进行设计,右边是优化后的,优化的几个点是增大圆角、增大拔膜角度、设计下陷过渡区、简化复杂曲面。


碳纤维可以生产出结构极度复杂的产品,但是结构复杂了,生产效率就会变低、成品率会变低,这就是大家在做结构设计的时候要平衡考虑的地方。


碳纤维还有一个优势是可以跟金属件预埋,可以变厚度。我们原来设计的是碳纤维做出来后把金属的加强版粘上去,但是因为粘接要有粘接工装、还有尺寸公差等一系列问题。所以现在我们改成把金属板预埋进去,一体成型就可以了,就没有粘接这个流程了。




一开始我们设计零件的时候,基本采取金属材料的等厚度设计,因为金属改变厚度不太容易,但是对于复合材料来说,可以不通过加强筋的形式局部增强,而是通过局部增厚的方式来进行增强。这是能体现碳纤维优势的另一个地方。


性能分析,金属和复合材料性能上最大的不同是,金属是各向同性的,在提取输入物理属性的时候,可能一个模量就够了。而复合材料是一个层合板,是纤维和基体的复合,所以要输入很多的数据,最起码是,纤维方向上的拉伸和压缩,跟纤维垂直方向上的拉伸和压缩,还有它的层间性能,也是需要提取的一个变量。另一个不一样的地方是许用值,金属的许用值是可以计算的,而复合材料的许用值只能定性分析,没有办法计算。如果要进行强度校核的话,许用值实验是必须做的一种实验。



复合材料是纤维和基体的复合,这是复合材料的应力-应变曲线,一般情况下它会比纤维的数据低30%—50%,纤维的比例越高越接近碳纤维的性能,也就是说强度越强,纤维的比例越低性能越低。但是从功率来说,纤维体系不能无限强,因为这两种材料在进行复合的时候还有界面问题,即树脂和纤维要充分浸润,材料的整体性能才会好。



复合材料和金属另一个不同是破坏模式,这是金属和复合材料破坏模式的对比,最大的不一样是复合材料的裂纹延伸是不可预测的,因为还有基体、树脂,界面比较复杂。再就是复合材料抗疲劳性能比金属要好。



复合材料的连接方式主要有机械连接、胶接、混合连接和缝合链接。混合连接是机械连接和胶接的组合,用的比较多。缝合连接是航空航天中应用的高成本连接方式,是在纤维和树脂混合之前对纤维Z向增强,因为成本极高的,一般不予考虑。



目前来说胶接的缺点是不可控,一致性差,检测不好做,胶接中会产生气泡,某个地方胶量少从外观上其实看不出差异的,所以很难全面检测。


机械连接会造成纤维损伤,从而导致复合材料性能大幅度下降。机械连接的破坏模式,对于复合材料来说主要是挤压破裂、劈裂、基体断裂、纤维断裂、层间剪切、拉脱等。复合材料开孔,孔的周边肯定会有破坏,打孔的周边其实是有分层的,分层的地方连接力特别弱,所以在机械连接的位置会进行局部加厚,来补偿造成的性能损失。


五、复合材料的工艺技术路线


复合材料工艺会因为原材料不同而产生不同的工艺,树脂和纤维成型之前是分开的,成型过程中这两种材料才会混合到一起加热加压固化,能实现的结构类型是层合板、三维编织、三明治结构。预浸料半成品能做能实现的结构类型是层合板、三明治结构。



这是几种常见工艺。宝马i3用的是纤维和树脂分开的工艺RTM,这种工艺的特点是成型速度比较高,效率比较高。目前产量需求不高,因此考虑到综合成本,热压罐、模压、真空导流用得比较多。超级跑车最先尝试使用碳纤维,当时使用的工艺是真空导流,目前主要用的是热压罐,热压罐的好处是能实现极度复杂的零部件结构,怎么样算是极度复杂呢,就是能做一体式乘员舱。宝马i3做的乘员舱,也是几个部分胶接粘到一起的,热压罐可以实现整个乘员舱一体固化,不需要任何胶接、铆接。


工艺的选择要综合考虑制件构型特点、力学性能、外观和批量的要求。


六、碳纤维复合材料的应用机遇和挑战

需求驱动变革。碳纤维应用也是曲折前进的过程。飞机的轻量化应用带动了复合材料的突变,碳纤维要在汽车上批量化应用也需要另一个突变,但现在这个突变还没有出现。


电动车行业需要轻量化,这是原动力,是碳纤维发展的机会。次动力是电动车制造本身就是一个颠覆,电动汽车的“新”可以与碳纤维的“新”相结合,颠覆传统车的生产工艺。


此外就是量产化工艺,宝马i3给行业树立了很好的榜样,在量产化上实现了一定的突破。但i3在工艺方面还不太成熟的地方就是适用性太窄,虽然在碳纤维行业、复合材料行业做到了目前能达到的最小成型时间,但是对零件复杂程度的改进还不够,即批量生产的工艺只适用于结构相对简单的情况,对于结构复杂的批量化工艺还需要时间验证。


复合材料面临着很多的挑战。首先是成本,需要有降成本方案。其次是效率低,所以要尝试快速成型工艺。第三是一致性差,人工参与程度高。这在短时间内没法改变,材料的本性造成了人工参与度比较高,需要依靠自动化行业来突破,专门根据材料特有的特性,专门设计特有的轻量化过程。第四材料性能分散性大,比如纤维和树脂的混合,受到很多因素的影响,温度、压力、人工,所以需要大量积累数据库。第五是复合材料的软件开发缓慢。第六是复合材料涂装工艺不完善,要做到传统金属的涂装效果一致,外观要求达到跟金属一样的一致性,还是有困难的。第七是符合材料汽车设计缺乏标准,传统的设计是以金属为基础的,有对标,而复合材料的设计没有对标、也没有标准。最后是材料回收问题,虽然比较遥远,但确实是我们未来需要考虑的一个问题。



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