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车用碳纤维复合材料解决方案——华特时代碳纤维 邸娥梅

2019-8-9 08:42 147 0 来自: 汽车材料网
简介
【汽车轻量化在线】由中国汽车材料网主办的“2019(第四届)新能源汽车轻量化技术研讨会”于7月25—26日在南京圆满召开,现场邀请了华特时代碳纤维 复合材料专家 邸娥梅针对车用碳纤维复合材料解决方案做报告分享。 ...


【汽车轻量化在线】由中国汽车材料网主办的“2019(第四届)新能源汽车轻量化技术研讨会”于7月25—26日在南京圆满召开,现场邀请了华特时代碳纤维 复合材料专家 邸娥梅针对车用碳纤维复合材料解决方案做报告分享。(以下文章为小编现场速记内容整理,未经本人审核)
  
  演讲人:华特时代碳纤维  邸娥梅 复合材料领域专家  
  演讲主题:车用碳纤维复合材料解决方案
  
  大家好,今天我跟大家一起分享一下,苏州华特时代碳纤维有限公司在碳纤维复合材料汽车应用上的一些经验教训,希望对大家能有所帮助。
  
  关于碳纤维大家应该多少都有所了解,近两年进入大家视野的频率非常的高。碳纤维其实在汽车上的应用历史非常的悠久,但由于我们国家的新型工业发展比国外要稍微晚一点,而且我们国内的跑车文化基础比较薄弱,所以一般情况下都不太会去了解一些高端跑车的用材。跟我们大家比较贴近的就是乘用车,现在碳纤维也在慢慢的跟我们普通人贴近,打算在量产车上得到应用,但是碳纤维为什么能在汽车上应用?今天在这里跟大家分享一下。
  
  首先我们谈一下赛车,就是速度和激情,就是要在安全指标下来达到这个车辆的最高的机动性能,大家都知道,如果配备一台相同的发动机,它的输出功率是恒定的,汽车的重量对它的机动性能,影响就会特别的大,这个车越轻它的速度越快。到目前为止,碳纤维应该说是赛车的一个御用材料,是必须用的材料,因为它能达到所要求的动力性能和安全的双重性能,也是综合的最优选择,目前来说只有碳纤维复合材料能够满足赛车的要求。
  
  碳纤维,在强度和模量上,跟传统基础材料性能相对比,它的拉伸强度,可以达到2000MPA高强度钢可以达到700Mpa,好一点的可以达到1000Mpa,铝合金的能达到360Mpa。它拉伸模量跟高强钢差不多,比铝合金要高了三倍,但是他的优点也很明显,就是它的密度非常的低,这样就对于这个赛车的轻量化及技术性能的提高有很大的优势。
  
  其次就是复合材料,也是应用的较广泛的一种材料,传统基础材料的疲劳载荷系数可能只能达到设计载荷的50%左右,但是复合材料可以达到设计载荷的70%到80%,而且复合材料裂纹扩展非常缓慢,它的任何扩展的基础也是完全不一样的,主要取决于材料本身的结构。复合材料跟乐高积木一样,它的造型自由度非常的高,成形工艺非常多,可以把赛车整体的乘员舱结构一次性生产出来,这使得乘员舱的安全性能得到很大的提高。此外就是它的冲击性能的失效模式也不太一样。碳纤维复合材料是由纤维和树脂的结合,它的冲击性能主要靠纤维断裂和分层破碎。
  
  跑车应该说是源于赛车,目前也只有在顶级的跑车或者限量版跑车上才会用到碳纤维,使用碳纤维材料最主要的原因是因为碳纤维的成型工艺方式较多,它的生产投入,相对于传统汽车的零部件的生产投入少很多。其次,碳纤维的用户感官体验度好,它的外观非常漂亮。此外碳纤维复合材料能够提高舒适性,因为跑车的重心越低,它的操控稳定性就会提高,碳纤维在减轻车的重量之后,会使车整个重心下移。
  
  现在的量产车为什么也要将汽车轻量化提到这么高的高度,而且又具有紧迫性,也是源自我们国家的环保要求,以及能源安全方面的考虑。新能源汽车目前存在的最大问题还是续航里程,尤其是电动车,整车的重量减轻10%,能够带来诸多的好处。
  
  由此我们联想到怎么实现轻量化?目前,电池容量,材料轻量化,风阻系数等方式都涉及成本问题,对于目前来说,车企在做汽车轻量化方面最节约成本的一个方式就是从材料着手。从金属材料到复合材料混合使用来降低整车的重量。碳纤维在量产车上的应用,降成本加提高生产效率。
  
  目前碳纤维在量产车上的应用方式,主要有全碳纤维复合材料的零部件、多种材料混合使用、碳纤维连接件、碳纤维多种零件集成以及在内外饰上装饰的使用。碳纤维在量产车上应用需要提高以下四个方面:第一,碳纤维本身成本偏高,多材料混合使用可以在成本相对提高的情况下,实现轻量化的目标。第二,技术自主创新,我想强调的是,对于量产车,因为生产批量较大,复合材料的工艺限制,可能目前还是不太容易满足量产车的质量要求,这个就需要我们进一步的去开发,能满足量产车生产的工艺技术要求。第三,是降成本,目前碳纤维也在致力研究低成本。第四,复合材料在生产过程中人工参与的程度还是非常高,所以说怎么提高整条生产线的自动化水平,这也是复合材料在汽车厂批量化应用的一个瓶颈。
  
  在宝马A3或者A8,是把整个车身舱用复合材料完全替代,它跟赛车还有顶级跑车之间唯一的区别就是----它的车身是由多块复合材料的零部件粘接而成。再后来宝马7系转变了方式,开始做基础加强件。碳纤维的结构设计自由度比较高,这也是它的一个应用优势,它可以将结构复杂的零部件集成一体,从另外一个方向也是做到降成本的作用。其次,铝合金有自身独特的连接方式,但是碳纤维和铝合金进行组合后,它是一个非常好的连接件;此外就是碳纤维在内饰方面的应用。
  
  大家都知道,前途汽车K50,应该说是目前国使用碳纤维用车量产的一个经典的案例!我们在给前途汽车提供碳纤维零部件的过程中,应该说积累了很多的经验,希望在这里能跟大家一起分享。我们在整个生产流程过程中,提炼出来一些经验,同时我们也形成了很多的企业标准,目前华特碳纤维主要致力于预浸料模压、热压罐等复合材料高端工艺。
  
  对于碳纤维在宝马车身上的应用我们也做了深入的技术积累,其实我们也是想摸索一下,宝马的这条碳纤维工艺路线到底在性能方面是不是正确的?我们也对于这个工艺做了工艺验证。其实我个人来看的话,宝马的这条碳纤维工艺路线,是可行的,主要的问题是因为复合材料的成型是一个化学反应,它包括两种成分的结合:树脂和纤维,提高它的整体性,实现它的设计性能。这条工艺路线存在的最大问题是适用性太窄,复杂零部件的成型时间还是非常长的。大家都知道宝马A3的侧围是由很多块碳纤维复合材料预成型体拼接在一起,然后放入模具固化成型,但是它的这条工艺路线是非常好用。
  
  华特碳纤维在复合材料的应用上,从结构设计到生产制造,也有自己经验积累。第一是成本,首先原材料成本已经很高了,所以我们从原材料到生产制造的整个流程中的成本控制都是十分严格。目前涂装成本是在整个成本占比中最大的,我们在致力于降成本的一个方向是固化成型,在做工艺优化的同时开发出一套适合批量生产的生产工艺路线,跟现有的工艺路线相比它有很大的优化和提升。
  
  碳纤维的成品率是比较低的,但是复合材料它的一个好处就是可修复性,有一些成型缺陷通过后期修复其实是完全可以达到使用要求的。碳纤维预成型的成本高,主要是因为人工成本,目前来说预成型是最需要自动化生产的环节,我们希望能大家一起合作,让复合材料预成型这个环节的自动化程度水平提高。
  
  复合材料与其说它是一种单纯的材料,不如说它本身就是一种结构,属于近净成形范畴。因为纤维和树脂的组合,纤维又有不同的存在形态,简单是因为纤维的生产是单向的,它又可以经过纺织制造,做成织物。织物又分为平纹织物,斜纹织物,还有多种项织物。纤维种类还分为长纤维、短期纤维、粉末等,所以说复合材料是比较复杂一个结构,因为他的组合形式多种多样。连续纤维层和铺层结构在设计过程中需要注意的一个点,它在结构设计的时候跟传统结构不一样的是,它是叠层结构,需要不同的铺层形式和铺层角度,它其实是一个搭积木的过程。
  
  在整个结构设计和生产制造的过程中,第一个环节是选材,应该要根据这个零部件技能要求,选择的纤维增强体,碳纤维的抗冲击性能较差,就需要跟其他的高性能材料进行组合,提高抗冲击的性能。我们要从成本的角度,对于不同汽车零部件要特别侧重于,要用什么样的纤维、要达到什么样的性能,达到什么样的检测目标,我们要考虑一个综合成本;我们做外覆盖件,还有要达到是用户体验要求;其次,碳纤维复合材料还有个问题是,它的涂装跟传统金属的涂装是完全不一样是,它的涂装成本大概占整个生产制造成本20%左右,减少综合成本的一个方法是我们要提高它的表面质量,这也是我们唯一能做的。
  
  所以原材料的选择,要考虑整个生产环节,设计环节综合成本。复合材料的增强体纤维以及基体树脂结合方式也是多种多样,这就造就了它有不同的工艺,大体的工艺主要分为纤维和树脂在固化过程中湿法工艺,以及复合材料会将纤维和树脂做成一个中间产品,预浸料再进行后期的生产制造,这就造成了他的成型方式多种多样、设备需求不同、人工成本需求不同,质量控制不同,材料性质不同,就造成了产品深度不同,所以说复合材料在生产过程中我们要根据车企的目标,选择工艺。
  
  复合材料产品在结构设计上有自己独特的特点,复合材料虽然造型自由度比较高,但从生产制造的角度和从整体合格率的角度考虑,我们对于设计的要求还是非常高的。通过复合材料的特点,我总结以下几点,它的结构设计要简化结构特征,尽量集成零件,尽量减少像传统钣金的一些加强筋结构的弱化,通过变厚度设计可以做三明治结构或者多种结构式来提高它的强度。
  
  复合材料还有一个好处,就是它的包容性非常的强,它可以在成型过程中和其他金属材料进行一体成型,也就是说在这个复合材料在生产过程中可以中间预埋金属板,可以进行变厚度设计,还可以进行中间泡沫夹心等用一个零件上立体制造出来,这就减少后期的粘接加强法等工序。我们在进行复合材料的结构设计时还要考虑维修性,一般情况下,对于承受大载荷的地方尽量采用机械连接的混合连接方式,这个目前来说应该说最靠谱的一个连接方式。
  
  对于易损零件变形时,损坏的零件尽量采用机械连接,或者铆接的连接方式。方便后期维修中便于拆卸和修补。
  
  复合材料在汽车零部件的使用过程中,还有一个比较大的挑战设计是模具设计,因为复合材料的热膨胀系数以及数据库的积累,材料本身的复杂性会造成模具设计的变形性和便携性出现不太可控的现象。我们一般会设计初期的时候进行计算,对模具温度场的分布仿真。
  
  复合材料最重要的一点我想提出来的是它的工装夹具的设计,工装夹具的设计尽可能简单,在做工装夹具设计的时候,要尽量减少仿形面。复合材料的性能分析,我想强调的一点就是复合材料在样板制作过程中,会存在不同的缺陷,也是这个材料本身固有的问题,是没有办法解决的。
  
  下面我就简单介绍一下它的应用方向,从1982年开始复合材料一直延续到今天,它主要的应用理念是借助航空航天的技术积累。对于复合材料品牌来说,我们也在见证复合材料的成本在降低。
  
  碳纤维在国内发展的另一个方向,或者说在短期的一个应用方向,从成分角度还有从技术积累的角度来说,我觉得它目前来说比较适合用于结构补强件,连接件,我们比较容易实现的,而且从成本来说也是可接受的。新能源汽车是碳纤维应用领域的一个突破,目前的挑战主要就是技术积累不够,对这个材料本身的研究不深,数据库的建立还没有完成,其次就是大家对于这个材料怎么用还比较困惑,最重要的还是人才培养方面的问题,谢谢大家!
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