更輕更靈活的解決方案：車用復(fù)合材料

Frost & Sullivan公司在2012年發(fā)表的一份報(bào)告中指出，車用碳纖維復(fù)合材料的市場(chǎng)價(jià)值到2017年可能會(huì)增長(zhǎng)到9550萬美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)30.6%。這份題為《車用碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)供應(yīng)鏈分析》（Supply Chain Analysis of the Automotive Carbon Fiber Composites Market）的研究報(bào)告指出，2010年這一市場(chǎng)的總收入已經(jīng)達(dá)到了1470萬美元。Frost & Sullivan表示，燃油效率和低碳排放法規(guī)在促進(jìn)車用輕量復(fù)合材料部件替代金屬部件方面發(fā)揮了重要作用。



Frost & Sullivan的資深研究分析師Sandeepan Mondal預(yù)計(jì)，熱塑性塑料比熱固性材料更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儽葻峁绦运芰细菀谆厥铡Ｓ捎趶U棄物法規(guī)和零部件回收的能力對(duì)材料選擇的影響越來越大，這一點(diǎn)就變得加重要了。

市場(chǎng)對(duì)這兩種材料的巨大需求成為兩宗重大收購(gòu)事件的主要推動(dòng)因素。最近的一次發(fā)生于2013年1月，荷蘭TenCate公司表示即將收購(gòu)Amber復(fù)合材料公司（Amber Composites）。這家荷蘭公司發(fā)表了一份聲明說：“全球復(fù)合材料市場(chǎng)的一個(gè)主要組成部分就是熱固性材料，TenCate在這一市場(chǎng)的主要業(yè)務(wù)集中于航空、航天和雷達(dá)整流罩的應(yīng)用領(lǐng)域。”

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TenCate補(bǔ)充說：“收購(gòu)Amber復(fù)合材料公司將幫助我們加快在歐洲熱固性復(fù)合材料市場(chǎng)的業(yè)務(wù)推進(jìn)。因此，收購(gòu)Amber后，TenCate在歐洲的熱固性和熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域及其主要下游市場(chǎng)——工業(yè)和車用復(fù)合材料、模具材料和航空航天市場(chǎng)——增大了市場(chǎng)占有率。”



第二宗收購(gòu)在2012年，Cytec收購(gòu)了Umeco。Cytec工業(yè)材料公司（Cytec Industrial Materials）全球汽車市場(chǎng)經(jīng)理Alexander Aucken說：“這次收購(gòu)有助于我們實(shí)現(xiàn)在工業(yè)材料（包括汽車）市場(chǎng)設(shè)定的增長(zhǎng)目標(biāo)，這一市場(chǎng)擁有巨大的增長(zhǎng)潛力和價(jià)值創(chuàng)造空間。”

在收購(gòu)?fù)瓿芍?，氰特已?jīng)像他所說的“擁有熱固性和熱塑性復(fù)合材料的全系列產(chǎn)品。” Umeco的生產(chǎn)能力將有助于氰特發(fā)展和擴(kuò)大它的產(chǎn)品系列。



Aucken沒有透露氰特在車用熱塑性塑料和熱固性塑料方面的發(fā)展策略。但是他說：“我們?cè)诠I(yè)汽車市場(chǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃制定地非常周詳，而且進(jìn)展順利。我們與捷豹路虎（Jaguar Land Rover）的聯(lián)盟是該戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分。汽車市場(chǎng)不斷變化，我們?cè)诟叨似嚭唾愜囀袌?chǎng)供應(yīng)先進(jìn)復(fù)合材料的悠久歷史正在延續(xù)，并且還在不斷開發(fā)新的復(fù)合材料以滿足市場(chǎng)的需求。適于量產(chǎn)的材料、生產(chǎn)工藝和自動(dòng)化工藝的開發(fā)，以及供應(yīng)鏈的集中管理，是我們未來在這一市場(chǎng)與捷豹路虎以及其他與我們合作的汽車公司共同增長(zhǎng)的基石。”



Aucken認(rèn)為，隨著汽車工業(yè)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面不斷獲取經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合材料的使用以及對(duì)結(jié)構(gòu)一體化的需求將會(huì)越來越多。把正確的材料應(yīng)用到正確的應(yīng)用中，再把他們連接起來，也就是采用相互匹配的模具、熱固性復(fù)合材料（預(yù)浸料模壓成型和樹脂傳遞成型/RTM）及熱塑性復(fù)合材料。這種做法讓多材料汽車解決方案逐漸成為行業(yè)規(guī)范。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

同時(shí)擁有熱固性和熱塑性材料兩方面的經(jīng)驗(yàn)一定會(huì)給Cytec和TenCat帶來巨大的幫助，因?yàn)橛行┰O(shè)計(jì)者喜歡用熱固性材料，而有些喜歡用熱塑性材料。亨斯邁先進(jìn)材料公司（?Huntsman Advanced Materials）的市場(chǎng)經(jīng)理Klaus Ritter解釋說，部件設(shè)計(jì)的過程通常也是評(píng)估每種復(fù)合材料的好處和壞處的過程。

“熱塑性復(fù)合材料具有三大優(yōu)勢(shì)。”Ritter說，“首先，熱塑性塑料加強(qiáng)的抗沖擊性能是熱固性復(fù)合材料無法匹敵的。熱塑性塑料可以加快預(yù)浸漬纖維材料的加工速度，最重要的是，它擁有隨時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品重塑的能力。但是，由于熱塑性塑料原本是固態(tài)的，纖維的浸潤(rùn)比較困難。浸潤(rùn)需要用到特殊的技術(shù)和設(shè)備。這相對(duì)地提高了預(yù)浸漬的成本，而加工所需溫度較高，也增加了日常生產(chǎn)成本。”
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Ritter繼續(xù)說到：“熱塑性塑料的其他缺點(diǎn)包括其蠕變性和較高的內(nèi)部張力，這是由于熱塑性塑料和增強(qiáng)纖維從很高的加工溫度冷卻下來時(shí)，它們之間不同的熱膨脹引起的。而單向增強(qiáng)件的問題就比較小，復(fù)雜的三維形狀就存在很大的問題，還會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量的下降。”

“熱固性復(fù)合材料的加工時(shí)間通常比較長(zhǎng)，現(xiàn)在可以采用熱壓罐外高壓RTM（樹脂傳遞成型）快速成型方法實(shí)現(xiàn)五分鐘循環(huán)（一分鐘注射，兩分鐘固化），對(duì)于不太復(fù)雜的壓塑成型操作，每個(gè)部件只需要兩分鐘（固化只需要一分鐘）。”他說。

據(jù)Ritter介紹，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成的熱固性復(fù)合材料的機(jī)械性能和抗腐蝕性能“甚至比金屬部件還要高，重量則比金屬輕得多。熱固性復(fù)合材料良好的纖維浸潤(rùn)性能和相對(duì)較低的加工溫度有助于降低投資成本，并保持最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)械性能。”

Ritter稱，熱固性復(fù)合材料具有最低的蠕變變形，它們“將外形和功能結(jié)合在一起，制造出非常輕的結(jié)構(gòu)部件。無論汽車零部件是碳纖維外觀還是噴涂表面，都可以得到非常好的表面質(zhì)量。然而，毒性問題通常被看作幾種熱固性材料系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)。”

據(jù)邁圖專用化學(xué)品公司（Momentive Specialty Chemicals）全球運(yùn)輸市場(chǎng)部總監(jiān)Francis Defoor說，熱固性或熱塑性材料哪種更好，這個(gè)提問本身就是錯(cuò)誤的。他說，“這是一個(gè)比簡(jiǎn)單地選擇一種樹脂和一種增強(qiáng)材料更為復(fù)雜的問題。要根據(jù)特定的應(yīng)用和環(huán)境選擇合適的材料。材料的選擇取決于你是需要一個(gè)很好的裝飾部件還是結(jié)構(gòu)部件；是要適應(yīng)特定的幾何形狀還是滿足特定的成本目標(biāo)。”

Defoor贊同傳統(tǒng)熱固性樹脂需要長(zhǎng)時(shí)間固化的說法，但是現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)兩分鐘一次的加工周期，且不犧牲其他性能。在一篇標(biāo)題為《下一代車用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)量產(chǎn)用先進(jìn)熱固性基體樹脂技術(shù)》（Advanced Thermosetting Resin Matrix Technology for Next Generation High Volume Manufactureof Automotive Composite Structures）的論文中，Roman W. Hillermeier博士、Tareq Hasson博士、Lars Friedrich?和Cedric Ball認(rèn)為，環(huán)氧復(fù)合材料可以與傳統(tǒng)材料去競(jìng)爭(zhēng)的，例如鋼和鋁。 123,123

在這篇文章的摘要中，作者們稱：“…新技術(shù)是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈兙哂凶銐蜷L(zhǎng)的注射加工窗口，可以很好地浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)極短的固化周期。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，采用現(xiàn)在的創(chuàng)新樹脂材料和加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件能夠以較低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)。”邁圖公司表示，新推出的快速固化系統(tǒng)EpikoteTM Binder 05475/Epikure 05500固化劑，能夠借助RTM或液體壓縮成型工藝幫助汽車制造商實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。

塞拉尼斯公司（Celanese）的工程塑料業(yè)務(wù)泰科納（Ticona）認(rèn)為，熱塑性塑料帶是減輕重量的關(guān)鍵。

在2012年JEC美國(guó)復(fù)合材料展覽會(huì)上，泰科納的技術(shù)投放經(jīng)理（technology launch manager）Michael Ruby發(fā)表了一篇關(guān)于玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料單向帶的技術(shù)文章，文章的題目為《采用單向織物和單向?qū)訅簬岣逥-LFT復(fù)合材料的沖擊性能》（Improving impact performance in D-LFT composites with UD-Tape based fabrics & laminates），該文概括了泰科納在汽車車身底板護(hù)罩（underbody shield，英文簡(jiǎn)稱UBS）方面的研究，描述了提高復(fù)合材料硬度/強(qiáng)度和抗沖擊性能的方法，即采用連續(xù)原絲、玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料單向帶生產(chǎn)纖維織物以及定制層壓坯料。 123456

泰科納認(rèn)為，熱塑性聚合物與連續(xù)纖維復(fù)合材料結(jié)合使用，可以生產(chǎn)出輕量且耐用的部件。泰科納說，這些部件能夠減輕重量、降低成本，而且能夠在極端環(huán)境下使用。

該公司開發(fā)了一種采用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線配混技術(shù)（D-LFT）制成的汽車車身底板護(hù)罩。所用復(fù)合材料采用連續(xù)纖維半成品織物和層壓材料增強(qiáng)，以提高硬度和抗沖擊性能。

碳纖維

企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)的增強(qiáng)和更快的固化周期很可能會(huì)促使更多的汽車設(shè)計(jì)者采用增強(qiáng)聚合物。部件的整合已經(jīng)進(jìn)行了很多年。正如Axon汽車公司（Axon Automotive）正在證實(shí)的，此領(lǐng)域內(nèi)還有很多工作可做。

英國(guó)公司Axon開發(fā)了一種城市汽車，這款B級(jí)車尺寸的車型大小非常接近于雪鐵龍C1，但是據(jù)說整個(gè)車身框架的重量只有50公斤。

輕型汽車可以將油耗和尾氣排放降到最低，市場(chǎng)對(duì)輕型汽車的需求促使該公司開發(fā)了“黑車身”碳纖維復(fù)合材料系統(tǒng)。據(jù)說，一輛城市汽車的“黑車身”系統(tǒng)僅重50公斤；一輛中型轎車則僅重80公斤。Axon還說，能夠快速建立經(jīng)濟(jì)性汽車平臺(tái)的方法，還有可以隨著需求變化而增加的最佳初始產(chǎn)量有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?123456

“結(jié)構(gòu)整合度越高，需要制造的部件就越少。”Axon公司總經(jīng)理Steve Cousins解釋說。

Cousins說，在一副經(jīng)典的白車身中有350個(gè)部件，而Axon公司的黑車身中的部件數(shù)量則較少，制造速度要快得多。據(jù)Cousins介紹，一個(gè)3米高的橫梁只需要10分鐘的灌注成型時(shí)間。

Axon采用Axontex技術(shù)制造非常輕但強(qiáng)度和硬度非常高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)梁。該公司表示這一系統(tǒng)不僅能夠滿足所有的硬度和碰撞標(biāo)準(zhǔn)，而且可以在外部車身板中采用任何你所需要的材料，從鋼材到熱塑性塑料以及介于兩者之間的任何材料。該公司與斯高特巴德（Scott Bader）合作開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料樹脂系統(tǒng)Crestapol 1250 LV已被用于其城市汽車的車身框架中，用以實(shí)現(xiàn)更低的成本和更高的強(qiáng)度。

福特汽車公司也在使用碳纖維材料，該公司正與陶氏汽車系統(tǒng)（Dow Automotive Systems）合作研究先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料在量產(chǎn)車中的應(yīng)用。福特公司提高燃油效率戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一就是，到2020年，將新的汽車和卡車重量減少750磅（約340公斤）。

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福特公司首席技術(shù)官和副總裁Paul Mascarenas解釋說，有兩種方法可以減少汽車的耗油量：研究和創(chuàng)新。他們正在“研究如何提高燃油到動(dòng)力的轉(zhuǎn)化效率，以及降低動(dòng)力傳動(dòng)系需要做的功。”

“福特主要通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣設(shè)備的尺寸來解決轉(zhuǎn)化問題，而整備質(zhì)量的降低和動(dòng)力學(xué)性能的提高才是降低能耗的關(guān)鍵。＂他說，＂福特正在對(duì)一系列新的材料、改進(jìn)的設(shè)計(jì)流程和新的制造技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，它們能夠令汽車滿足日益嚴(yán)格的安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減輕重量。”

“我們通過使用輕量高強(qiáng)度的聚合物和結(jié)構(gòu)連接技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，因此與福特公司的合作順理成章。”陶氏汽車系統(tǒng)研發(fā)總監(jiān)Florian Schattenmann補(bǔ)充說。

陶氏汽車和福特公司已經(jīng)簽訂了一份合作開發(fā)協(xié)議，雙方將在幾個(gè)領(lǐng)域內(nèi)展開合作，攜手研發(fā)。這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)將致力于建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)的車用碳纖維資源，并開發(fā)適合量產(chǎn)車的零部件制造方法。這次合作將結(jié)合協(xié)議雙方最突出的優(yōu)勢(shì)，包括福特在設(shè)計(jì)、工藝和量產(chǎn)車生產(chǎn)上的能力和經(jīng)驗(yàn)，以及陶氏汽車在研發(fā)、材料科學(xué)和聚合物量化加工方面的優(yōu)勢(shì)。

這次的聯(lián)合開發(fā)還將利用陶氏化學(xué)公司通過與土耳其碳纖維生產(chǎn)商AKSA以及美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的合作所展開的研究工作。

如果這次的合作能夠獲得成功，那么碳纖維零部件可能會(huì)在本世紀(jì)后期出現(xiàn)在福特的新車中。產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)就是滿足50 mpg（英里/加侖）以上的新燃油效率標(biāo)準(zhǔn)，以及延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的里程。

回收

現(xiàn)在設(shè)計(jì)者們?cè)诰酆衔锖驮鰪?qiáng)材料的選擇上非常挑剔。但是，位于英國(guó)Bristol市的國(guó)家復(fù)合材料中心（National Composites Centre）的業(yè)務(wù)支持工程師Nigel Keen說，相比于可回收的特性，加工速度才是目前對(duì)熱塑性塑料最有利的因素。因?yàn)楝F(xiàn)在無論是熱塑性塑料還是熱固性塑料，都有了符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)的回收解決方案。然而，回收仍然是一個(gè)難題，盡管汽車制造商在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)都已經(jīng)考慮了這個(gè)問題。 copyright 123456

據(jù)說，采用熱固性材料可以實(shí)現(xiàn)百分之百的回收。Eco-Wolf公司市場(chǎng)銷售部經(jīng)理Bruce Ogilvy說，該公司的回收系統(tǒng)會(huì)變得越來越受歡迎，因?yàn)槠囆袠I(yè)面臨著一個(gè)壓力，那就是如何證明由熱固性材料制造的零部件存在可行的回收方法。

“隨著原材料成本不斷增加，垃圾填埋的相關(guān)法規(guī)不斷發(fā)展，對(duì)廢棄物重新利用的能力變得越來越有吸引力。”Ogilvy說，“然而起初，用回收材料替代一定比例的純料所節(jié)約的成本并不理想。因?yàn)?，?dāng)垃圾填埋的成本降低時(shí)，其他的相關(guān)花費(fèi)卻增加了，所以，所降低的成本就成了主要的考慮因素。我們目前正與一些公司合作建立纖維回收工廠，既回收玻纖增強(qiáng)材料，也回收碳纖維復(fù)合材料。“

Eco-Wolf公司的回收系統(tǒng)主要包括兩部分，一個(gè)是Eco粉碎機(jī)（Eco-Grinder），這臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，其專門的設(shè)計(jì)可在應(yīng)對(duì)材料磨蝕性的同時(shí)保持玻纖或其他天然纖維的完整性。這使纖維得以重新添加到新產(chǎn)品中。 123,123

第二部分是一臺(tái)Eco分散浸潤(rùn)機(jī)（Eco-Dispensing Macerator）。這是一臺(tái)氣動(dòng)設(shè)備，可以將來自Eco粉碎機(jī)的材料計(jì)量后輸送到已有的分散設(shè)備中，并從那里根據(jù)操作員的要求注射到樹脂流中。Eco-Wolf公司提供一種適配器，可以重新利用廢料而不改變樹脂系統(tǒng)。

Ogilvy說Eco-Wolf“開發(fā)了一種獨(dú)一無二的碳纖維加工方法，因?yàn)樵谔祭w維回收過程中無需進(jìn)行加熱，因此不會(huì)顯著降低碳纖維的拉伸強(qiáng)度。”最終，設(shè)計(jì)者可能會(huì)被迫作出妥協(xié)。這是因?yàn)椋酆衔锖吞祭w維材料的選擇可能會(huì)在某種程度上取決于工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難易程度。此外，盡管固化時(shí)間在某些工藝中已經(jīng)縮短，但是在汽車工廠內(nèi)引入一種新的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝并不是簡(jiǎn)單地找出所有變量，例如設(shè)計(jì)、材料、尺寸和成本，就可以了。對(duì)于二次工藝的影響也必須有深入地了解，例如噴涂工藝?？粗囍圃焐倘绾螌?shí)現(xiàn)未來的減重目標(biāo)是一件很有意思的事。