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(鲜肉)面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料相关关键技术(二)
发布者: 发布时间:2016-10-10 浏览次数:

    作者:宋燕利,杨龙 武汉理工大学  (正式论文刊登在《材料导报:综述篇》2016年第30卷第8期)

    [编辑注]轻量化是航空航天和民用交通机械结构材料领域的长期努力的方向,对于倡导节能减排以及新能源化的汽车行业,结构件轻量化有着特殊的重要意义。CFRP被认为是未来汽车结构件的主要材料,而我国相关企业由于自身实力上的差距,目前鲜有涉足车用领域。我们将此论文放在移动阅读终端与大家分享,希望能够对我国CFRP的研发与生产企业有所助益。

    摘要:轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化的提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。本文结合汽车产品特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。

    2材料-结构-性能一体化设计技术

    传统汽车用钢往往需要由卷钢经过较平、切料、下料、冲压等工序得到冲压零件,然后将片状的冲压零件通过焊接等工艺连接成整体结构;然而,对于碳纤维树脂基复合材料而言,材料与结构是同时形成的,不再由复合材料加工成复合材料构件,构件的形状与尺寸受制造工艺的约束较小。因此,采用传统的设计、制造思想很难充分发挥碳纤维复合材料的潜能。而同时从材料、结构、性能角度出发,发展碳纤维复合材料的材料-结构-性能一体化技术,不仅减少零部件数量,简化制造、装配工艺过程,同时也可充分发挥材料性能,是未来复合材料汽车零部件发展的重要方向。

    2003款DodgeViper采用了仅有4个部件组成的碳纤维复合材料挡板支架。该结构较原钢结构的零部件数量减少了15~20个,质量减轻至6.1kg,减重高达18kg[36]。梅赛德斯奔驰SLR采用两根圆锥形碳纤维复合材料纵梁制成的前端整体结构,有效提高结构的制造装配工艺性同时保证结构的耐撞性[37]。宝马公司在2016款7系轿车的A柱、B柱、C柱与门槛等部位大量采用了碳纤维复合材料与钢或铝合金组成混合结构,实现轻量化的同时保证整体结构的力学性能。Do-HyoungKim等在汽车保险杠上采用玻璃纤维/碳纤维的混杂纤维结构取代传统的玻璃纤维结构,并采用微遗传算对保险杠3个不同部位的结构进行优化设计,在提升结构碰撞性能的同时减重33%[38]。M.R.Bambach对装备了碳纤维复合材料增强钢制吸能管(如图3所示)的两款车型Yaris和Silverado进行NCAP正面碰撞试验,结果表明,在质量增加140kg与560kg的情况下不影响正面碰撞中的耐撞性[39];其又对由CFRP-钢复合圆管组成的车顶结构进行了侧面压溃过程的有限元模拟与试验分析,该组合结构的强度/重量为原结构的2倍左右,在结构保持强度不变的条件下替代原钢结构可实现减重37%~68%[40]。刘强等采用了二维编织复合材料设计了整体式电动汽车车身结构,并建立了从细观尺度到宏观尺度的碳纤维编织复合材料车身有限元模型(如图4所示),该结构与原玻璃纤维复合材料结构相比减重达28%,同时在侧面压溃、碰撞中的耐撞性相应得到提升[41]

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    采用碳纤维复合材料同时满足结构要求与性能要求是碳纤维复合材料的显著特点。在碳纤维复合材料结构设计与制造过程中,应充分利用碳纤维复合材料轻质高强、吸能性好、吸振性好、工艺性能优良等特点,实现碳纤维复合材料汽车零部件的材料-结构-性能一体化制造。这对于减轻结构质量,减少部件数量,简化装配过程,满足相关性能要求至关重要。

    3高效成型技术

    碳纤维复合材料应用于航天、航空工业中时,普遍采用热压罐成型方法制备复合材料构件。热压罐成型技术具有以下显著优点:构件纤维体积含量高、质量稳定性好、成型模具简单[42]。然而热压罐成型存在周期较长,能耗较大等问题,很难满足汽车工业大规模、高效率的生产要求。相比于传统的热压罐成型方法,液体模塑成型技术与热压成型技术具有高效率、低成本、易于实现自动化等显著优点,是适用于汽车用复合材料的高效成型技术。

    3.1RTM成型技术

    树脂传递模塑(RTM)成型技术是复合材料液体模塑成型技术(LCM)的典型工艺之一。其主要工艺原理是先在模腔中铺放按结构和性能要求设计好的纤维增强材料或预成型件,然后采用注胶设备将专用低粘度树脂体系注入或真空吸入闭合模腔内,充分浸润纤维,树脂固化脱模得到复合材料构件(如图5所示)。RTM工艺可以一次成型大型、复杂的构件,可设计性强,尺寸易于控制,表面质量高,生产周期短,可实现半自动化或自动化生产等优点[43]。传统汽车覆盖件的冲压工艺生产节拍几秒钟,而普通RTM成型工艺较长,总的成型时间一般在2h以上,仍然存在效率较低的问题。因此,需要开发快速固化树脂体系与合理的成型工艺方法来缩短RTM的成型周期[44]。

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    图5RTM成型工艺过程示意图

    3.1.1快速固化树脂体系

    在传统RTM成型过程中(如图6所示),树脂的固化过程占成型过程的大部分时间,因此快速固化树脂体系是实现RTM高效成型过程的首要条件。东丽公司采用低粘度(低于300mPa•s)、高性能、快速固化环氧树脂和多口注射工艺,使得一体式车架的成型时间缩短为10min[45];陶氏汽车系统采用改进的快速、低粘度VORAFORCE5300环氧树脂系统,配合HP-RTM工艺可将固化成型时间控制在60s以内[46];美国瀚森公司推出的汽车用复合材料快速固化环氧树脂在RTM成工艺中的成型周期不到1min[47];张靠民等采用改性的双酚A环氧树脂体系制备碳纤维复合材料层合板,结果表明该树脂的成型固化时间可控制在13min以内,固化度达95%以上[48]。虽然RTM成型过程中低粘度树脂的快速固化可有效提升生产效率,但往往会导致制品力学性能的降低,这也是树脂制备过程需要考虑的重要问题。

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    图6RTM成型工艺时间分布

    3.1.2树脂快速注射技术

    RTM成型过程中,树脂注射时间的减少可通过增加树脂注射口、提高树脂注射压力的方法实现。增加树脂注射口可在不提升压力的情况下有效提升树脂的注射速度。MoonKooKang等采用有限元与试验方法分析了复合材料汽车发动机罩与公交车前面板多注射口RTM成形过程中树脂的流动规律,验证了多注射口方法的可行性[50]。AKBARSHOJAEI等在不同位置的树脂注射口采用不同的注射策略,减少充模时间、降低注射压力以及避免多余的注射口[51]。SongHeeHan等将树脂的流动方向由面内方向改为厚度方向,并优化浇注口与渗透率比值实现最小化浸渍时间[52]。中科院宁波材料所采用真空辅助RTM工艺,配合多点注射RTM模具设计以及快速固化树脂体系,使得碳纤维/环氧树脂汽车后厢盖的成型过程仅为10min[53]。纪俊洋等采用PAM-RTM软件对碳纤维复合材料汽车前地板的真空辅助树脂注射成型过程中树脂流动过程进行了分析,通过改变树脂注射口与抽真空位置优化充模过程[54]。然而采用多注射口进行成型时,不同浇注口的树脂流动锋面在融合过程中可能导致气泡的形成,从而需要控制注射口的开启时间与压力来减少气泡的产生[55]。

    近年来,高压RTM(HP-RTM)技术在RTM的快速成型中得到广泛应用。由于树脂注射压力较大(2MPa以上),易于实现树脂快速充满模腔的过程,同时也能改善树脂在增强纤维中的浸渍效果,减少制品中孔隙的出现,获得表面质量优异的制品[56]。如德国KraussMaffei公司与Dieffenbacher公司合作开发了一条HP-RTM自动化生产线,并已成功应用于宝马碳纤维复合材料汽车的量产制造中,与传统的浸渍工艺相比,此工艺方法将成型周期大幅度缩短至5~10min[57]。然而高压RTM采用的注射压力较大,易导致纤维变形从而需要对纤维进行额外预处理[58]。同时也存在工艺控制难度较大、设备投资成本较高等问题,但是能有效满足未来碳纤维复合材料在汽车上的大规模生产要求。

    3.1.3缺陷控制技术

    虽然RTM技术有诸多优点,但是由于模具设计不合理使得树脂充模过程不充分、树脂流动不一致等因素,导致制品易于出现孔隙、干斑、表面质量较差等缺陷[59],因此需要对成型工艺进行优化减少缺陷的出现。

    RTM成型过程中孔隙的出现将显著降低制品的力学性能,如面内剪切强度、弯曲强度、压缩强度等。研究表明,当层合板孔隙率增加到5%时,层合板的面内剪切强度将下降超过20%[60]。引起孔隙出现的因素较多,由于成型过程中树脂流动不一致引起空气滞留进而产生孔隙为主要因素[61]。许多学者在孔隙的形成与控制方面开展了大量研究。DohHoonLee等通过分别改变预置浇注口与辅助浇注口、通气口处的压力调节树脂流动锋面,从而实现最小化RTM制品中的孔隙[62]。C.DeValve等采用数值模拟的方法研究了两种不同尺度下平纹布预制体中滞留气泡的大小与位置,并采用一个基于毛细管数和雷诺数的广义范式函数预测微孔隙率[63]。T.StaffanLundström等采用Sethian水平集方法研究了在浸渍无褶皱织物过程中树脂锋面的流动特性,并建立了二轴织物的虚拟三维模型来分析气泡的产生[64]。杨波等采用非均匀流动模型来预测孔隙的产生,分析了树脂流动方向与织物主方向不一致和纤维受剪时孔隙的大小与形成规律[65]。L.Gascón等提出一个基于两相流(树脂/空气)的分式流动模型来预测孔隙的形成、转移与压缩过程[66]。

    3.2热压成型技术

    热压成型工艺是在一定的温度与压力下,树脂基体发生熔融流动,重新浸渍纤维,从而制备一定形状的复合材料零件,如图7所示。热压成型工艺具有较短的成型周期,易于实现自动化生产过程,可使用传统金属板料成形设备,同时适用于热塑性复合材料的低成本制造过程,对于碳纤维复合材料汽车零部件的高效成型具有广阔应用前景[67]。

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    图7复合材料热压成型工艺过程示意图

    3.2.1中低温快速固化预浸料

    预浸料体系是热压成型过程中的关键中间材料,成型过程中预浸料的快速固化是实现碳纤维复合材料汽车零部件高效制造过程的基础条件。针对热压成型的工艺特点,三菱公司所开发的大丝束碳纤维预浸料可在140℃下3min内实现固化过程[68];东邦公司所开发的快速固化预浸料体系可在150℃下3min内完成固化,成型效率与传统预浸料体系相比提升几十倍[69];赫氏公司所开发的预浸料体系可在150℃下2min内固化,同时在室温(23℃)下的储存寿命长达6周[70]。目前,关于中低温快速固化预浸料大都以报道的形式出现,相关文献研究较少。

    3.2.2热压成型工艺方法

    热压成型过程中,由于制品形状复杂、织物的刚性较低,使得纤维过度变形,导致制品中易于出现屈曲、起皱等缺陷,严重影响制品的力学性能[71]。为此,大量研究关注了热压成型工艺方法对制品性能的影响规律。S.Allaoui等基于半离散化的本构模型对编织复合材料双曲率四边形结构进行了模拟,并采用试验方法对成型过程进行了验证,结果表明,模拟与试验中的剪切角度与起皱形状较为一致[72]。E.Guzman-Maldonado等基于连续假设的本构模型对热塑性复合材料预浸料的成型过程进行了模拟,采用偏差扩展试验分析预浸料的粘弹性行为,并分析了温度对成型过程和制品性能的影响[73]。P.Hallander等探讨了铺层次序、铺层厚度、铺层预先压实对单向预浸料层合板热压成型中起皱的影响规律,结果表明,铺层次序对双曲率结构中起皱占主要因素[74]。S.P.Haanappel分别采用试验与模拟方法对单向CF/PEEK预浸料与编织CF/PPS预浸料加筋板的热压成形进行研究,结果表明,单向CF/PEEK在双曲率区域存在严重起皱现象,而编织CF/PPS表现出更好的成型性[75]。HuguesLessard等研究了烤箱内预热温度、模具温度、烤箱模具转移时间、冲压力等对[0/90]12的CF/PEEK层合板结构的壁厚、面内剪切强度、固化度的影响规律,试验结果表明,模具温度和冲压力对结构的固化度有明显影响,同时较薄结构的剪切强度高于较厚结构[76]。

    参考文献

    [36]BruderickM,DentonD,ShinedlingM,etal.Applicationsofcarbon/fiberSMCforthe2003DodgeViper[C]//SecondSPEAutomotiveCompositesConference.2002

    [37]BelingardiG,BeyeneAT,KorichoEG,etal.Alternativelightweightmaterialsandcomponentmanufacturingtechnologiesforvehiclefrontalbumperbeam[J].CompositeStructures,2015,120:483-495

    [38]KimDH,KimHG,KimHS.Designoptimizationandmanufactureofhybridglass/carbonfiberreinforcedcompositebumperbeamforautomobilevehicle[J].CompositeStructures,2015,131:742-752

    [39]BambachMR.Fibrecompositestrengtheningofthin-walledsteelvehiclecrushtubesforfrontalcollisionenergyabsorption[J].Thin-WalledStructures,2013,66:15-22

    [40]BambachMR.Fibrecompositestrengtheningofthin-walledsteelvehiclecrushtubesforfrontalcollisionenergyabsorption[J].Thin-WalledStructures,2013,66:15-22

    [41]LiuQ,LinY,ZongZ,etal.Lightweightdesignofcarbontwillweavefabriccompositebodystructureforelectricvehicle[J].CompositeStructures,2013,97:231-238

    [42]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报,2007,01:1-12

    [43]邢丽英,蒋诗才,周正刚.先进树脂基复合材料制造技术进展[J].复合材料学报,2013,02:1-9

    [44]WangCR,GuYZ,ZhangKM,etal.RapidCuringEpoxyResinanditsApplicationinCarbonFibreCompositeFabricatedUsingVARTMMoulding[J].Polymers&PolymerComposites,2013,21(5):315

    [45]YamasakiM,TaketaI,YamaguchiK,etal.ALSTECCprogram:CharacterizationofashortcycleRTMformassproduction[C]//Proceedingsof16thInternationalConferenceonCompositeMaterials,Kyoto,Japan.2007:7

    [46]李丽娟,罗兰,鲍子娜.2013-2014年国外环氧树脂工业进展[J].热固性树脂,2015,02:54-63

    [47]HexionInc.TwoNewEpoxyResinSystemsfromHexionInc.SpeedProductionRates,EnhanceProcessingFlexibilityofAutomotiveStructuralComposites(2015-03-10)[2016-03-03]https://www.hexion.com/news_article.aspx?id=29981

    [48]张靠民,顾轶卓,李敏,等.快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能[J].复合材料学报,2013,30(6):21-27

    [49]TaketaI,YamaguchiK,WadaharaE,etal.TheCFRPautomobilebodyprojectinJapan[C]//Proceedingsof12thUS-JapanConferenceComputationalMaterials.2006:411-421

    [50]KangMK,JungJJ,LeeWI.Analysisofresintransfermouldingprocesswithcontrolledmultiplegatesresininjection[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2000,31(5):407-422

    [51]ShojaeiA,GhaffarianSR,KarimianSMH.Numericalanalysisofcontrolledinjectionstrategiesinresintransfermolding[J].Journalofcompositematerials,2003,37(11):1011-1035

    [52]HanSH,ChoEJ,LeeHC,etal.Studyonhigh-speedRTMtoreducetheimpregnationtimeofcarbon/epoxycomposites[J].CompositeStructures,2015,119:50-58

    [53]《碳纤维复合材料轻量化技术》编委会编著.碳纤维复合材料轻量化技术[M].北京:科学出版社,2015.03.

    [54]纪俊洋,刘婷婷,傅超,李仲,甘学辉.基于PAM-RTM的碳纤维复合材料汽车前地板成型过程数值模拟研究[J].材料导报,2015,S2:178-181

    [55]AlmsJB,AdvaniSG,GlanceyJL.Liquidcompositemoldingcontrolmethodologiesusingvacuuminducedpreformrelaxation[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2011,42(1):57-65

    [56]BodaghiM,CristóvãoC,GomesR,etal.ExperimentalcharacterizationofvoidsinhighfibrevolumefractioncompositesprocessedbyhighinjectionpressureRTM[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015

    [57]FaisC.LightweightautomotivedesignwithHP-RTM[J].ReinforcedPlastics,2011,55(5):29-31

    [58]DelegliseM,BinetruyC,KrawczakP.SimulationofLCMprocessesinvolvinginducedorforceddeformations[J].CompositesPartA:appliedscienceandmanufacturing,2006,37(6):874-880

    [59]PalardyG,HubertP,RuizE,etal.NumericalsimulationsforclassAsurfacefinishinresintransfermouldingprocess[J].CompositesPartB:Engineering,2012,43(2):819-824

    [60]HuangH,TalrejaR.Effectsofvoidgeometryonelasticpropertiesofunidirectionalfiberreinforcedcomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2005,65(13):1964-1981

    [61]ParkCH,WooL.Modelingvoidformationandunsaturatedflowinliquidcompositemoldingprocesses:asurveyandreview[J].Journalofreinforcedplasticsandcomposites,2011,30(11):957-977

    [62]LeeDH,LeeWI,KangMK.Analysisandminimizationofvoidformationduringresintransfermoldingprocess[J].CompositesScienceandTechnology,2006,66(16):3281-3289

    [63]DeValveC,PitchumaniR.Simulationofvoidformationinliquidcompositemoldingprocesses[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2013,51:22-32

    [64]LundströmTS,FrishfeldsV,JakovicsA.Bubbleformationandmotioninnon-crimpfabricswithperturbedbundlegeometry[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2010,41(1):83-92

    [65]YangB,JinT,BiF,etal.Influenceoffabricshearandflowdirectiononvoidformationduringresintransfermolding[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015,68:10-18

    [66]GascónL,GarcíaJA,LeBelF,etal.NumericalpredictionofsaturationindualscalefibrousreinforcementsduringLiquidCompositeMolding[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015,77:275-284

    [67]Guzman-MaldonadoE,HamilaN,BoisseP,etal.Thermomechanicalanalysis,modellingandsimulationoftheformingofpre-impregnatedthermoplasticscomposites[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015,78:211-222

    [68]MitsubishiRayonCoLtd.IntroductionofnewlargetowcarbonproductsandPCMtechnology.[EB/OL](2012-09-22)[2012-10-15]http://alumag.cc/wp-content/uploads/2013/11/RCOM11.2011MitsubishiLecture.pdf

    [69]TohoTenaxCo.,Ltd.TohoTenax’sNewPrepregAchievesRapidCuringforIncreasedProductivity,FeaturesHighSurfaceTexture[EB/OL].(2014-12-05)[2016-03-03].http://www.teijin.com/news/2014/ebd141105_56.html

    [70]ChrisShennan.SnapCureMaterialsforHighVolumeManufactureofAutomotiveParts.(2014-03-12)[2016-03-03].http://www.hexcel.com/innovation/presentations

    [71]HaanappelSP,tenThijeRHW,SachsU,etal.Formabilityanalysesofuni-directionalandtextilereinforcedthermoplastics[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2014,56:80-92

    [72]AllaouiS,BoisseP,ChatelS,etal.Experimentalandnumericalanalysesoftextilereinforcementformingofatetrahedralshape[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2011,42(6):612-622

    [73]Guzman-MaldonadoE,HamilaN,BoisseP,etal.Thermomechanicalanalysis,modellingandsimulationoftheformingofpre-impregnatedthermoplasticscomposites[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015,78:211-222

    [74]HallanderP,AkermoM,MatteiC,etal.Anexperimentalstudyofmechanismsbehindwrinkledevelopmentduringformingofcompositelaminates[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2013,50:54-64

    [75]HaanappelSP,tenThijeRHW,SachsU,etal.Formabilityanalysesofuni-directionalandtextilereinforcedthermoplastics[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2014,56:80-92

    [76]LessardH,LebrunG,BenkaddourA,etal.Influenceofprocessparametersonthethermostampingofa[0/90]12carbon/polyetheretherketonelaminate[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2015,70:59-68

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