復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

1、劉明昌2013年11月5日復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用SAMPE中國年會輕量化輕量化復(fù)合材料為汽車減重復(fù)合材料為汽車減重報告內(nèi)容2一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀3一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材

2、如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀4 復(fù)合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。由于復(fù)合材料的范圍較廣，分類較多，本報告中涉及的復(fù)合材料均為高分子復(fù)合材料，其基體材料為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。 由于復(fù)合材料具有高的比強度和比模度、抗疲勞性能好、良好的破裂安全性能、優(yōu)良的高溫性能、減震性能好、成型工藝簡便靈活及可設(shè)計性強等特點，復(fù)合材料越來越多的應(yīng)用于汽車行業(yè)；而且復(fù)合材料可設(shè)計性強、開放周期短以及減輕整車重量的優(yōu)勢，國內(nèi)外都在大力研發(fā)汽車用復(fù)合材料和復(fù)合材料汽

3、車。 隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、安全、輕量化將成為未來汽車的主要發(fā)展方向，而具有剛性大、強度高、重量輕等特點的復(fù)合材料正好順應(yīng)了汽車的發(fā)展趨勢。因此，復(fù)合材料在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用就變得尤為重要，其在汽車上的廣泛應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，必將導(dǎo)致未來汽車材料的巨大革新。有人稱，2013年是復(fù)合材料汽車元年一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀5 統(tǒng)計顯示，全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達105千克，約占汽車總重量的8%12%。而發(fā)達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重量的12%20%。近兩年，車用塑料的最大品種聚丙烯，每年以2.2%2.8%的速度加快增長，預(yù)計到2020年，發(fā)達國

4、家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。 目前，德國奔馳高級轎車塑料及復(fù)合材料用量已經(jīng)達到150千克/輛，而奧迪車就更多了，如奧迪A2型轎車，塑料及復(fù)合材料件總重量已達220千克，占總用材的24.6%。1.1 汽車工業(yè)成為復(fù)合材料的最大用戶一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀6 在塑料及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程上，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司李宏遠(yuǎn)副總經(jīng)理的“復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用”報告認(rèn)為：（1）成熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐熱熱增強改性，主要應(yīng)用在汽車內(nèi)外裝飾件上。（2）進行的第二步：長/短玻璃纖維增強復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車部分結(jié)構(gòu)件和功能件上，是目前廣泛

5、應(yīng)用于汽車上的重要復(fù)合材料。u 纖維熱塑性塑料：SMC/BMC;u 纖維熱塑性塑料：GMT、LFT。（3）關(guān)鍵的第三步：汽車用復(fù)合材料關(guān)鍵性的第三步，碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP），主要應(yīng)用于車身承載結(jié)構(gòu)件。（4）追求的第四步：追求綠色的第四步，天然植物纖維增強復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外裝飾件，有機回收，環(huán)保。1.2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀71.3 汽車用復(fù)合材料成型工藝成型成型技術(shù)技術(shù)FWBMCSMCRTMGMTR/S-RIMLFTHLUHLUSMCRTMLFTBMCGMTR/S-RIMFW8二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用白車車身材料2008年450Kg

6、2012年400Kg2016年350Kg2020年290Kg1.4 復(fù)合材料在車上應(yīng)用趨勢二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用9一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用10復(fù)合材料在上汽乘用車上的應(yīng)用，胡仁其 高級經(jīng)理，上汽乘用車中心實驗室2.1 整車輕量化的意義燃油車輛燃油車輛車身質(zhì)量10%100Kg燃油效率6%8%油耗0.3L0.6L/百公里電動車輛電動車輛車身

7、質(zhì)量10%100Kg行程8%二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用112.2 整車輕量化的途徑汽車輕量化輕質(zhì)材料l 高強鋼l 輕合金l 復(fù)合材料l 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計l 等強度設(shè)計l 形狀拓?fù)鋬?yōu)化l 集成化設(shè)計l 先進制造工藝l 激光拼焊板l 連續(xù)變截面板l 空心連續(xù)變截鋼管l 自沖鉚接l 復(fù)合材料的使用時整車輕量化的主要途徑之一。二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用122.3 典型乘用車所用材料 高分子復(fù)合材料具有比強度、比模量大,耐疲勞性能好,阻尼減震性好，破損安全性高和耐腐蝕性能優(yōu)越等特點，因此高分子復(fù)合材料的使用能夠在使得汽車在節(jié)能減重的同時更具安全和舒適性。二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用132.3

8、 典型乘用車所用材料基體材料環(huán)氧樹脂聚氨酯聚丙烯尼龍纖維碳纖維玻璃纖維天然纖維高分子復(fù)合材料二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用142.3 典型乘用車所用材料材料體系拉伸強度（MPa）拉伸模量（GPa）密度（g/cm）比強度MPa/（g/cm）比剛度GPa/（g/cm）鋁合金420722.815126鋼（結(jié)構(gòu)用）12002067.815326SMC80-25010-161.7-1.9535.3BMC30-6010-121.8-2.1-LFT96-3409-201.414610玻璃纖維/聚酯單向1245482.062324織物5502227511S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂單向1795562.089828

9、織物8202641013T300碳纖維/環(huán)氧樹脂單向17601301.6110081結(jié)構(gòu)鋪層8106050638T700碳纖維/環(huán)氧樹脂單向21001301.6131081結(jié)構(gòu)鋪層1010606313815二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.4 復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用16二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.4 復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用17二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用目前，汽車上使用的玻纖增強塑料主要有玻纖增強PP、玻纖增強PA66或PA6以及少量PBT、PPO材料 。長線粒料（LFT）在乘用車上的應(yīng)用18二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.5 熱塑性

10、復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用 玻璃纖維氈增強熱塑性復(fù)合材料(GMT)，是目前國際上極為活躍的復(fù)合材料開發(fā)品種，主要用于生產(chǎn)多功能支架、儀表板托架、座椅骨架，發(fā)動機護板、蓄電池托架等。 據(jù)統(tǒng)計，汽車行業(yè)的LFT消耗量約占世界LFT行業(yè)總消耗量的80%。而在汽車行業(yè)中，歐美LFT消耗量大約占95%，其中歐洲占80%，美國占15%。業(yè)內(nèi)類似的研究使得長纖維增強熱塑性材料（LFRT）在重型卡車和大規(guī)模公共交通運輸領(lǐng)域被廣泛關(guān)注，休閑車（RV）OEM制造商更是表示，探索熱塑性復(fù)合材料能夠幫助他們“車輛上的房子”性能更為優(yōu)越。 發(fā)動機護板蓄電池托架玻璃纖維氈增強熱塑性復(fù)合材料(GMT)在乘用車上的應(yīng)用19二、

11、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.5 熱塑性復(fù)合材料在乘用車上的應(yīng)用連續(xù)玻璃纖維和玻璃纖維通過合理的設(shè)計制造座椅骨架 德國化工巨頭巴斯夫公司和法國汽車配件集團佛吉亞公司聯(lián)手設(shè)計了一種復(fù)合材料汽車座椅骨架。這種骨架用連續(xù)玻璃纖維和尼龍注塑成型，比傳統(tǒng)的汽車座椅減少了泡沫塑料和金屬用量，比傳統(tǒng)金屬骨架輕20%、薄30%。最重要的是，它減少了座椅中75%的泡沫用量。佛吉亞公司預(yù)計這種座椅在2014年就能進入主流汽車市場。目前這種座椅有兩種設(shè)計形式，都采用暴露的骨架來減少材料用量。 上汽乘用車中心實驗室胡仁其高級經(jīng)理在報告中單獨提出來了這個應(yīng)用20二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用2.5 熱塑性復(fù)合材料在

12、乘用車上的應(yīng)用天然纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料在汽車內(nèi)裝飾件上的應(yīng)用汽車零部件纖維種類聚合物纖維含量車門板/襯墊洋麻/大麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50雜物箱/后擱物架洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50座位靠板/貨車車廂地板木纖維酚醛樹脂85亞麻聚丙烯50備胎蓋/車身后壁板亞麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50其他內(nèi)裝飾件洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯501. 該解決方案是為提高結(jié)構(gòu)和降噪性能而開發(fā)的2. 采用單一的復(fù)合材料（可以回收利用）3. 減輕重量， 降低成本工藝：LFT粒子注射成型 D-LFT模壓成型OEMs: Mercedes E-class 注射成型BMW 7-series 注射成型VW Polo 模壓VW

13、 Golf 模壓應(yīng)用舉例引擎降噪板/底部護板二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用21OEM BMW車型 7 series產(chǎn)量 55.000 cars重量 (6 parts) 6,7 kg供應(yīng)商 Faist部件加工商Polynorm工藝路線 擠出模壓成型使用材料 StaMax P 30YK430優(yōu)勢綜合成本比GMT更低，對汽車底部的保護較好應(yīng)用舉例引擎降噪板/底部護板22二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用OEM DCXVehicle E-class產(chǎn)量 250.000 cars部件重量 5 kg供應(yīng)商 Polynorm加工商 Polynorm工藝路線 LFTP擠出模壓使用材料 StaMax P 20Y

14、K430 MB23二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用應(yīng)用舉例引擎降噪板/底部護板 給客戶帶來的好處： 和鋼材相比，降低了重量，節(jié)省了成本 便于組裝 功能綜合性提高 干濕分離 聲阻尼效果改善 產(chǎn)量 :500.000 cars/a 部件重量 : 1kg 改造方 : Faurecia 工藝路線 : 注射成型 使用材料 :Stamax P30YM24024二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用應(yīng)用舉例Ford-Fiesta 門板模塊尺寸 (L/W/H/WB) mm - 3626 / 1688 / 1396 / 2467整車質(zhì)量 - 1125 kg產(chǎn)量 - 120,000 cars材料 - StaMax P 3

15、0YM240前端框架重量 - 3 kg制造商 - Faurecia 工藝 - 1500 T 注射成型優(yōu)勢：和鋼材相比節(jié)省了成本，減輕了重量部件25二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用應(yīng)用舉例BMW Mini Cooper前端框架三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用26一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用27三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.1 熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用 從目前熱塑性復(fù)合材料和

16、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用來看，熱塑性復(fù)合材料主要是應(yīng)用于非承受力或次承受力的結(jié)構(gòu)件，而熱固性復(fù)合材料主要應(yīng)用于主承受力結(jié)構(gòu)上，比如層合板、加筋板和夾層結(jié)構(gòu)等。重型卡車重型卡車中型卡車中型卡車輕型卡車輕型卡車客車客車SUV其他其他熱固性復(fù)合材料在車輛領(lǐng)域中的使用比例28三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.2 汽車用熱固性復(fù)合材料的種類 美國早于上世紀(jì)50年代中期開始了這一進程，如1953年美國的通用汽車公司研制了一個全玻璃鋼復(fù)合材料的跑車Corvette，此后玻璃鋼被 廣泛應(yīng)用在汽車的頂蓋、前端框架、后舉門、前后保險杠、前后翼子板、擋泥板、座椅骨架、底部護板、車門、進氣岐管、散熱器罩等結(jié)構(gòu)和

17、功能部件上。（1）玻璃鋼（2）碳纖維復(fù)合材料 玻璃鋼的模量低，剛度不足，不能用于主承力結(jié)構(gòu)，故在定義上不屬于先進復(fù)合材料，目前能用于主承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料就是碳纖維復(fù)合材料。 碳纖維復(fù)合材料由于其自身獨具的強度，剛度特性可以挑戰(zhàn)鋼用于汽車的主承力結(jié)構(gòu)，如受力骨架，車頂、底盤、側(cè)板、車門、帽罩、保險杠、翼子板、輪轂、傳動軸以至板簧等部位，車種則包括賽車、高檔跑車、轎車、客車、貨車及各種特種車上。重點介紹碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用29三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用CFRP可應(yīng)用于汽車的六大主要系統(tǒng)： 發(fā)動機系統(tǒng)：挺桿、連桿、搖臂、油箱底殼、水泵葉輪和罩等； 傳

18、動系統(tǒng)：傳動軸、萬向節(jié)、減速器、殼罩等； 制動系統(tǒng)：剎車片； 底盤系統(tǒng)：縱梁、橫梁、支架、車輪、板簧等； 車體系統(tǒng)：引擎蓋、翼子板、散熱器罩、保險杠、車燈架、車廂、行李架、地板、門窗框架、尾翼、擾流板等； 附件：排氣筒、儀表板總成、方向盤、內(nèi)飾等。30三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用BMW i 系CFRP駕駛艙 在電動車量產(chǎn)車型上的首個突破（2011法蘭克福車展首次發(fā)布） 突破性構(gòu)造理念：Life Drive框架 BMW i3 (MCV) BMW i831三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用BMW MCV的CFRP引擎罩CFR

19、P夾層結(jié)構(gòu)32三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用豪華跑車底盤Mosler MT900車身與底盤 CFRP底盤 模壓+熱壓罐成型的AFRP車體33三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用高端跑車底盤Audi R8 GT :從全金屬車身到混合結(jié)構(gòu)車身：CFRP底盤+鋁副車架(2014)，減重目標(biāo)：100kgLamborghini Aventador LP700-434三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用高端跑車底盤Toyota: Lexus LFA:底盤結(jié)構(gòu)的65%為CFRP綜合多種復(fù)合材料制造工藝 手工

20、鋪放預(yù)浸料：主框架 RTM:氣道、地板、頂蓋和引擎罩 SMC:CFRP 擾流板、內(nèi)飾 膠接技術(shù)35三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用3.3 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用車型品牌產(chǎn)量/年復(fù)材部件及使用工藝Lamborghini Murcielago550車身/底盤/內(nèi)飾(autoclave)Ferrari Enzo150車身/底盤/內(nèi)飾(autoclave)Porsche Carrera GT180車身/底盤/內(nèi)飾(autoclave)Mercedes Mclaren SLR500車身/底盤(autoclave) 車門(Infusion)Aston Martin Vaniquish400引擎罩/翼

21、子板/前后杠(Infusion/RTM)BMW M3 CSL1000引擎罩/翼子板/車頂(Infusion/RTM)MG X-Power SV250車身板/尾翼(Infusion/RTM)Morgan Aero 8300車身板/尾翼(Infusion/RTM)Koenigsegg CC50車身/底盤/座艙(autoclave/RTM)TVR Tuscan R50車身/底盤/座艙(autoclave/RTM)三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用363.4 熱固性復(fù)合材料在貨車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用37一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀一、復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上

22、的應(yīng)用二、熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用三、熱固性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用 目前，發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%8%，預(yù)計不久將達到10%11%。對于中國來說，塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用尚處于初級階段。塑料等非金屬材料在國產(chǎn)車上的應(yīng)用狀況還比不上進口車。在歐洲，車用塑料的重量占汽車自重的20%，平均每輛德國車使用塑料近300千克，占汽車總重量的22%。與國外相比，國產(chǎn)車的非金屬材料用量仍然偏少，國產(chǎn)車的單車塑料平均使用量為78千克，塑料用量僅占汽車自重的5%10%。 在過去的幾年中

23、，亞太地區(qū)的復(fù)合材料市場取得了長足的發(fā)展，亞洲目前的復(fù)合材料市場的規(guī)模已經(jīng)超過180億歐元。亞洲市場的復(fù)合材料產(chǎn)量將翻番，預(yù)計到2015年可達到1000萬噸。強勁的經(jīng)濟增長將繼續(xù)推動亞洲復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展中國、印度等主要市場將呈現(xiàn)快速增長的勢頭。38四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢394.1 選材 從GFRP到CFRP 減重效果：GFRP: 25-35 wt%；CFRP: 5070 wt% 從短切纖維到連續(xù)纖維 環(huán)境友好綠色復(fù)合材料 新型碳纖維的研發(fā)：Oak Radge: 木質(zhì)素基碳纖維 植物纖維：內(nèi)飾 熱塑性基體：PPPAPET四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用404 2 設(shè)計4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)： BMW i3引擎罩（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用（一）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢4 2 設(shè)計4.2.1 采用新的結(jié)構(gòu)形式 SMC加筋加肋：地板設(shè)計采用格柵結(jié)構(gòu)41四、我們復(fù)材如何在汽車上應(yīng)用4.2.2 結(jié)構(gòu)一體化理念 傳統(tǒng)：等代設(shè)計 現(xiàn)代：結(jié)構(gòu)一體化趨勢 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)按承載功能分解，重新設(shè)計典型實例 BMW MCV的Life Drive模塊化框架 CFRP駕駛艙+鋁底盤，安