降本增效和輕量化幾乎是今年以來復(fù)合材料高度關(guān)注的焦點(diǎn)熱點(diǎn)話題，今天新能源汽車周報就當(dāng)下復(fù)合材料關(guān)注的焦點(diǎn)熱點(diǎn)問題進(jìn)行匯總。

以塑代鋼+一體化成型，復(fù)合材料助力車用部件制造降本增效

“降本”幾乎是今年以來各行各業(yè)高度關(guān)注的話題。對于汽車零部件加工制造來說，通過材料的研發(fā)實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計，減少部件與工序，是降本增效的有效途徑之一。

根據(jù)Reports and Insights網(wǎng)站發(fā)布的2022-2030年汽車復(fù)合材料市場的未來發(fā)展與機(jī)遇分析專題報告分析，預(yù)計到2022年底，汽車工業(yè)用復(fù)合材料市場規(guī)模將達(dá)到95億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到165億美元，2022-2030年的復(fù)合年增長率將達(dá)到7.0%。

近期，不少企業(yè)推出新款復(fù)合材料，助力車用塑料部件加工降本提質(zhì)。

一體成型的熱塑性復(fù)合材料

三菱化學(xué)集團(tuán)開發(fā)的具有可回收性的功能選擇性熱塑性復(fù)合材料GMT，可通過一體化成型減少部件數(shù)量并簡化裝配過程。還有高性能工程塑料DURABIO™，通過著色具有良好的可著色性以及具有抗刮擦性。它可以省略噴漆等二次加工，有助于減少生產(chǎn)過程中的二氧化碳。此外，還可以解決VOC的排放等環(huán)境問題。

此外，三菱化學(xué)集團(tuán)還推出熱塑性復(fù)合材料（ FRTP），該原材料具備阻燃性、可加工性能指標(biāo)高和可回收性，可用于蓄電池外殼。

采用三菱GMT材料一體成型的汽車部件。

電動汽車底板組件一步壓塑成型

朗盛品旗下的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料Tepex dynalite（CFRTP）是可用于高效和機(jī)械穩(wěn)定的車底板組件的輕質(zhì)材料。近期，該材料已應(yīng)用于理想L9和理想L8兩款插電式混合動力SUV的面板。

汽車的面板需要面對嚴(yán)苛的要求，尤其是使用在保護(hù)油箱或電池的車底板組件，需要具備較高的抗穿透性、較強(qiáng)的能量吸收能力。

朗盛Tepex復(fù)合材料比類似的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計輕30%左右。與純DLFT等其他材料相比，Tepex增強(qiáng)材料使車底板組件更堅固，硬度更高，能量吸收能力更強(qiáng)。理想L9和L8的大尺寸面板均由堅固的熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)組成。它們采用壓縮成型工藝制造而成，包括一個由高性能復(fù)合材料Tepex dynalite制成的加固嵌件以及一個DLFT（直接長纖維熱塑性塑料）塊。

車底板組件長約1.5米，寬約1米，厚度僅為3-4毫米。它包含一個由Tepex dynalite 104-RG600制成的1毫米厚的嵌件和另外一個由擠出工藝制成的DLFT塊。這兩種材料都經(jīng)過加熱和塑化，然后放置進(jìn)模壓模具，只需一個步驟就能塑為一體。Tepex嵌件的基體由聚丙烯組成，并用47%體積百分比的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)行加固。聚丙烯DLFT塊含有40%重量百分比的長玻璃纖維。

車底板組件可以采用傳統(tǒng)的壓縮成型工具制造，這可以確保高效的生產(chǎn)。DLFT能夠以經(jīng)濟(jì)的方式制成直接擠出物，并構(gòu)成組件的主要部分，這也有助于提高成本效率。

聚氨酯HP-RTM制造工藝實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”

科思創(chuàng)與高新技術(shù)企業(yè)卡淶科技共同推出了使用高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動力電池制造商實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。本次合作研發(fā)開創(chuàng)了聚氨酯復(fù)合材料在新能源汽車電池包領(lǐng)域的應(yīng)用。

聚氨酯HP-RTM制造工藝實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”，可用于電池包。

據(jù)介紹，該款聚氨酯電池包上殼體解決方案在今年通過了歐盟REACH和RoHS認(rèn)證，以及中國GB38031-2020的標(biāo)準(zhǔn)化測試，并在機(jī)械性能、高溫高濕老化、氙燈老化、耐酸、耐堿、耐高溫和絕緣性能等一系列標(biāo)準(zhǔn)化測試中表現(xiàn)出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實(shí)現(xiàn)了“以塑代鋼”的減重要求。

相較于其他工藝，全新的HP-RTM工藝使用自動化鋪層技術(shù)，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期評估顯示，相較傳統(tǒng)金屬工藝，使用HP-RTM工藝產(chǎn)生的二氧化碳排放也更低。

STM聚氨酯復(fù)合材料電池包殼體

不久前，搭載巴斯夫所開發(fā)、基于STM ( spray transfermolding )工藝的聚氨酯復(fù)合材料電池包殼體解決方案的幾款電動汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大批量上市。

經(jīng)過充分的量產(chǎn)驗(yàn)證，這項(xiàng)解決方案兼具阻燃好，重量輕，可以提升電動車的駕駛安全性。此外，在生產(chǎn)方面，它可直接應(yīng)用于現(xiàn)有成熟的汽車供應(yīng)鏈和生產(chǎn)設(shè)施，生產(chǎn)的效率高，非常適于汽車行業(yè)的快速大規(guī)模生產(chǎn)，是電動汽車電池包減重降本的理想解決方案。

采用巴斯夫特性材料開發(fā)的STM聚氨酯復(fù)合材料電池包殼體，采用微發(fā)泡技術(shù)，可以大大降低部件密度，輕松實(shí)現(xiàn)殼體減量的目標(biāo)，同時擁有關(guān)鍵專利技術(shù)使得部件可以滿足氣密性試驗(yàn)與沉水試驗(yàn)要求。

在輕量化的同時，該復(fù)合材料擁有著高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)，為殼體保證了足夠的機(jī)械性能。

據(jù)了解，巴斯夫的STM聚氨酯復(fù)合材料解決方案，其工藝無需預(yù)成型，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)的聚氨酯復(fù)合材料成型工藝。目前國內(nèi)汽車行業(yè)已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)商可以快速提供量產(chǎn)的產(chǎn)品。同時,新量產(chǎn)項(xiàng)目的設(shè)備及模具投入成本也非常低。

以預(yù)制件生產(chǎn)復(fù)雜的車輛結(jié)構(gòu)件

Cannon Tipos公司和Coriolis 復(fù)合材料公司聯(lián)合開發(fā)了一種制造工藝，可以從接近凈形的干預(yù)制件中制造出復(fù)雜的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）部件作為半成品。

該工藝的關(guān)鍵組成部分是高壓樹脂傳遞模塑（HPRTM）工藝和Coriolis的自動纖維定位（AFP）。該合作產(chǎn)生的組件目前正在進(jìn)行適合批量生產(chǎn)的測試。該工藝實(shí)現(xiàn)了20秒的生產(chǎn)循環(huán)節(jié)拍時間，并顯示出符合要求的機(jī)械性能，但重量最多減輕了80%。

該公司生產(chǎn)的自動纖維放置（AFP）設(shè)備允許連續(xù)纖維或短纖維以不同的方向放置，甚至是復(fù)雜的幾何表面，同時最大限度地減少材料浪費(fèi)。

干式AFP二維預(yù)制件由單向（UD）取向碳纖維的優(yōu)化纖維薄片組成，每層纖維重量為280克/平方米，纖維體積分?jǐn)?shù)為55%。一種特殊的粘結(jié)劑技術(shù)被用于注射快速固化的兼容環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。改進(jìn)預(yù)制件的可塑性、纖維浸漬和可修剪性（使用三維水刀工藝），以實(shí)現(xiàn)接近凈成形的幾何形狀，可將總體廢品率降低達(dá)50%。

Cannon Tipos鋼制模具的設(shè)計壓力最高可達(dá)120巴。最小化的微孔確保了樹脂與固化劑在恒定溫度下的最佳反應(yīng)，最大偏差為2℃。此外，在注射階段有最小的背壓，真空時間應(yīng)最大化，以避免沖刷損失和氣泡的產(chǎn)生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預(yù)制件技術(shù)相結(jié)合，部件的表面質(zhì)量特別好。

HRC：輕量化復(fù)合材料應(yīng)用，助力低碳綠色循環(huán)發(fā)展

輕量化一直是汽車行業(yè)研究的重點(diǎn)話題，基于雙碳政策對于節(jié)能和環(huán)保的要求，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，輕量化的合理應(yīng)用對于降低能耗、增加續(xù)航里程及提升安全性方面起著至關(guān)重要的作用，HRC作為全球先進(jìn)復(fù)合材料綜合解決方案的一級供應(yīng)商，專業(yè)從事高性能輕量化碳纖維零部件的研發(fā)、工程設(shè)計和工業(yè)量產(chǎn)，擁有行業(yè)內(nèi)稀缺的復(fù)合材料零部件系統(tǒng)開發(fā)能力和業(yè)內(nèi)最為豐富的實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，擅長復(fù)雜結(jié)構(gòu)，變截面，一體化成型產(chǎn)品的工程設(shè)計和應(yīng)用解決方案開發(fā)，以其先進(jìn)的輕量化材料開發(fā)技術(shù)和自身嚴(yán)苛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)影響著未來汽車的設(shè)計理念，也為新能源汽車技術(shù)革命貢獻(xiàn)強(qiáng)大推力。

行業(yè)領(lǐng)先的多樣化復(fù)合材料應(yīng)用

在第二十屆上海車展中，展位位于2.2H 2BA010的HRC攜多項(xiàng)全球首發(fā)的輕量化創(chuàng)新成果重磅亮相，積極響應(yīng)2023上海車展“擁抱汽車行業(yè)新時代”的主題?，F(xiàn)場展臺最吸睛的是一個為不同主機(jī)廠開發(fā)的20多個包括車身覆蓋件、車身結(jié)構(gòu)件、底盤件、內(nèi)外飾件、運(yùn)動套件等全碳纖維零部件集成拼裝的爆炸車身，車身整體都具有高輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛性等優(yōu)異性能，外覆蓋件不僅擁有A級表面，HRC研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)分析比對還選用了3K對稱紋路，呈現(xiàn)精美的外觀，并且大部分展品已進(jìn)入量產(chǎn)階段。其中，超大尺寸面積的引擎蓋具有極高完成度的清漆工藝，表明HRC不僅有碳纖維研發(fā)能力，而且還擁有很強(qiáng)的表面工藝加工技術(shù)，為車身減重40％-50％，提升性能、緩解了汽車轉(zhuǎn)向不靈活的缺陷，同時在外觀方面更加運(yùn)動時尚。

值得一提的是，我們在集成爆炸車身上面見到了制造工藝極為復(fù)雜的碳纖維輪轂，眾所周知，汽車輪轂作為唯一一個與地面接觸的汽車零部件產(chǎn)品，其與輪胎一起承載了汽車的全部重量，同時在傳動軸的帶動下起到驅(qū)動汽車的作用，并承受了地面的汽車的所有沖擊，工作環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，其在密封性、尺寸精度、抗沖擊性上都對設(shè)計和制造流程提出了更高的要求。HRC團(tuán)隊開發(fā)的全碳纖維輪轂，在滿足了極為復(fù)雜的外觀造型設(shè)計和尺寸精度的基礎(chǔ)之上，整體質(zhì)量上較傳統(tǒng)鋁合金輪轂減重30％，在功能上能夠減輕簧下質(zhì)量，并大幅降低轉(zhuǎn)動慣量，從而進(jìn)一步改進(jìn)加速和制動性能，提升懸掛響應(yīng)速度、底盤動態(tài)性能、轉(zhuǎn)向質(zhì)感和駕乘品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的操控性能。

基于終端用戶對產(chǎn)品多樣化的需求，首次亮相的全碳纖維門板質(zhì)量僅為12kg，碳纖維部分可減重50％，整體減重35％，可提升燃油和電池工作效率，同時大幅度提升了整車的相關(guān)碰撞要求。該款產(chǎn)品可應(yīng)用于具有特殊需求的車輛進(jìn)行異形門設(shè)計的。技術(shù)方面，采用一體化膠合各碳纖維部件、金屬裝配件，HRC團(tuán)隊開發(fā)的精密膠合工裝能嚴(yán)格控制工藝變形，尺寸合格率高達(dá)100％。內(nèi)外板膠合區(qū)域采用特定結(jié)構(gòu)膠填補(bǔ)，并通過A級表面處理工藝使其融為一體，保證車門整體視覺體驗(yàn)與使用體驗(yàn)達(dá)到更高維度提升。

最受汽車改裝玩家和愛好者追捧的汽車零部件當(dāng)屬汽車尾翼（后擾流板），其在具有良好的外觀裝飾效果之外，在功能方面可有效減少汽車在高速行駛時產(chǎn)生的空氣阻力，增強(qiáng)對地面的附著力、抵消升力，增強(qiáng)車輛行駛穩(wěn)定性。結(jié)合市場需求，HRC團(tuán)隊從材料驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、模具開發(fā)、CNC工裝開發(fā)、膠結(jié)工裝開發(fā)、檢測技術(shù)等一系列制造和檢測技術(shù)上進(jìn)行探索，逐一攻破難關(guān)，內(nèi)部采用異型氣袋配合熱壓罐成型工藝，成功開發(fā)一體成型碳纖維尾翼。一體成型工藝減少膠接工序，避免膠接過程翹曲變形，相較于采用塑料注塑成型或纖維復(fù)合材料真空灌注成型的尾翼，滿足輕量化要求，能夠從容應(yīng)對低溫等極端天氣，有效提升尾翼剛性和強(qiáng)度，機(jī)械新能和功能要求嚴(yán)苛。HRC極高的表面處理技術(shù)工藝使造型更加精美，在抗老化性和耐腐蝕性方面達(dá)到飛躍式突破。

隨著新能源汽車保有量持續(xù)增加，由新能源汽車電池引發(fā)的交通事故層出不窮，各大動力電池廠商也在電池技術(shù)方面積極探索，在優(yōu)化電池性能的同時，還要避免潛在的熱失控問題，所以在材料阻燃性、行業(yè)認(rèn)證等方面都是需要考慮的重要因素。為此HRC也在電池領(lǐng)域不斷突破創(chuàng)新，推出了全碳纖維電池箱，同時也在上海車展期間重磅亮相，該電池箱蓋采用熱壓罐工藝成型，原材料為阻燃型碳纖維預(yù)浸料，具有優(yōu)良機(jī)械性能和氣密性能，滿足UL94-V0阻燃要求。

該產(chǎn)品輕量化明顯，2米多長的全碳纖維電池殼體重量僅為6.4kg，與鋁合金電池殼相比可減輕約40%的質(zhì)量，擁有非常好的輕量化性能、安全性能、機(jī)械性能及氣密性能，該產(chǎn)品也可根據(jù)主機(jī)廠或電池供應(yīng)商需求定制開發(fā)，本體最低厚度可降至1mm，能夠有效為客戶提升電池設(shè)計空間，也能為終端客戶增加使用空間，提升空間利用效率。

面向未來移動出行的解決方案

展會現(xiàn)場，由HRC與德國VOSS集團(tuán)旗下液壓連接技術(shù)領(lǐng)先制造商VOSS Fluid聯(lián)合，共同推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，攜手開發(fā)的Ⅳ型整體儲氫系統(tǒng)——IV型70MPa儲氫系統(tǒng)也吸引了眾多業(yè)內(nèi)人士的目光。

HRC市場總監(jiān)陳文瑾女士表示“IV型70MPa儲氫系統(tǒng)壓力容器部份由HRC旗下英國工程設(shè)計專家Engenuity和先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)中心（ACTC）自主研發(fā)設(shè)計并制造而成，通過采用獨(dú)特的復(fù)合材料纏繞鋪層設(shè)計及先進(jìn)的纏繞工藝，使該產(chǎn)品重量相較于鋼制款大幅減輕，連接部份搭載的是VOSS Fluid與旗下HypTec特別定制的高壓閥門密封系統(tǒng)，在滿足功能要求的同時極大程度提高了產(chǎn)品的安全性能”。

IV型70MPa儲氫系統(tǒng)的非金屬內(nèi)膽具有優(yōu)異的抗氫脆腐蝕能力，具有更優(yōu)越的安全性能。相比于Ⅲ型儲氫系統(tǒng)或同容積的產(chǎn)品質(zhì)量更輕、尺寸更小，設(shè)計也更加靈活。一體式成型的產(chǎn)品設(shè)計理念，能夠更加便捷的實(shí)現(xiàn)安裝使用。該系統(tǒng)可隨時進(jìn)入量產(chǎn)化階段，在未來，這項(xiàng)技術(shù)在乘用車和商用車領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大優(yōu)勢。

專注研發(fā)戰(zhàn)略，服務(wù)行業(yè)發(fā)展

此前，由于成本原因碳纖維等復(fù)合材料大多在更高級別或具有特殊環(huán)境作業(yè)的車輛中應(yīng)用。近年來，我們發(fā)現(xiàn)定位面對大眾消費(fèi)者的車型上面也有搭載，碳纖維等高性能復(fù)合材料價格逐步下沉走低，但相比于傳統(tǒng)金屬材料價格方面并不具備優(yōu)勢。“得益于HRC強(qiáng)大設(shè)計研發(fā)團(tuán)隊，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、原材料研發(fā)、工藝技術(shù)升級、自動化設(shè)備應(yīng)用、細(xì)節(jié)管控提升等方面降低成本，使該類型產(chǎn)品呈現(xiàn)逐漸向中端車型蔓延趨勢。”陳文瑾女士表示。

為了確保HRC集團(tuán)快速發(fā)展和創(chuàng)新的整體戰(zhàn)略，同時也為了更好地協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈上下游的各方資源，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用的突破，HRC與德國弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究院(Fraunhofer ICT)共同成立的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)中心（ACTC），專注于為移動出行領(lǐng)域和其它復(fù)合材料相關(guān)市場領(lǐng)域提供創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的復(fù)合輕量化解決方案。目前，ACTC是亞洲最大、中國國內(nèi)首個以汽車輕量化為主要研發(fā)方向的開放式碳纖維復(fù)合材料及應(yīng)用研發(fā)平臺，擁有全球最先進(jìn)的工藝和設(shè)備，通過雙邊或多邊具體研發(fā)項(xiàng)目。同時，更多當(dāng)下熱點(diǎn)技術(shù)和前瞻性研究項(xiàng)目正在有序推進(jìn)。

2023年3月新能源客車0.26萬臺降14%

近5年來，我國城市公交客運(yùn)行業(yè)的新能源車快速發(fā)展，城市內(nèi)公交替代柴油車的需求持續(xù)大增，為具有零排放、適合中低速運(yùn)行特點(diǎn)的客車帶來了巨大的市場機(jī)會。但2019年到2023年的新能源客車沒有拓展公交外的市場，甚至因補(bǔ)貼的性價比下降在非營運(yùn)領(lǐng)域有所下降，新能源客車市場適應(yīng)性壓力較大。

2023年新能源車逐步脫離補(bǔ)貼獨(dú)立發(fā)展，但新能源公交客車市場壓力仍較大。2023年3月的新能源客車銷量0.26萬臺，同比下降14%， 較上月增長5%。由于2022年透支力度很大， 2023年新能源客車市場走勢嚴(yán)重低迷。隨著藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的持續(xù)推進(jìn)，柴油車的發(fā)展面臨巨大危機(jī)，大中型客車是新能源城市交通的核心，新能源大巴大有優(yōu)勢。城市公交仍是新能源客車核心主力市場。

1、2023年新能源客車上牌表現(xiàn)

 

近幾年的新能源客車的銷量持續(xù)小幅負(fù)增長，這也是需求總規(guī)模不大、需求飽和的特征。2022年新能源客車的銷量5.8萬臺增長18%的表現(xiàn)相對較好。2023年3月的新能源客車銷量0.26萬臺，同比下滑14%， 較上月增長5%。

2、客車增長特征

 

2023年3月新能源客車的表現(xiàn)相對較平穩(wěn)，較2022年3月微有下降。去年4季度補(bǔ)貼退出前的搶裝行情過后，2023年1季度需求不足影響較大。3月銷售的時間長，銷售增長仍不強(qiáng)。

新能源客車上牌走勢相對復(fù)雜，總體客車市場飽和，但新能源仍屬于盈利模式相對復(fù)雜的。

3、新能源客車產(chǎn)品特征

 

我國新能源客車產(chǎn)品向純電動、大型化方向發(fā)展。新能源客車的產(chǎn)品逐步走上穩(wěn)定，大中型客車成為主力，微客市場逐步物流化的特征。

我在分析中剔除了部分5字頭輕客，主要考慮由于專用車的微客和輕客較多，因此電動微客實(shí)際應(yīng)該是物流車的需求使用，不屬于乘用車和一般客車的特征。

 

今年的插混大客增長較大，這也是相對極其異常的，估計是補(bǔ)貼結(jié)束后少裝電池的車型有了優(yōu)勢。

4、新能源客車用途特征

 

新能源客車的城市公交類占比逐步提升。大客2023年公交的占比相對2022年同期小幅下降。

大中型客車基本都是公交用途，其它用途的新能源大中型客車沒有市場，或者市場未能有效啟動，這也是巨額補(bǔ)貼減少導(dǎo)致的新能源客車缺乏市場競爭力的體現(xiàn)。

插混的市場空間很小，基本全是大巴，除此之外沒市場。但近期的増程電動車市場又開始活躍，這也是值得關(guān)注的。

5、2023年新能源客車各企業(yè)差異化

 

客車企業(yè)數(shù)量眾多，主力企業(yè)參與并非很強(qiáng)，但近期長安輕客裝車較多。3月的主力車企表現(xiàn)分化，福田、長安、鄭州宇通、南京金龍、吉利商用車新能源等表現(xiàn)較好。

傳統(tǒng)客車企業(yè)競爭優(yōu)勢不可撼動，新勢力的“投資換市場”是區(qū)域深度滲透的捷徑，產(chǎn)品性能是外地品牌拓展市場的基本技能。

新能源客車的區(qū)域性特征仍較明顯，主力車企有良好地方資源，形成和諧發(fā)展的局面。

6、2023年各區(qū)域市場的企業(yè)差異化較大

 

2023年3月新能源客車表現(xiàn)較強(qiáng)的是江蘇、北京、廣東、湖北、天津等。當(dāng)?shù)刂髁ζ髽I(yè)一般在本地都有較好表現(xiàn)，基本各地財政都有相對認(rèn)可和支持的核心企業(yè)。

由于疫情后私家車出行比例提升，加之個人兩輪出行比例上升，公交市場的新能源需求疲軟，客車企業(yè)相對不容易，市場競爭多因素促進(jìn)。

作為最大的復(fù)合材料終端應(yīng)用市場，汽車行業(yè)對復(fù)合材料并不陌生。除了開創(chuàng)性的車輛設(shè)計，復(fù)合材料還有助于使車輛更輕、更省油。汽車需要可靠、同步的機(jī)構(gòu)，其部件能夠承受摩擦、腐蝕和溫度波動。

設(shè)計或生產(chǎn)中的不準(zhǔn)確將影響性能，并可能造成制造商的業(yè)務(wù)損失。與金屬鋼相比，復(fù)合材料的性能能夠滿足并超過汽車行業(yè)的需求。這些獨(dú)特的性能包括：

• 低熱膨脹系數(shù)
• 優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，可保持形狀和可靠性
• 在潮濕和干燥條件下的耐腐蝕性能
• 高沖擊強(qiáng)度，可承受重復(fù)使用
• 相對較輕的重量，以減少車輛的整體質(zhì)量
• 隔音效果更好，性能更佳
• 對油漆的接受性，包括滿足A級表面要求、油漆和烘烤工藝的能力
• 易于制造，成本相對較低

 

復(fù)合材料在汽車內(nèi)外部結(jié)構(gòu)中典型應(yīng)用

截止目前，復(fù)合材料已經(jīng)廣泛用于一系列汽車結(jié)構(gòu)零部件，從前照燈的前照燈外殼到發(fā)動機(jī)罩下的電氣和隔熱部件，再到汽車車身外部零件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝飾部件。以下列舉復(fù)合材料在汽車零部件中的常見應(yīng)用：

• 導(dǎo)流板和擾流板
• 進(jìn)氣歧管
• 電池外殼和蓋
• 保險杠和保險杠橫梁
• 氣缸蓋（如氣門、搖臂、凸輪）蓋
• 車窗/天窗框架
• 前端格柵開口板
• 前向前照燈的殼體
• 隔熱板（例如發(fā)動機(jī)、變速器）
• 支柱和覆蓋物

 

中國新能源汽車 “出海”勢頭不減

 

圖片來源/攝圖網(wǎng)授權(quán)

新能源汽車現(xiàn)在有多火？從第133屆廣交會首次增設(shè)新能源及智能網(wǎng)聯(lián)汽車展區(qū)就可見一斑。當(dāng)前，中國新能源汽車“出海”可謂是熱潮涌動。
中國汽車工業(yè)協(xié)會最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年3月份，中國新能源汽車出口7.8萬輛，同比增長3.9倍。今年一季度，中國新能源汽車出口24.8萬輛，同比增長1.1倍，迎來“開門紅”。具體到企業(yè)來看，1至3月份，比亞迪出口4.3萬輛，同比增長12.8倍。新勢力中的哪吒同樣出口增長較快，根據(jù)泰國市場2月份純電車型上牌量榜單，哪吒V穩(wěn)居榜單第二，達(dá)1254輛，環(huán)比增長126%。此外，3月21日，在廣州南沙港，3600臺哪吒汽車啟動出海發(fā)運(yùn)，成為中國造車新勢力中最大單批次出口。
中國汽車工業(yè)協(xié)會副總工程師許海東在接受中國經(jīng)濟(jì)時報記者采訪時表示，一季度以來，我國新能源汽車發(fā)展勢頭良好，特別是出口增長強(qiáng)勁，延續(xù)了去年以來的良好態(tài)勢。
海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年我國汽車出口量達(dá)311萬輛，首次超越德國成為第二大汽車出口國，創(chuàng)歷史新高。其中，我國新能源汽車出口67.9萬輛，同比增長1.2倍。進(jìn)入2023年，新能源汽車出口延續(xù)強(qiáng)勁增長態(tài)勢。
在許海東看來，一季度新能源汽車出口迎來“開門紅”原因有以下兩點(diǎn)。
第一，國際市場對中國品牌的需求非常旺盛。近年來，我國新能源汽車充分發(fā)揮體系化、規(guī)?；瘍?yōu)勢，不斷豐富海外產(chǎn)品矩陣，國際競爭力持續(xù)上升。
第二，特斯拉等合資品牌帶動效應(yīng)明顯。記者了解到，特斯拉上海超級工廠于2020年10月份啟動整車出口業(yè)務(wù)，2021年出口量約16萬輛，為中國新能源汽車全年出口量貢獻(xiàn)了一半。2022年，特斯拉上海超級工廠累計交付71萬輛，據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該工廠出口海外市場超過27.1萬輛，國內(nèi)交付數(shù)據(jù)為44萬輛。
新能源汽車第一季度的出口數(shù)據(jù)把深圳推到了最前線。據(jù)深圳海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1至2月份，深圳關(guān)區(qū)新能源汽車出口超36億元，同比增長約23倍。
許海東認(rèn)為，深圳新能源汽車出口增速表現(xiàn)亮眼，比亞迪不可忽視。2023年以來，比亞迪不僅汽車銷量持續(xù)增長，汽車出口量也強(qiáng)勢增長，帶動深圳汽車出口產(chǎn)業(yè)騰飛。
據(jù)了解，近年來，深圳對汽車出口尤為重視，深圳已于去年開通小漠國際物流港口岸開放及汽車船班輪航線，經(jīng)過上海港轉(zhuǎn)港駛向歐洲，成功拓展汽車滾裝船業(yè)務(wù)。
今年2月份，深圳更是印發(fā)《深圳金融支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展的意見》，以多項(xiàng)金融舉措支持新能源車企出海。
記者了解到，2021年5月，比亞迪正式宣布“乘用車出海”計劃，將挪威作為開拓海外乘用車業(yè)務(wù)的首個試點(diǎn)市場。經(jīng)過一年多的發(fā)展，目前比亞迪新能源乘用車已進(jìn)入日本、德國、澳大利亞、巴西等國，足跡遍布全球51個國家和地區(qū)，2022年累計出口新能源乘用車超5.5萬輛。
4月17日，北汽集團(tuán)總經(jīng)理張夕勇在2023新時代汽車國際論壇暨汽車半導(dǎo)體行業(yè)峰會上表示，從2020年到2030年，是我國汽車出口的關(guān)鍵成長期，我國以新能源汽車為引領(lǐng)的自主品牌出口將持續(xù)增加，持續(xù)向高勢能的歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)拓展，不斷擴(kuò)大貿(mào)易份額、增加屬地建廠、零部件布局和運(yùn)營等方面的投資。新能源汽車迎來大發(fā)展的同時，要促進(jìn)跨國車企新能源轉(zhuǎn)型重心轉(zhuǎn)向中國，大力加強(qiáng)在我國本土化布局和投資，進(jìn)一步提升我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢。

“隨著海外市場對中國品牌認(rèn)可度不斷提升，未來一段時間，我國新能源汽車出口有望保持強(qiáng)勁勢頭。”許海東進(jìn)一步表示。

新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化研究

隨著社會的進(jìn)步，能源消耗在全世界范圍內(nèi)大幅度增多。同時，由于傳統(tǒng)燃油汽車的使用規(guī)模和生產(chǎn)速度均不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步加劇了能源消耗以及環(huán)境污染的速度。通過對石油實(shí)際消耗與石油探明儲量之間的比值，數(shù)據(jù)分析表明，如今全世界的能源短缺問題越來越嚴(yán)重。因此，通過科學(xué)有效的能源開采規(guī)劃和能源使用時間表已經(jīng)被越來越多的國家認(rèn)可。而且，隨著“碳中和”、“碳達(dá)峰”的出臺，世界各國對石油等傳統(tǒng)能源的使用要求越來越嚴(yán)格。

由于我國一直在堅持走綠色、可持續(xù)發(fā)展的道路。因此，新能源汽車的推廣和應(yīng)用得到了國家的大力扶植。在政策的推動下，新能源汽車在汽車產(chǎn)業(yè)中的占比越來越大。同時，由于新能源汽車對能源的需求較少，而且對環(huán)境的污染幾乎為零。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，消費(fèi)者對新能源汽車的青睞主要是節(jié)能環(huán)保（詳見圖1）。在這樣的時代機(jī)遇下，為了更好的利用新能源汽車的環(huán)保要求，對新能源汽車的輕量化研發(fā)是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，這將對新能源汽車的發(fā)展、制造及投入使用具有重要意義。

通過數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，新能源汽車輕量化探究的主要方向如下：

①設(shè)計開發(fā)方式、分析方法的合理選擇：傳統(tǒng)汽車在經(jīng)歷了長達(dá)一百多年的歷史進(jìn)程中，其在車身結(jié)構(gòu)、原材料的使用等方面都已經(jīng)擁有量相對穩(wěn)定的研發(fā)系統(tǒng)。而新能源汽車雖然獲得了突飛猛進(jìn)的機(jī)會，但也只是處于起步和探索的過程中。這就要求相關(guān)技術(shù)研究工程師投入更多的精力加以分析與研究。

②替代材料的合理選用、新材料的加工生產(chǎn)工藝的先進(jìn)性，都是新能源汽車輕量化方面的亟待解決的痛點(diǎn)。

我國的生產(chǎn)制造能力在幾十年的發(fā)展中得到了跨越式的發(fā)展。但是，與汽車強(qiáng)國的生產(chǎn)工藝相比，我國的生產(chǎn)工藝仍有很大的進(jìn)步空間。所以，科學(xué)有效的對新材料進(jìn)行制造加工，使其逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p量化的結(jié)構(gòu)材料。

01新型材料在新能源汽車中的應(yīng)用

隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料在新能源汽車中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大和深入。如今，高強(qiáng)鋼、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等材料的應(yīng)用越來越多。

1.1 高強(qiáng)鋼在新能源汽車中的使用

高強(qiáng)鋼主要有普通高強(qiáng)鋼與先進(jìn)高強(qiáng)鋼兩種。普通高強(qiáng)鋼主要是指烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼以及剛強(qiáng)度低合金鋼等。而先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要包括雙相鋼、復(fù)相鋼以及相變誘導(dǎo)塑性鋼等。研究表明，高強(qiáng)鋼不僅能夠降低汽車總重量，而且能夠大幅度提高汽車碰撞的安全性能。所以，不管是從成本還是從性能方面來看，高強(qiáng)鋼都是新能源汽車車身輕量化比較理想的材料之一，同時也能保證新能源汽車的安全性達(dá)到汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及法律法規(guī)的要求。其主要應(yīng)用見圖2。

 

1.2 鋁合金在新能源汽車中的使用

鋁合金密度較小，其密度僅為鋼材料的三分之一左右。由于該材料的可塑性極強(qiáng)。而且其耐腐蝕性出色，同時也具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。機(jī)構(gòu)相同的汽車，與鋼制材料的車身重量相比，采用鋁制材料能夠使其重量減少約四成。同樣，鋁制輪轂的質(zhì)量在結(jié)構(gòu)相同的情況下也只有鋼制輪轂的大約1/3。在如今的汽車生產(chǎn)技術(shù)中，鋁合金的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，性價比也越來越高。因此，鋁合金材料是汽車輕量化材料最優(yōu)發(fā)展?jié)摿Φ妮p型材料之一。其主要在新能源汽車中的應(yīng)用見圖3。

 

1.3 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中的使用

碳纖維復(fù)合材料自身的物理特性較為特殊。如今的碳纖維材料，是用樹脂與金屬為基體的復(fù)合材料進(jìn)行加工而成。其在車身上的應(yīng)用也越來越成熟，而且在制造工藝上優(yōu)勢較為明顯。通過碳纖維復(fù)合材料加工而成的零部件與同類鋼制零部件相比，其質(zhì)量僅為鋼制材料的1/2左右。即便是與鋁制零部件相比，其質(zhì)量也只有其1/3左右。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料做成的汽車，其汽車車身以及底盤整體質(zhì)量將會降低4-6成。

但是由于該新型材料成本較高。如今，由碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)性車身主要應(yīng)用于對車身輕量化要求較高的車型。如：豪華跑車、方程式賽車等車型。

02新焊接工藝在新能源汽車中的應(yīng)用

2.1 激光拼焊

激光拼焊技術(shù)的原理是學(xué)習(xí)了裁剪制衣的相關(guān)原理。將厚度不同、材質(zhì)不同、涂層不同的鋼板通過激光技術(shù)完成焊接工作。使其成為完整的拼焊板，然后通過整體沖壓制造，與其他零部件進(jìn)行整體裝配的一種焊接方法。本焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)汽車零部對材料性能的不同要求，其主要意義上能夠?qū)崿F(xiàn)對提升材料的使用效率和對零部件質(zhì)量控制。德國蒂森克虜伯公司的產(chǎn)品是激光拼焊板的最早應(yīng)用場所。首次在汽車車身應(yīng)用是被應(yīng)用到奧迪100車型的車身結(jié)構(gòu)上。數(shù)據(jù)分析說明，在汽車車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用激光拼焊板，汽車車身整體質(zhì)量降低了20%-40%。在當(dāng)前環(huán)境下，激光拼焊對于推進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展中的作用是非常關(guān)鍵的。不過，激光拼焊工藝的局限性同樣較為突出。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

①拼接焊縫會對沖壓零部件材料的力學(xué)性能、表面質(zhì)量造成一定程度的影響；

②由于激光拼焊板接縫處厚度不同，對薄厚板間連接很難實(shí)現(xiàn)平滑連接。所以，對于汽車車身面板的生產(chǎn)并不是非常適合。

當(dāng)然，隨著我國汽車生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升。該工藝在新能源汽車高強(qiáng)鋼板拼接方面的技術(shù)得到了不斷完善和發(fā)展，也使新能源汽車獲得更為突出的輕量化效果。

2.2 鋁合金拼焊

如今，在汽車生產(chǎn)中的使用較為廣泛是鋁合金材料。相較于使用焊接鋼板，同類型的零部件，如果使用鋁合金拼焊板，汽車整車重量會有約1/2的降低。即便是與使用鋁合金材料相比，鋁合金拼焊板技術(shù)的使用也可使汽車整車重量減少5％～10％。有數(shù)據(jù)顯示，鋁合金拼焊板工藝對控制零部件自身質(zhì)量優(yōu)勢較為突出?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，鋁合金拼焊板工藝主要有非真空電子束焊以及激光焊兩種。不過，因?yàn)樵诤附舆^程中極易產(chǎn)生空隙、焊縫區(qū)域熱裂和合金元素?fù)p失是鋁合金拼焊的弊端，目前，其實(shí)際應(yīng)用與推廣較為困難。

2.3 攪拌摩擦焊

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用不斷深入。該焊接技術(shù)是一種比較新穎的鋁合金焊板生產(chǎn)技術(shù)。其主要工作原理是把攪拌針插入到待焊接工件的內(nèi)部，在攪拌針高速旋轉(zhuǎn)的作用下，使其與焊接工件摩擦，通過將連接部位的材料溫度提升使其軟化，在攪拌針向前移動時，被摩擦后軟化的材料的向后流動，使金屬在焊縫處結(jié)合起來，形成致密的固態(tài)連接。

03新成型工藝

3.1 內(nèi)高壓成型工藝

該類型生產(chǎn)技術(shù)是將管材作為主要材料，利用向管材施加超高壓油液以及軸向推力補(bǔ)料的方式將管坯壓入模腔，使其成型為所需工件的生產(chǎn)過程。內(nèi)高壓成型工藝的主要工作過程如下：

①填充過程：把管材放入到模腔并進(jìn)行合膜。在沖水的狀況下，使管材兩端沿著水平方向推進(jìn)，在逐步形成相對密封的狀態(tài)的同時，預(yù)充體發(fā)揮作用，將管材內(nèi)部空氣排除。

②成型過程：向管材內(nèi)液體施加壓力，使管材逐步成型。

③整型過程：在施加壓力的作用下，逐步貼合模具角度與膜腔，形成所需的工件。相較于傳統(tǒng)的沖壓工藝。內(nèi)高壓成型工藝在降低零部件重量的同時，資源的實(shí)際利用率也得到不斷提升，使材料損耗率最小化。在新能源汽車的制造過程中，該工藝在汽車儀表板橫梁以及電池托架等的制作中應(yīng)用較為廣泛。

3.2 熱壓成型工藝

該生產(chǎn)技術(shù)是較為常見且比較普遍的加工方式之一。利用加熱模具，將材料注入到模具中。并通過壓力的作用把材料和模具進(jìn)行固定。當(dāng)材料定型完畢，再將模型成品取出。熱壓成型工藝主要由以下幾個步驟組成：

首先，將模板加熱并把材料放置到其中。然后，通過上模和下模對材料模板施加一定壓力的作用，通過排氣管將氣體排出。最后，對已冷卻成型的模具進(jìn)行剪切，最終成品定型。相較于傳統(tǒng)制造工藝，該生產(chǎn)技術(shù)在有助于提高零部件強(qiáng)度的痛死，對于零部件的厚度控制也是較為精準(zhǔn)的。不僅能夠在一定程度上減少零部件的使用數(shù)量，而且對于汽車質(zhì)量的提高有一定的幫助。在新能源車型的制造技術(shù)中，汽車地板、車門防撞梁和前防撞梁等的制作中該工藝應(yīng)用較為廣泛。

3.3 輥壓成型工藝

材料在跟隨輥輪不斷轉(zhuǎn)動的過程中，在輥輪的碾壓下成型為各種復(fù)雜制件，就是輥壓成型技術(shù)。在使用該工藝時，需注意以下要點(diǎn)：首先，在剪切對焊裝置中，應(yīng)對材料進(jìn)行的處置要合理。其次，應(yīng)發(fā)揮壓機(jī)與成型機(jī)的作用，確定輥壓成型定型。然后，要提高對定型后模具的沖孔、切邊以及壓型等處理工作的重視程度。在新能源汽車制造技術(shù)中，汽車門檻梁、防撞梁和車門窗框等的制作過程中應(yīng)用該技術(shù)是較為廣泛的。

04結(jié)語

由于社會的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者對汽車的需求不斷變化，追求的品位不斷提高。在汽車保有量的持續(xù)增加的同時，需要持續(xù)提高對新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化的鉆研。不斷深入研究輕量化材料的適用范圍。逐步改善新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)能力，不斷提升新技術(shù)在新能源汽車的生產(chǎn)制造過程中的重要作用。

作者：李廣俊 陳許超

來源：《交通運(yùn)輸》

新能源汽車碳纖維復(fù)合材料車門輕量化設(shè)計

汽車輕量化是在保證其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應(yīng)用新設(shè)計、新材料、新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉(zhuǎn)變。

材料輕量化是實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計的主流方向之一。作為車身的關(guān)鍵部件之一，車門需要保證足夠的剛度、強(qiáng)度，從而使整車具有良好的安全、振動噪聲和耐久性能。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能、高比強(qiáng)度和比模量和靈活的可設(shè)計性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度僅為鋼材密度的20%,鋁合金密度的60%,其應(yīng)用可以使車身減輕30%~60%,其質(zhì)量僅為鋼的1/4,強(qiáng)度則是鐵的10倍，是一種理想的輕量化替換材料。陳靜等的研究表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的碳纖維材料電池箱在質(zhì)量減少的同時，提高了剛度和模態(tài)頻率；陳偉旳將碳纖維材料引入汽車B柱支撐板，在確保碰撞性能的情況下減重55%。

商業(yè)領(lǐng)域中，碳纖維材料已經(jīng)大量應(yīng)用在寶馬、奧迪等量產(chǎn)車型的車身結(jié)構(gòu)中叫薛嬌問基于傳統(tǒng)金屬材料的汽車B柱，使用等代設(shè)計的方法將原有的金屬材料替換成碳纖維復(fù)合材料，并在有限元軟件中進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料的汽車B柱相較于原版的B柱擁有更好的力學(xué)性能，其質(zhì)量減輕了40%；Belingardi等為了能將復(fù)合材料利用到保險杠的加工制造中，用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，在吸收相同撞擊力和承受相同載荷的情況下，碳纖維復(fù)合材料制成的保險杠總體質(zhì)量更低?？梢?碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是汽車輕量化新型材料的優(yōu)良選擇。

對于將拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用到結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中，國內(nèi)外的學(xué)者也做了大量研究。楊暢岡基于變密度法和SIMP懲罰優(yōu)化準(zhǔn)則來構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化，對汽車傳動軸進(jìn)行了輕量化，結(jié)果使車軸總體上降低了10%的質(zhì)量。孫志遠(yuǎn)等用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對汽車前車架進(jìn)行了輕量化設(shè)計，車架在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后減輕了30.8%;Kiani等用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對鎂材料的車身進(jìn)行輕量化設(shè)計，仿真結(jié)果顯示了車身在滿足碰撞和振動要求下，質(zhì)量大幅減少。

本文采用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制材料車門進(jìn)行輕量化設(shè)計。首先對傳統(tǒng)車門進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)性能分析，然后以分析結(jié)果為參考，采用等質(zhì)量替換法，獲得碳纖維復(fù)合材料車門的有限元模型，以復(fù)合材料車門質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，靜態(tài)性能為約束條件，進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層順序優(yōu)化，最后進(jìn)行了優(yōu)化規(guī)整和性能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在滿足性能要求的前提下，車門整體減重48.3%。

1傳統(tǒng)車門有限元模型與性能分析

1.1有限元網(wǎng)格的劃分

車門是由多個零部件組成的，包括車門外板、車門內(nèi)板、防撞梁、玻璃窗框、鉸鏈加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、翻邊及其余部件（如導(dǎo)軌等）。

在CAHA中建立幾何模型，導(dǎo)入HyperWorks,進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

 

對整個車門的所有網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要參數(shù)如表1所示。

 

對整個車門的所有網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要參數(shù)如表1所示。

1.2傳統(tǒng)車門的靜力學(xué)和模態(tài)分析

依據(jù)國家有關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，參考FMVSS和ULSCA研究成果，綜合分析新能源汽車車門在許多研究中施加的工作載荷，確定了4種典型靜力學(xué)工況，分別為垂直工況、車門窗框角部工況、上部扭轉(zhuǎn)工況、下部扭轉(zhuǎn)工況。以垂直工況為例，車門垂直受載下的載荷模型如圖2所示。

 

考慮乘客支撐力200N和車門自重550N,載荷大小設(shè)定在750N。設(shè)定車門采用鉸鏈連接，施加車門鉸鏈處全約束，車門門鎖處則僅約束X方向上的平動。

在這種工況下，采用車門沿Z軸負(fù)方向上的最大位移量作為評價指標(biāo)，最大位移量越小，說明車門剛度性能表現(xiàn)越優(yōu)秀。在OptiStruct模塊中進(jìn)行有限元分析，獲得車門位移云圖。依據(jù)FMVSS和ULSCA研究成果，并與本文仿真數(shù)據(jù)比較，設(shè)置參考臨界值為10mm。最大位移發(fā)生在窗框角部，大小為7.52mm,而jiao鉸鏈處變形程度很小。剛度性能滿足設(shè)計要求。

以同一方法對另外3種工況的車門進(jìn)行靜力學(xué)分析，剛度性能均符合要求。各個工況下的最大位移如表2所示。

 

對車門進(jìn)行約束模態(tài)分析，考察振動特性。在約束模態(tài)的仿真結(jié)果中，一階模態(tài)反映了車門的整體振動特性。汽車電機(jī)在啟動時，其自身產(chǎn)生的振動頻率為20~30Hz，所以車門最低階頻率應(yīng)該盡可能避開這個區(qū)間。本次對原車門的仿真分析結(jié)果顯示1階模態(tài)頻率是45.12Hz。避開了環(huán)境綜合激勵頻率，合乎設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2復(fù)合材料車門有限元模型及性能分析

2.1碳纖維復(fù)合材料的替換

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量和比吸能高等諸多突出優(yōu)勢，還擁有良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，零件使用壽命高，有利于汽車輕量化設(shè)計,未來隨著原料成本的逐漸下降與高效制造工藝的不斷成熟，碳纖維將得到更廣泛的應(yīng)用。本文選取采用纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，主要選取的材料為環(huán)氧樹脂單層板復(fù)合材料，其具體參數(shù)見表3。

 

在考慮單層板的加工工藝以及制造成本基礎(chǔ)上，本次研究選取單層板的最小厚度0.1mm。采用等質(zhì)量的替換方法，以0.1mm作為每層的最小厚度，具體計算方法如下：

(1)金屬車門總質(zhì)量記為m1；

(2)將金屬材料車門外板的總體積v1,與復(fù)合材料車門的體積V2作比值，所得出的一個比例系數(shù)乘上原有車門外板的厚度，則總的鋪層厚度t也可知；

(3)復(fù)合材料車門總質(zhì)量記為m2，由V2和復(fù)材密度的乘積而得出；

(4)將m2與m1之差的絕對值與金屬材料車門的總質(zhì)量m1的比值作為誤差率，該誤差率允許范圍為1%。

具體的零部件總厚度計算公式為：

 

其中：t—零部件的厚度；m—質(zhì)量；ρ—相應(yīng)材料的密度。

通過上述方法獲得各部件的厚度，使用OptiStruct軟件計算出原車門質(zhì)量為15.53kg,然后進(jìn)行等質(zhì)量替換，獲得碳纖維材料車門質(zhì)量。替換后的車門總質(zhì)量為15.56kg，總質(zhì)量誤差在1%以內(nèi)，符合了替換要求。部分零部件等質(zhì)量替換結(jié)果如表4所示。

 

2.2復(fù)合材料車門的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析

參照原車門分析方法進(jìn)行復(fù)合材料車門的靜力學(xué)分析。復(fù)材替換后的車門在垂直工況下，云圖的單元體位移分布與原車門相似，但是由于碳纖維材料本身剛度優(yōu)良的特點(diǎn)，Z軸方向上最大垂直位移為6.451mm,變形明顯小于原車門的7.518mm。

以同樣方法對其余3種工況下的復(fù)合材料車門進(jìn)行靜力學(xué)分析，復(fù)材替換后車門的最大位移均小于原車門，具體位移數(shù)值見表5。

 

進(jìn)一步對復(fù)材車門進(jìn)行約束模態(tài)分析，仿真分析結(jié)果顯示一階模態(tài)頻率是45.28Hz。避開了環(huán)境綜合激勵頻率，合乎設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)現(xiàn)在上文的等質(zhì)量替換過程中，替換后的碳纖維車門模型厚度增加較大。在靜力學(xué)的分析中，復(fù)材替換后的車門在所有的工況仿真中，剛度表現(xiàn)都優(yōu)于原車門。在模態(tài)分析中，復(fù)材車門能夠滿足車門振動穩(wěn)定性。綜上所述，該款車門從結(jié)構(gòu)角度和材料替換角度存在優(yōu)化空間。

3碳纖維復(fù)合材料車門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及鋪層順序優(yōu)化，具體的優(yōu)化設(shè)計方案流程如圖3所示。

其中，約束條件為在4種工況下受力之后最大變形不超過10mm;目標(biāo)函數(shù)選擇為車門所有零部件的質(zhì)量最小化；設(shè)計變量為鋪層的局部厚度。

3.1自由尺寸優(yōu)化

通過自由尺寸優(yōu)化對車門進(jìn)行初步優(yōu)化，形成設(shè)計優(yōu)化方向。相比其他優(yōu)化方式，自由尺寸優(yōu)化消耗的時間更短,并且不會改變車門的三維結(jié)構(gòu),能夠在滿足約束條件的前提下，最大限度地減輕整體質(zhì)量。設(shè)計變量設(shè)定為每個板件的厚度，約束條件根據(jù)前文中傳統(tǒng)鋼制車門的靜力學(xué)分析結(jié)果，設(shè)定為Z方向上位移最大為±8.5mm,取1.5mm的裕度是為之后的進(jìn)一步優(yōu)化做鋪墊，使車門始終滿足最低的剛度要求。

第1階約束模態(tài)頻率為44.93Hz,符合工程要求。優(yōu)化后的最大厚度出現(xiàn)在鉸鏈加強(qiáng)板位置，車門內(nèi)外板的中心面則普遍厚度大幅度下降，很多呈現(xiàn)厚度為1mm。而窗框的上沿和車門底端則一部分厚度為4mm左右，符合之前的分析結(jié)果。

考察自由尺寸優(yōu)化后的復(fù)合材料車門靜力學(xué)特性，最大的位移變形出現(xiàn)在上部扭轉(zhuǎn)工況中的車門外板下沿位置，數(shù)值為&097mm,小于最大的限制位移8.5mm。

3.2尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是對模型具體細(xì)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化，在不改變模型形狀和連接方式的基礎(chǔ)上修正厚度、長寬等尺寸，使有限元分析結(jié)果能夠滿足靜力學(xué)和模態(tài)頻率要求。

對自由尺寸優(yōu)化后的迭代結(jié)果進(jìn)行尺寸優(yōu)化,車門的最大厚度在自由尺寸迭代結(jié)果的基礎(chǔ)上由10.7mm減少到6.718mm。

尺寸優(yōu)化后的車門在垂直工況下最大變形位移出現(xiàn)在車門窗框上沿邊緣處，數(shù)值為8.211mm,相比單純的自由尺寸優(yōu)化，剛度有所下降，但是仍然符合工程要求。

在優(yōu)化后，每一層從原有的4層增加到了48層，最終鋪層數(shù)目為192層。

3.3鋪層順序優(yōu)化

鋪層順序優(yōu)化是在不改變鋪層厚度、形貌和結(jié)構(gòu)的前提下，對車門鋪層的疊加順序進(jìn)行優(yōu)化，目的是在原先的基礎(chǔ)上改善剛度和模態(tài)頻率。

為了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方便，本文采用的初始鋪層數(shù)目為4層。而在工程中對于4層的復(fù)合材料常用的鋪層角度是0度、±45°和90°。圖4為對每一層規(guī)整后的車門外板鋪層圖，表7則為優(yōu)化后的車門外板的各鋪層具體厚度以及角度分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

 

 

進(jìn)行靜力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鋪層順序優(yōu)化后的剛度性能表現(xiàn)更好,相比于優(yōu)化之前的車門，變形也減少了很多。優(yōu)化前后車門在各工況下最大位移比較見表8。

 

之后對優(yōu)化后車門進(jìn)行約束模態(tài)分析來校核性能，得出一階模態(tài)約束頻率為47.11Hz,避開了環(huán)境綜合激勵頻率，合乎設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文基于新型碳纖維材料和計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，對某新能源汽車的車門進(jìn)行了材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化設(shè)計。對碳纖維復(fù)合材料車門依托自由尺寸拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化理論進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并校核了優(yōu)化后車門的剛度和模態(tài)頻率。模態(tài)頻率和最大變形均滿足要求，最終優(yōu)化后的車門總質(zhì)量為8.052kg,減重48.3%。

作者：張樂迪，程博彥，段耀東，曾超凡，董向峰

來源：《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》

汽車底盤 I 碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車底盤的應(yīng)用技術(shù)

▌ 1.從零出發(fā)

 

參與世界首臺CFRTP汽車底盤研制工作的研究人員（名古屋大學(xué)）

2013年寶馬汽車生產(chǎn)的電動車i3車身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工藝熱固性CFRP時，給汽車行業(yè)帶來了巨大的沖擊，該公司的在2015年款7系車上雖然采用了多材料化，但是CFRP的應(yīng)用僅停留在作為鋁、鋼鐵等增強(qiáng)材料。雖然不是結(jié)構(gòu)部件，2017年豐田汽車將SMC（Sheet Molding Compound）工法的熱固性CFRP應(yīng)用在普銳斯PHV的后車門。

關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)，2014年豐田汽車將其應(yīng)用在燃料電池車MIRAI的堆?？蚣苌希@也是首次在量產(chǎn)車上的應(yīng)用。關(guān)于CFRTP其他的應(yīng)用事例目前仍在研究階段還沒有達(dá)到實(shí)用化（圖1）。

 

圖1.CFRP成型技術(shù)與力學(xué)特性之間關(guān)系的路線圖

日本5家汽車制造商為了尋求適用于量產(chǎn)車生產(chǎn)的CFRP制造技術(shù)，將目光著眼于LFT-D（長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料工藝）工藝技術(shù)（圖2），并于2012年在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的支持下成立了研發(fā)團(tuán)隊，由名古屋大學(xué)國家復(fù)合材料中心石川隆司教授擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，之后該項(xiàng)目在2014年并入NEDO(日本新能源技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)) 的“創(chuàng)新新結(jié)構(gòu)材料研發(fā)”項(xiàng)目。

 

圖2.LFT-D生產(chǎn)概念圖

LFT-D是德國弗勞恩霍夫物流研究院提出的一種纖維強(qiáng)化塑料的制造方法，最初是將玻璃纖維和熱塑性樹脂（聚丙烯）混合而成的材料通過高速沖壓成型。本項(xiàng)目為了提高力學(xué)性能，原料中使用了碳纖維和熱塑性樹脂（聚酰胺）。熱塑性塑料與熱固性塑料相比，具有材料價格便宜，成型時間短的優(yōu)勢。另外，作為熱塑性塑料的特性，可以在接合中應(yīng)用熔接和焊接技術(shù)，所以不需要粘合劑和鉚釘，可應(yīng)用于目前現(xiàn)行的汽車生產(chǎn)線，這對汽車制造企業(yè)來說具有極大的魅力。

本項(xiàng)目的主要特點(diǎn)之一是采取了大學(xué)與11家企業(yè)共同參與的聯(lián)合體方式。各企業(yè)根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)，從零開始開發(fā)一種新的工藝，通過5年不斷反復(fù)的改良，才取得了今天這樣與企業(yè)訴求充分吻合的重大成果。

 

圖3.經(jīng)過改良后螺旋推進(jìn)器的混煉·擠出機(jī)

 

圖4.保溫搬送裝置中擠出的原料

▌ 2.不斷進(jìn)取、不斷改良、追求完美

截至目前，本項(xiàng)目最主要的成果首先是以最佳條件形成LFT-D擠出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型設(shè)備及系統(tǒng)（圖5）。從原料的投入到成型品的完成只需5分鐘左右，沖壓成型所需的時間縮短到1~2分鐘，能保障實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬臺規(guī)模的量產(chǎn)。其中系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)中最難的一點(diǎn)是將碳纖維和熱塑性樹脂混煉的工序，這一點(diǎn)可以說是永遠(yuǎn)的課題。雖然混煉螺桿推進(jìn)器的設(shè)計在多次改良積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和訣竅，但在螺桿推進(jìn)器中到底發(fā)生什么，仍然還有很多未解之謎。即使利用計算機(jī)模擬技術(shù)也不能完全揭開其真實(shí)的機(jī)理，仍然是將來需要解決的課題。

 

圖5.大型LFT-D高速成型設(shè)備

在整個研發(fā)過程中，物料搬送技術(shù)的開發(fā)也相當(dāng)艱辛。擠出材料接觸空氣后會因氧氣而劣化，因此需要阻斷氧氣。另外，冷卻后馬上就會凝固，影響在沖壓機(jī)中的流動，所以需要在保持溫度的同時，如何高速向沖壓機(jī)送料是關(guān)鍵，如何將它控制在分毫不差，是物料搬送技術(shù)的核心。

與混煉工序相反，沖壓成型中的物料移動非常清晰。通過開發(fā)流動模擬CAE技術(shù)，并在成型試件的水準(zhǔn)設(shè)定和模具設(shè)計中得以充分靈活的運(yùn)用（圖6）。

 

圖6.CAE流動分析

關(guān)于材料的檢測評估技術(shù)，申請了兩項(xiàng)專利。其中一項(xiàng)專利是關(guān)于預(yù)填充物的制作方法，開發(fā)了多階段稀釋法的纖維長度分布測定法，實(shí)現(xiàn)了排除試樣采集位置特異性的精度提高和效率化（圖5）。另一項(xiàng)專利是測量纖維方向的方法，開發(fā)了X射線衍射法的纖維取向測定法，確立了平均取向角和取向順序參數(shù)的計算順序（圖6）。

 

圖7.多階段稀釋測定纖維長度分布

 

圖8.根據(jù)X射線衍射測量纖維取向

 

圖9.物料搬送技術(shù)的應(yīng)用

▌ 3.“產(chǎn)學(xué)官”聯(lián)合研發(fā)的樣板工程

日本的“產(chǎn)學(xué)官合作”是指通過企業(yè)（產(chǎn)）與具有高端技術(shù)、高級專業(yè)知識的大學(xué)（學(xué)）以及政府（官）合作，謀求新產(chǎn)品的開發(fā)和新工程的創(chuàng)建，積極推進(jìn)科技創(chuàng)新及其成果的轉(zhuǎn)化。“產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合”是日本科技立國政策的重要舉措，是在政府的支持下，充分利用大學(xué)強(qiáng)大的科研隊伍和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，開發(fā)新興技術(shù)產(chǎn)品，增強(qiáng)日本企業(yè)國際競爭力的機(jī)制。

本項(xiàng)目試制所選擇的車輛標(biāo)準(zhǔn)是比鋼鐵輕的鋁制車輛，而且是本次共同研發(fā)企業(yè)之外的車型。項(xiàng)目組購買了一輛蓮花愛麗舍二手車，在拆解前測量了其扭轉(zhuǎn)剛度（指汽車車架的扭轉(zhuǎn)剛度），并以與之同等的剛度為本項(xiàng)目的設(shè)計目標(biāo)。

從大尺寸平板的成型開始，取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，找出問題點(diǎn)。由于當(dāng)初高質(zhì)量的平板成型比較困難，經(jīng)歷了多次反復(fù)的試驗(yàn)。對于強(qiáng)度不足的部分，同時開展了作為增強(qiáng)材料使用織物（熱塑性連續(xù)纖維CFRP）的混合成型的開發(fā)。在完成技術(shù)上最難的底盤平板后，逐步完成了包括側(cè)梁等與實(shí)車完全一樣的其他結(jié)構(gòu)部件的開發(fā)。

 

圖10.LFT-D汽車底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān)于接合，開發(fā)了與鋼鐵材料接合中使用的焊縫焊接同等水平的高速接合技術(shù)。雖然實(shí)現(xiàn)了解超聲波熔接是有效的，但本項(xiàng)目中也實(shí)驗(yàn)了電磁感應(yīng)和激光熔接。電磁感應(yīng)對連續(xù)纖維有效但對不連續(xù)纖維不起作用，激光熔接雖然可以接合，但有專利等壁壘，僅限于研究范圍。最終選擇了超聲波熔接，現(xiàn)狀不能熔接的部分也并用了一部分，不過，為了發(fā)揮LFT-D的特性，從構(gòu)造設(shè)計上下功夫，實(shí)現(xiàn)了全部熔接接合。不僅是LFT-D成型材料之間，也可與鋁材料通過超聲波熔接進(jìn)行接合。同樣也可以與鋼材的接合，但是存在表面處理等未解決的問題，目前其研究仍在進(jìn)行。

本項(xiàng)目中接合技術(shù)，有一部分在校學(xué)生獲得了這次寶貴的機(jī)會并參與了研發(fā)工作。作為“產(chǎn)學(xué)官”合作的示范案例，獲得日本內(nèi)閣府頒發(fā)的“產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合功勞者選拔委員會特別獎“。同年2月，為了表彰該技術(shù)對汽車輕量化的貢獻(xiàn)，獲得“nano tech大獎”。

本次完成的熱塑性CFRP底盤重量40kg，實(shí)現(xiàn)了與原車相同的強(qiáng)度和剛性要求。相對于鋁制底盤由100個零部件組成，熱塑性CFRP底盤僅僅有10個零部件，成本也可與鋁制底盤相競爭。

 

圖12.參加本項(xiàng)目的“產(chǎn)學(xué)官”大學(xué)及企業(yè)

碳纖維復(fù)合材料及其連接技術(shù)在汽車白車身的應(yīng)用

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源危機(jī)越來越嚴(yán)重。減少能源消耗和排放，成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。當(dāng)前，一輛汽車半數(shù)以上是鑄鐵或鋼，塑料件約占11%，鋁合金約占9%，橡膠約占7%，玻璃約占3%。鎂、鈦、銅和鋅合金共同約占1%，油漆、電纜和表面材料等約占13.5%，如下圖1所示[1]。

 

為解決能源效率問題，研究人員提出了觀點(diǎn)——車身不同部位用不同的輕量化材料來減輕汽車整備質(zhì)量。每減重10kg，能耗和碳排放就減少1g/km。

碳纖維作為增強(qiáng)材料和樹脂基體復(fù)合而成的復(fù)合材料，優(yōu)勢明顯。例如：低密度，高比強(qiáng)，高比模，耐疲勞性能好，耐腐蝕性能好，可設(shè)計性以及強(qiáng)減震。碳纖維復(fù)合材料可使車身質(zhì)量至少降低60%，續(xù)駛里程提高25%以上，既降低了整車的質(zhì)量及油耗，又不失輕便、靈巧。

但新材料的應(yīng)用需要開發(fā)新的加工工藝、連接工藝來滿足裝配的需求，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出了不少具備工業(yè)化的連接技術(shù)。

隨著碳纖維加工成本的降低和連接技術(shù)的成熟，必將推動碳纖維在汽車行業(yè)的應(yīng)用迅速可持續(xù)發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料在白車身的應(yīng)用

隨著汽車的發(fā)展，車身尺寸不斷增大，安全系數(shù)不斷提高，配置越來越豐富，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。這種情況下，要保持合理的車重，選擇合適的材料至關(guān)重要。可以說，輕量化材料的選擇，真正體現(xiàn)了汽車品牌之間的研發(fā)核心技術(shù)差距。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求，又實(shí)現(xiàn)了汽車的輕量化。碳纖維不但能達(dá)到節(jié)能減排的全球性需求，也能解決消費(fèi)者所關(guān)心的節(jié)能省油問題。

碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用之初，由于成本高、工藝復(fù)雜，僅在跑車和少量的昂貴車型上應(yīng)用。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維在汽車車身上的應(yīng)用越來越多。寶馬i3 2013款車型的車身碳纖維用量達(dá)到了49.41%，寶馬i8 2014款車身碳纖維用量為43%，這兩款車也成為碳纖維復(fù)合材料在汽車構(gòu)件大幅度應(yīng)用的標(biāo)桿車型。2018年，瑞典豪華品牌Polestar推出了Polestar1，該車上車身全部采用碳纖維復(fù)合材料，極大降低了整車的整備質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)車企也相繼推出了碳纖維汽車構(gòu)件應(yīng)用的車型，如上汽榮威E50的機(jī)蓋、一汽紅旗的翼子板、奇瑞艾瑞澤7的前保險杠橫梁和吸能盒等[2]。

1. 優(yōu)勢

（1）減重CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的密度為1.45~1.6g/cm3，不到鋼密度的25%，比鋁還要輕，CFRP的使用可使汽車整備質(zhì)量減少30%~60%。CFRP由于其優(yōu)異的強(qiáng)度、剛度以及輕量化的特點(diǎn)，對提高燃料利用率、減少CO2排放具有重要意義，在汽車行業(yè)得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3]。根據(jù)之前研究，如果用CFRP替代鋼件的話，汽車整備質(zhì)量可減少60%，燃料利用率提高30%，二氧化碳排放量減少20%。此外，車身結(jié)構(gòu)的減重還可以使得底盤、齒輪和剎車等結(jié)構(gòu)減重。

（2）零部件的集成/減少

如果大量使用碳纖維零件，不僅能夠減重，還能顯著減少車身零件數(shù)量。歐洲汽車研究學(xué)會的研究表明復(fù)雜形狀的碳纖維和連接技術(shù)可將車身零件數(shù)量減少30%左右。零件數(shù)量的減少也會使得生產(chǎn)工具和連接設(shè)備減少。當(dāng)前車身設(shè)計和汽車制造還處于一個將零部件焊接到一起的階段，但ACA的研究表明車身結(jié)構(gòu)使用一體成型的碳纖維結(jié)構(gòu)件，最多可減少70%的工具和設(shè)備投入。

（3）良好的抗沖擊性和能量吸收能力

碳纖維復(fù)合材料具有良好的能量吸收能力。在碰撞時，熱塑性復(fù)合材料吸能量為250kJ，熱固性復(fù)合材料的吸能量為120kJ/kg左右，而鋼只有20kJ/kg。此外，碳纖維復(fù)合材料振動衰減系數(shù)大，吸振能力強(qiáng)，可減少振動和噪聲[4]。

（4）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的造型

大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件都可以用碳纖維復(fù)合材料制作，且形狀不受限制，這是金屬材料所無法具備的。此外，和傳統(tǒng)的纖維相比，CFRP可用于有外露面的結(jié)構(gòu)件。

2. 劣勢

（1）高成本

目前，成本是影響碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)批量應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。雖然，世界各國的科學(xué)家都在努力降低碳纖維量產(chǎn)的成本，但目前和鋼車身相比，碳纖維車身的成本是其15倍左右[5]。目前工業(yè)生產(chǎn)中，碳纖維前驅(qū)體來源受限，造成了碳纖維的高成本。而目前科學(xué)家也在研究可替代的前驅(qū)體和加工技術(shù)，從而降低碳纖維批量生產(chǎn)的成本。

（2）復(fù)雜且低效的生產(chǎn)工藝及技術(shù)

目前碳纖維復(fù)合材料普遍采用熱壓罐成型技術(shù)制備零件，具有質(zhì)量穩(wěn)定、成型模具簡單、纖維體積含量高等優(yōu)點(diǎn)，但存在周期長、能耗大等缺點(diǎn)，很難適應(yīng)汽車工業(yè)的規(guī)模應(yīng)用。

采用片狀模塑料的碳纖維，由于其表面的噴涂氣孔（高溫噴涂中輕微的氣體溢出造成的針孔）很難消除，所以也是個難題。

（3）可回收性低

碳纖維復(fù)合材料會分解為不同的樹脂，而回收大量不同的樹脂會增加拆卸成本，進(jìn)而降低材料的回收價值。此外，這些數(shù)值大多是不可回收利用的，反而是通過填埋處理，這會對環(huán)境造成很大影響。

表1是不同材料的虛擬能源，可以看出，和其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料是較高的，因此碳纖維的回收消耗的能源也是需要考慮的[6]。

 

碳纖維復(fù)合材料連接技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料獨(dú)特的力學(xué)、物理化學(xué)性能及加工工藝等，金屬材料常見的連接技術(shù)很難應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的連接。目前碳纖維復(fù)合材料的連接技術(shù)主要有機(jī)械連接、膠結(jié)、焊接和混合連接技術(shù)等[7]。

1.機(jī)械連接

碳纖維的機(jī)械連接通常指通過鉚接或螺栓將不同的碳纖維部件連接成一個整體。

采用機(jī)械連接時，需對復(fù)合材料進(jìn)行打孔。采用機(jī)械連接具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）連接簡單可靠，方便檢查質(zhì)量。

2）可重復(fù)進(jìn)行拆卸和安裝。

3）可避免膠接固化后產(chǎn)能的殘余應(yīng)力。

4）對被連接的零件厚度要求沒有特別限制。

但也存在以下缺點(diǎn)：

1）預(yù)打孔時，會導(dǎo)致孔四周的應(yīng)力集中，降低連接性能。

2）由于緊固件的使用，會導(dǎo)致整個零件的質(zhì)量增加。

3）緊固件和復(fù)合材料接觸可能會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

4）緊固件易疲勞，造成結(jié)構(gòu)失效。

5）預(yù)制孔時會對復(fù)合材料產(chǎn)生不同程度的損傷。

2.膠接

膠接，即使用結(jié)構(gòu)膠將不同的零件連接成一個不可拆卸的整體。膠接目前廣泛應(yīng)用于CFRP和其他材料的連接，膠接需表面處理，且需要較長的固化時間。然而膠接接頭的強(qiáng)度對環(huán)境和結(jié)構(gòu)膠的性能比較敏感，在嚴(yán)酷的環(huán)境下，接頭強(qiáng)度會極具降低，尤其在潮濕條件下。

通常，由于CFRP和金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以粘接完成后，會產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力，接頭的強(qiáng)度也會受影響。

有研究表明，使用超聲波輔助涂膠技術(shù)，接頭的強(qiáng)度最高可提高52%，但接頭強(qiáng)度會受振動時間和和位置的影響[7]。

由于表面的清潔度、粗糙度和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)等因素直接影響最終的粘接強(qiáng)度，故在粘接前對碳纖維表面需進(jìn)行預(yù)處理，以提高粘接的強(qiáng)度，常用的表面處理方式有三種：溶劑脫脂法、物理打磨法和化學(xué)處理法。溶劑脫脂法主要用于去除表面污染物和改善表面潤濕性。物理打磨法用于提高表面粗糙度、增大實(shí)際接觸面積和改善表面潤濕性?；瘜W(xué)處理用于改善表面內(nèi)聚強(qiáng)度、改變表面活性和改變表面自由能。

3.焊接

焊接，即通過加熱，將不同的母材連接成一個整體的加工技術(shù)。對于碳纖維材料，由于只有熱塑性材料能熔化且二次成形，故碳纖維的焊接技術(shù)僅適用于熱塑性碳纖維復(fù)合材料。碳纖維的焊接即通過熱源，將碳纖維材料的界面融化，在零件中間形成焊縫，實(shí)現(xiàn)不同材料的焊接。

目前熱塑性碳纖維復(fù)核材料焊接技術(shù)主要有超聲波焊接、感應(yīng)焊接、電阻焊和激光焊等。

4.混合連接

混合連接是采用最少兩種連接方式將兩個或者多個部件連接到一起。通常是將機(jī)械連接和膠接同時使用，如螺栓聯(lián)接和膠接、鉚接和膠接。如能保證部件受力時，兩種連接技術(shù)的接頭同時受力，同步變形，可明顯起到組織或者延緩接頭的損傷，提高抗沖擊、抗疲勞和抗拉性能。但混合連接也會使得成本增加，結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加以及孔應(yīng)力集中等問題。

不同連接技術(shù)對比見表2，碳纖維復(fù)合材料的連接技術(shù)，要綜合各方面因素，根據(jù)實(shí)際情況確定。通常，需要承受大的集中載荷，對可靠性要求較高時，優(yōu)先考慮機(jī)械連接方式。對于承受均布載荷或承受剪切應(yīng)力時，優(yōu)先考慮膠接。而混合連接多用于要求多余度連接的部件，如中等厚度板的連接。

結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)且剛度高和抗沖擊能力好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。但也存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、可回收性差等缺點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)度，如果能將以上問題解決，相信碳纖維在汽車行業(yè)會得到批量應(yīng)用，也會助推連接技術(shù)的發(fā)展。

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作者：楊洪期，王金培，馮楊，高海東

用于新能源電池?zé)峁芾淼囊环N新型復(fù)合相變材料

1 背景介紹

傳統(tǒng)燃油汽車存在著高能耗、溫室氣體排放、發(fā)動機(jī)噪聲污染等問題，對環(huán)境影響很大。在能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，節(jié)約能源、減少排放，用清潔能源替代傳統(tǒng)化石燃料迫在眉睫。清潔能源（氫氣、高級醇類、甲烷等）和能量轉(zhuǎn)換器等常見的節(jié)能手段近些年都取得了很多研究成果。鋰能作為一種很有前途的儲能方式，也在逐步完善，逐漸在汽車行業(yè)占據(jù)重要地位。鋰電儲能具有能量密度高、循環(huán)性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。作為單體電池，軟包裝鋰離子電池具有優(yōu)異的儲能效果，并且廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域。但是，如果在充放電過程中散熱不及時，電池可能會出現(xiàn)膨脹、漏電等現(xiàn)象，存在自燃等事故的危險。因此，有必要對鋰電池進(jìn)行熱管理。固液相變材料具有成本低、腐蝕弱、相變潛熱高等優(yōu)點(diǎn)。

通過相變過程，可以儲存和釋放能量，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。相變材料的存在會使電池組的溫度分布更均勻，減少過熱現(xiàn)象。然而，純相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低。近年來，金屬有機(jī)骨架(MOF)受到了廣泛的關(guān)注，它具有比表面積大、孔隙率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的相變材料封裝載體。MOF材料是制備多孔碳的理想模板，將MOF衍生的多孔碳與碳基材料復(fù)合作為相變材料載體是優(yōu)化復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的一種可行的方法。但是目前關(guān)于這方面的報道較少，目前新能源行業(yè)飛速發(fā)展，開發(fā)一種用于新能源電池方面的復(fù)合相變熱管理材料迫在眉睫。

2 成果掠影

 

近期，左紅艷教授團(tuán)隊在用于新能源電池?zé)峁芾淼膹?fù)合相變材料方向取得新進(jìn)展。團(tuán)隊設(shè)計了一種用于電池?zé)峁芾淼男滦蛷?fù)合相變材料，通過對月桂酸(LA)的吸附，可以得到形狀穩(wěn)定的LA/EG@HPC復(fù)合相變材料。載體的BET表面積為15.9326 m2/g，孔徑分布以中孔和大孔為主。載體的三維結(jié)構(gòu)可以為LA提供連續(xù)的分層換熱網(wǎng)絡(luò)通道。復(fù)合相變材料的負(fù)荷率可達(dá)70%，導(dǎo)熱系數(shù)為2.546 W/(m.K)，是純LA的8.4倍。此外，目前用于相變材料載體的MOF材料都是通過反應(yīng)釜合成的。該團(tuán)隊采用的熱溶劑法可大大提高單次合成效率，操作簡便。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合相變材料在電池?zé)峁芾矸矫姹憩F(xiàn)出優(yōu)異的性能。在不同速率的放電測試中，電池包的最高溫度比沒有熱管理的電池包降低了13.4℃，電池溫差降低了1-1.5℃，工作溫度遠(yuǎn)低于安全溫度50℃。循環(huán)試驗(yàn)中，DST條件下復(fù)合相變材料組溫度波動降低45%，高功率條件下電池溫度保持在安全溫度以下，具有顯著的熱管理效果。該研究成果為新能源電池?zé)峁芾聿牧咸峁┬碌难芯克悸?。研究成果?ldquo;EG@Bi-MOF derived porous carbon/lauric acid composite phase change materials for thermal management of batteries”為題發(fā)表于《Energy》。

3 圖文導(dǎo)讀

 

圖1.EG@HPC的制備示意圖。

 

圖2.不同樣品的XRD圖譜。

圖3.LA、HPC、EG@HPC、LA/EG@HPC樣品的FTIR圖譜。

 

圖4.樣品的SEM圖譜，(a) Bi-MOF (b) HPC (c) EG@HPC (d) 60wt% LA/EG@HPC (e) 65wt% LA/EG@HPC (f) 70wt% LA/EG@HPC。

 

圖5.(a) EG@HPC的N2下的吸附解吸等溫線，

(b)對應(yīng)的孔徑分布圖。

 

圖6.LA、EG@HPC、LA/EG@HPC樣品的TG曲線。

 

圖7.LA和LA/EG@HPC樣品的DSC曲線。

 

圖8.LA、LA/HPC和LA/EG@HPC樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

 

圖9.電池?zé)峁芾硌b置示意圖。

 

圖10.電池放電溫度變化曲線(a)空白對照組2C速率、(b)空白對照組3C速率、(c) CPCM組2C速率、(d) CPCM組3C速率。

 

圖11.電池放電溫度的最大最小值以及溫差分布。

 

圖12.DST條件下的溫度波動（a）空白對照組；

（b）復(fù)合材料對照組。

 

圖13.恒定充放電速率循環(huán)下電池溫度的變化。

來源/作者：雅氏橡塑網(wǎng)、萬塑文化傳媒、輕量化技術(shù)網(wǎng)、復(fù)材應(yīng)用技術(shù)、《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》、Energy

2023中國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈展覽會

中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會定于5月10-12日在山東德州舉辦“2023中國復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展大會”，同期舉辦協(xié)會七屆四次理事會，企業(yè)國際化經(jīng)營合規(guī)風(fēng)險排查培訓(xùn)會及中國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈展覽會。