復合材料在汽車終端市場上的應用

Marelli開發(fā)的一種先進的片材壓縮模制懸架（ASMC）懸架轉向節(jié)，并獲得2020年Altair Enlighten Awards的輕量化大獎。

復合材料經(jīng)常被用于賽車運動和小批量高端、豪華汽車中，而且大多傾向于使用連續(xù)碳纖維材料。從2021到2022年，在這兩個領域都得到了持續(xù)性的增長。對于成本較為敏感的中、高批量生產(chǎn)的車型，復合材料主要通過連續(xù)玻璃纖維增強聚合物（GFRP）以及短切纖維模塑復合材料，包括片狀模塑料（SMC）車身面板和框架、團狀模塑膠（BMC）殼體和支撐結構以及用于保險杠框架、升降門和座椅結構的注塑熱塑性塑料等方面的應用持續(xù)保持穩(wěn)步的增長，根據(jù)Stratview Research 2019年11月的一份報告，復合材料在汽車中的頂級應用按體積順序為發(fā)動機罩下部件、外部和內部。另一個增長的市場是懸架部件和驅動軸。除板簧外，還包括：

用于Ram1500半噸皮卡的混合玻璃纖維復合材料/鋁上部控制臂，由Stellantis和一級供應商Iljin Group共同開發(fā)；

福特汽車公司使用SMC和預浸料開發(fā)的后懸架轉向節(jié)；

Marelli開發(fā)的高級SMC轉向節(jié)；

Saint Jean Industries公司使用Hexcel的預浸料制成的混合碳纖維/鋁懸架轉向節(jié)；

Shape Machining公司在鋁上壓制成型的碳纖維/環(huán)氧樹脂懸掛；

IFA復合材料公司開發(fā)的CFRP平穩(wěn)桿；

Williams Advanced Engineering公司使用回收碳纖維和新開發(fā)的RACETRAK工藝，在90秒內成型CFRP叉臂懸掛；

拱形、多功能單向（UD）玻璃纖維/環(huán)氧樹脂前軸“葉片”，包括懸架、防振動/噪音和防側傾；

Dynexa公司開發(fā)的CFRP傳動軸；

2021宣布的最著名的懸掛結構之一是由Rassini（Piedras Negras，墨西哥）為MY 2021福特F-150皮卡車開發(fā)的碳纖維后懸掛系統(tǒng)（上圖）。該高負載部件由Rassini使用樹脂轉移模塑（RTM）制造，用Hexion的EPIKOTE樹脂TRAC 06150和EPIKURE固化劑TRAC 0650環(huán)氧樹脂系統(tǒng)制作的玻璃纖維增強件。根據(jù)Hexion發(fā)布的信息，EPIKOTE樹脂TRAC 06720粘合劑對于織物穩(wěn)定和織物層的大方向疊層的自動預成型至關重要，并且與快速固化樹脂系統(tǒng)完全兼容。 在外觀方面，超輕量SMC仍然低于1.0克/立方厘米（g/cc），碳纖維也在取得了很大進展，Polynt Composites、AOC和Teijin Automotive Technologies在過去幾年都增加了新的SMC生產(chǎn)線，所有這些都有能力制造碳纖維SMC。 Polynt還將Polynt RECarbon再生纖維SMC引入其產(chǎn)品系列，以及UDCarbon和TXTCarbon化合物，分別采用UD和織物增強材料。這些產(chǎn)品的潛力可以在Magna International和福特汽車公司完成的前副車架開發(fā)項目中看到，該項目使用局部增強和共成型的短切碳纖維SMC，以及由碳纖維0°/90°無卷曲織物（NCF）制成的SMC貼片。該SMC結構的副車架必須能夠承受大載荷，支撐發(fā)動機和底盤部件，包括轉向器和支撐車輪的下擺臂。雖然只是一個開發(fā)部分，但它實現(xiàn)了82%的零件減量，用兩個壓縮成型的復合材料部件和六個包覆成型不銹鋼插件替換了54個沖壓鋼零件，同時34%的輕量化。

01、電池外殼 汽車復合材料的另一個重要推動力是全球推行的2050年實現(xiàn)零排放，這將促進電動汽車（EV）的開發(fā)和生產(chǎn)的大幅度增加。2020年9月，加利福尼亞州宣布，將要求該州銷售的所有新乘用車和卡車在2035年前實現(xiàn)無排放。與此同時，歐盟提出了2030年的目標，將新車二氧化碳減排目標設定為37.5%。BloombergNEF先進材料負責人朱莉婭·阿特伍德在IACMI 2020年秋季成員會議上表示，到2025年，電動汽車的平均價格預計將降至內燃機（ICE）汽車的價格以下。她預測，到2037年，全球電動汽車銷量將超過ICE汽車，到2050年將達到5000萬輛/年。 動力總成技術中范式轉變在大規(guī)模引入對堅固的電池外殼系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)能夠滿足嚴格的機械和沖擊要求，以及在電池起火時保護車輛乘員的防火、防煙和毒性性能。此外，由于電池組給車輛增加了很大的重量，因此要求盡可能的減輕外殼的重量。 由于所有這些原因，復合材料在電池外殼應用中被證明是非常有利的，并且這些結構正在為復合材料在地面運輸中，諸如汽車、卡車、公共汽車和其他車輛中的使用提供了主要機會。

在2020至2021期間，多家材料供應商、汽車制造商和復合材料制造商宣布了電動汽車用電池外殼解決方案。例如，Evonik Industries（德國埃森）于2021年2月報告稱，它正與合作伙伴組成的財團開發(fā)一種更輕、更具成本效益的高壓電池外殼，使用玻璃纖維增強環(huán)氧SMC的電動出行解決方案。整體電池系統(tǒng)概念旨在為汽車行業(yè)提供一種更安全、更節(jié)能的替代方案，以取代金屬或價格更高的碳纖維增強塑料（CFRP）。聯(lián)合體包括Evonik Industries、Forward Engineering（德國慕尼黑）、電池技術專家LION Smart（德國加興）、組件制造商Lorenz Kunststofftechnik（德國沃倫霍斯特）、工程服務和業(yè)務發(fā)展專家Vestaro（慕尼黑，贏創(chuàng)和Forward工程的合資企業(yè)）、EV電池外殼和其他汽車結構的全球制造商MINTH（中國嘉興市）。聯(lián)合體開發(fā)的復合電池外殼概念可用于三種電池規(guī)格：65千瓦時（kWh）、85千瓦時和120千瓦時，用于各種車輛尺寸和等級。

2020年，IDI Composites International（美國印第安納州諾布爾斯維爾）推出了FLAMEVEX，這是一個新的纖維增強材料和樹脂家族，專門用于制造電動汽車和新能源汽車（NEV）市場的電池外殼系統(tǒng)。 FLAMEVEX系列產(chǎn)品包括短切玻璃纖維與不飽和聚酯（UPR）或UPR與乙烯基酯的組合，已通過嚴格的中國標準GB/T31467.3測試（電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)安全性要求與測試方法）。IDI表示，F(xiàn)LAMEVEX為設計師提供了一種堅固、輕便、經(jīng)濟高效的替代材料，以取代傳統(tǒng)上用于封裝電動汽車和新能源汽車電池組的鋼和鋁材料。 2021年8月，德國專業(yè)化學品公司Lanxess和韓國汽車零部件公司INFAC宣布聯(lián)合開發(fā)一種電池外殼。INFAC專門從事汽車控制電纜、執(zhí)行器、天線和電池組，它使用Lanxess的Durethan BKV30FN04，以滿足嚴格的機械和化學性能要求。無鹵阻燃玻璃纖維增強聚酰胺6（PA6）材料具有優(yōu)化的阻燃和電氣性能。Lanxess指出，該材料具有高度可加工性，能夠集成外殼組件所需的復雜功能，從而減少零件數(shù)量，簡化組裝過程，減輕重量。2021年，該外殼已在韓國OEM批量生產(chǎn)用于某電動汽車上。

CSP的多材料電池外殼展示了包括組裝，以多種材料生產(chǎn)電池外殼所需的所有組件的能力許多復合電池外殼通常使用金屬底座，電池單元安裝在金屬底座上，頂部用復合材料的電池蓋。2020年末，帝人汽車技術公司（前身為美國密歇根州奧本山大陸結構塑料公司）和母公司帝人有限公司（日本東京）宣布開發(fā)全套多材料電池外殼，在下托盤和上蓋中使用復合材料。帝人汽車技術公司執(zhí)行董事休·福蘭表示：“作為我們新的高級技術中心的初始項目之一，我們用生產(chǎn)模具鋼（P-20）設計和制造模具工具，然后我們開始制定不同的材料和獨特的工藝，不僅增強模具，還增強零件本身。”?！拔覀円恢痹谶M行廣泛的測試。我們在日本的GH Craft進行了自己的碰撞測試，因此我們對不同的車架進行了評估，并對箱體設計進行了一些修改，包括增加一些筋骨以增加更多的結構?！? 帝人還與供應商合作開發(fā)了不同的預制件和玻璃纖維材料，以添加到箱體中，電池供應商也能夠測試整個外殼的熱失控要求，并在負載下進行評估。除電池外，外殼本身至少包括三個結構部件：相對較薄的復合材料頂蓋、較厚且更具結構的復合材料底托盤和金屬梯形框架，以在箱體內部為電池提供額外支撐。帝人還開發(fā)了一種吸能結構泡沫內部框架，可用于更高的碰撞保護。 同樣在2020年末，TRB Lightweight Structures（英國亨廷頓TRB）在美國肯塔基州啟動了電動客車復合電池外殼生產(chǎn)工廠。此外，TRB與美國豐田通商（美國紐約州）合資使用碳纖維預浸料，通過自動切割和壓縮成型，每11分鐘生產(chǎn)一個外殼，每年生產(chǎn)多達40000個電池外殼。

02、碳纖維輪轂 第一個完全商業(yè)化用于汽車工業(yè)的碳纖維輪轂是由carbon Revolution（澳大利亞）生產(chǎn)的，于2008年推向市場。2015年，carbon Involution為福特野馬謝爾比GT350R推出了碳纖維輪轂。然而，這些車輪每臺售價15000美元，并不適合批量生產(chǎn)車輛。從那時起，各種汽車復合材料制造商一直在追求材料和工藝接合，以使碳纖維車輪在成本和性能上與鍛造和鑄造鋁車輪能夠競爭。 2021年8月，Bucci Composites SpA（意大利）宣布為英國汽車制造商Bentley的Bentayga SUV開發(fā)22英寸全碳纖維輪轂。據(jù)說是迄今為止制造的最大的全碳纖維輪轂，它是通過高壓RTM（HP-RTM）制造的，每個車輪可減輕6公斤的重量。Bucci Composites表示，更輕的車輪可減少轉動慣量，這意味著可以得到更大的加速度、更短的制動距離和更好的車輛操控性。

2021秋季，在美國德克薩斯州達拉斯舉行的CAMX 2021貿易展上，越野車、賽車和售后汽車輪轂的設計師和制造商Vision Wheel（美國阿拉巴馬州）推出了其最新的碳纖維輪轂，該輪轂是與IDI Composites International和復合材料編織公司A&P Technology（美國俄亥俄州）合作開發(fā)的。Vision Wheel碳纖維輪轂采用IDI的Ultrium U660（一種基于碳纖維的復合材料）制造，輻條采用A&P提供的編織預制件制造，整個車輪通過壓模成型工藝完成。 03、更高的產(chǎn)量和持續(xù)性 盡管市場正在從內燃機（ICE）汽車逐步轉向電動汽車，但內燃機汽車的生產(chǎn)完全停止還需要十多年的時間。與此同時，汽車制造商仍然在繼續(xù)尋找提高汽車效率的方法。這意味著復合材料必須提供極具吸引力的價值，以激勵汽車制造商放棄傳統(tǒng)（和更熟悉的）材料和工藝。2021的各種公告表明，原始設備制造商和供應鏈似乎認為復合材料的應用前景廣闊。

2021年10月，由英國政府資助的研究項目-TUCANA、AOC AG（瑞士）和Astar（西班牙）宣布開發(fā)一種基于Daron聚氨酯混合技術的新型SMC，該技術能夠在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)具有環(huán)氧樹脂CF-SMC機械性能的短切碳纖維模塑件，以及具備UPR和乙烯基酯樹脂SMC的制造容易性。CF-SMC共同支持開發(fā)具有低密度、E-coat能力和低排放的汽車結構零部件，同時保持復合材料典型的設計靈活性。它還將與Zoltek（美國密蘇里州）的低成本分束纖維結合使用。 同樣是在10月，Carbon Truck&Trailer GmbH（德國）宣布安裝iPul拉擠系統(tǒng)（如上圖），用于生產(chǎn)客車、小型卡車和移動房屋等車輛的高負載部件輕型碳纖維增強塑料型材系列。新的拉擠系統(tǒng)由Pultrex（英國勞福德KraussMaffei子公司）交付，并根據(jù)Carbon TT的要求量身定制，每年為大約70000輛汽車底盤型材零件。

2019年雪佛蘭為Silverado皮卡設計開發(fā)了熱塑性復合材料/金屬保險杠支架。與標準相比，這對注塑混合動力支架的質量降低了2.5千克/輛。由于質量分解效應，較輕的保險杠拐角使得保險杠安裝支架和其他部件的尺寸減小，因此前保險杠系統(tǒng)的總質量比即將推出的車型減少了7.3千克。 Advanced Composites Products & Technology Inc.（ACPT）公司宣布將開發(fā)新技術以加速碳纖維復合材料在汽車驅動軸上的應用。ACPT表示，增加傳動軸產(chǎn)量的原因是需求增加，這是由于碳纖維傳動軸與金屬傳動軸相比具有獨特的混合性能，如更高的扭矩能力、更高的轉速能力、更好的可靠性、更輕的重量，由于在高沖擊時傾向于分解成相對無害的碳纖維，并且降低了噪音、振動和不平順性（NVH），從而提高了安全性。ACPT從Roth Composite Machinery（德國）引進了一種具有多個纏繞架的雙軸自動纖維纏繞系統(tǒng)，而且采用由Globe Machine Manufacturing公司（美國華盛頓州）設計的半自動芯軸處理系統(tǒng)。

審核編輯 ：李倩