先進(jìn)復(fù)合材料從飛機(jī)轉(zhuǎn)向汽車應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

張靠民，李 敏，顧軼卓，張佐光

(北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

1 前言

先進(jìn)交通工具是社會文明與進(jìn)步的主要標(biāo)志之一，從汽車、輪船、飛機(jī)到航天飛行器，每一個都代表人類智慧的結(jié)晶，新材料是支撐其不斷進(jìn)步與發(fā)展的關(guān)鍵。美國麻省理工學(xué)院的M.Flemings教授和劍橋大學(xué)的R.Cahn教授明確指出:信息技術(shù)、生物技術(shù)和新材料技術(shù)是國家興旺發(fā)達(dá)的關(guān)鍵，而材料技術(shù)是另兩個技術(shù)成為可能的前提[1]。復(fù)合化是新材料發(fā)展的重要方向，也是新材料的重要組成部分和最具生命力的分支之一[2]，而先進(jìn)復(fù)合材料(Advanced Composite Materials，ACM)是復(fù)合材料家族中的佼佼者[3]。碳纖維等高性能纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有高比模、高比強(qiáng)、耐疲勞、耐腐蝕、整體成型以及性能可設(shè)計等諸多優(yōu)良特性，是其中的杰出代表，作為輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的首選，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，并成為其先進(jìn)性的標(biāo)志之一。以2009年首飛的波音787為例，碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)用量超過了45%，除了發(fā)動機(jī)等個別部件外，基本實現(xiàn)了飛機(jī)的復(fù)合材料化。減重帶來的效益也非常明顯，波音787的油耗降低20%[2，4－6]，并且飛機(jī)的安全性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等主要指標(biāo)均有改善。汽車工業(yè)早在CFRP發(fā)明初期就對其表現(xiàn)出了極大的興趣，有專家預(yù)言CFRP將是未來主要汽車結(jié)構(gòu)材料之一[7]，從近年來國外著名汽車公司對碳纖維的重視程度也可見一斑[8－12]。

雖然復(fù)合材料在航空工業(yè)已經(jīng)有近四十多年的應(yīng)用歷史，積累了成熟的技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗，但汽車工業(yè)有不同于航空工業(yè)的自身特性和產(chǎn)業(yè)特點，最突出的就是對成本和生產(chǎn)效率的要求更高。因此，借鑒已有的航空用復(fù)合材料經(jīng)驗，研究發(fā)展適合汽車工業(yè)的復(fù)合材料的低成本和高效制造技術(shù)，是推動ACM在汽車工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行評述，并對制約汽車ACM規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討。

2 先進(jìn)材料支撐汽車輕量化

一次能源枯竭和環(huán)境持續(xù)惡化是阻礙可持續(xù)發(fā)展的兩大頑疾。作為石油消耗和尾氣排放的主要實體之一，降低排放和油耗成了汽車工業(yè)最具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，提高燃油效率已經(jīng)是全球汽車企業(yè)面臨的共性問題，而且迫在眉睫[13]。輕量化技術(shù)是降低排放和油耗的有效途徑之一。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%，而燃油消耗每減少 1 L，CO2的排放量減少 2.45 kg[14－15]。輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車行業(yè)追求的關(guān)鍵技術(shù)之一，是引領(lǐng)未來發(fā)展的技術(shù)制高點，而先進(jìn)輕量化材料技術(shù)是汽車輕量化的基礎(chǔ)[16－19]。

從國際汽車用材料的發(fā)展來看，車用輕量化材料主要有3類:高強(qiáng)度鋼、輕質(zhì)合金(主要是鋁、鎂、鈦等合金)和ACM[20－24]，其中以碳纖維復(fù)合材料的輕量化效果最為顯著。碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的強(qiáng)度和模量均是高強(qiáng)度鋼和輕質(zhì)鋁合金的數(shù)倍，而其密度只有鋼的1/5，鋁的1/2，作為結(jié)構(gòu)材料具有非常明顯的輕量化優(yōu)勢[25]。表1以軟鋼為參考基準(zhǔn)，對比了高強(qiáng)度鋼、鋁、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等輕量化材料的成本和減重效果?？梢钥闯鎏祭w維復(fù)合材料的減重效果最顯著，但成本也最高。

由圖1可知碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的吸能效果遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料和玻璃鋼，而且連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料(CFRP和GFRP)的抗沖擊性也遠(yuǎn)高于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Sheet Moulding Compound，SMC)，這有利于提高汽車的碰撞安全性。如果僅從材料性能來講，碳纖維復(fù)合材料是目前最理想的輕量化材料。但是碳纖維復(fù)合材料的成本較高，而且成型周期較長，這是制約碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

表1 輕量化材料的減重效果及相對成本[26]Table 1 The lightweight material weight loss and relative cost

圖1 不同輕量化材料的吸能效率[27]Fig.1 Energy absorption efficiency of different lightweight materials[27]

3 汽車復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

3.1 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的典型應(yīng)用

碳纖維最先由大阪工業(yè)技術(shù)研究所發(fā)明，并于1963年由美國聯(lián)合碳化合物公司率先工業(yè)化，作為增強(qiáng)材料最早應(yīng)用于航空工業(yè)。雖然人們早就看到它在汽車工業(yè)的潛在應(yīng)用價值，但由于價格及其它原因，一直沒有得到產(chǎn)業(yè)化推廣。隨著汽車輕量化要求的日益迫切和碳纖維生產(chǎn)能力的不斷提高，碳纖維復(fù)合材料逐漸走入汽車工業(yè)，并有愈演愈烈的趨勢。

1992年，通用汽車展出了超輕概念車，該車車身由碳纖維復(fù)合材料制成，采用碳纖維預(yù)浸料熱壓工藝制造，車身質(zhì)量為191 kg，整車質(zhì)量降低68%，節(jié)油40%。2003年，戴姆勒克萊斯勒公司推出了Dodge Viper跑車，該車的擋板支架系統(tǒng)采用了碳纖維復(fù)合材料，是碳纖維復(fù)合材料在汽車底盤上的首次應(yīng)用。2009年，迪拜國際汽車展上英國DYMAG公司展示了世界最輕的碳纖維/鎂車輪，車輪由碳纖維輪網(wǎng)和鎂剎車盤兩部分組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。汽車配備這種車輪時可降低回旋效應(yīng)，而且更輕便、加速快、減少剎車距離。2011年9月，日本東麗公司在東京國際論壇上公開了采用大量碳纖維復(fù)合材料的TEEWAVE AR1電動車，該公司將汽車用碳纖維定位為“戰(zhàn)略性擴(kuò)大業(yè)務(wù)”。2011年，蘭博基尼在日內(nèi)瓦車展期間推出了Murciélago替代車型，該車的突出特色之一就是大量采用了碳纖維復(fù)合材料，尤其是全碳纖維復(fù)合材料單殼體車身，重量僅有145.5 kg[28]。寶馬公司計劃在2013年推出的BMWi3電動汽車也將大量采用碳纖維復(fù)合材料。圖2是部分碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用實例。

圖2 碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用實例:(a)蘭博基尼CFRP單殼體車身，(b)東麗公司電動車，(c)DYMAG公司的碳纖維輪轂，(d)碳纖維復(fù)合材料寶馬i3車體示意圖Fig.2 Examples of the application of carbon fiber composites in the cars:(a)Lamborghini CFRP monocoque，(b)Dongli company electrombile，(c)DYMAG company carbon fiber weels，and(d)carbon composite BMW i3 car body

3.2 關(guān)于汽車復(fù)合材料的研發(fā)計劃

近年來，世界著名汽車公司和碳纖維復(fù)合材料公司紛紛加大汽車碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)研發(fā)力度。2009年1月，東麗株式會社宣布在歐洲建立一個碳纖維增強(qiáng)塑料的研發(fā)基地，并且專門成立了汽車用復(fù)合材料研究中心。該中心以RTM為核心工藝，重點攻關(guān)，旨在實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2009年10月，德國西格里(SGL)集團(tuán)與寶馬(BMW)集團(tuán)組建合資企業(yè)，聯(lián)合美國卓爾泰克和日本三菱麗陽合作生產(chǎn)碳纖維，目標(biāo)是降低碳纖維成本，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，建筑工程于2010年啟動，計劃于2015年前投產(chǎn)。該項目被認(rèn)為是汽車工業(yè)按產(chǎn)業(yè)化規(guī)模使用碳纖維的里程碑，碳纖維將第一次在系列化汽車制造中發(fā)揮重要作用，并在使用更輕量化材料的替代進(jìn)程中起到越來越大的作用。2010年4月，戴姆勒與日本東麗集團(tuán)合資成立子公司，共同研發(fā)碳纖維復(fù)合材料汽車零部件，以降低整車重量，提高車輛的燃油效率，減少有害氣體排放。2011年2月，奧迪和福伊特宣布聯(lián)合研發(fā)復(fù)合材料汽車零部件，致力于實現(xiàn)樹脂基復(fù)合材料的工業(yè)化，為未來汽車項目的發(fā)展提供材料支持?？梢钥闯?，發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)已經(jīng)在醞釀碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并且正在為此目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

此外，發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的政府也組織了系列汽車用碳纖維復(fù)合材料研發(fā)項目。如第七屆歐盟科技框架計劃中設(shè)立HIVOCOMP(Advanced Materials Enabling High-Volume Road Transport Applications of Lightweight Structural Composite Parts)項目，即高等復(fù)合材料技術(shù)研究項目[29]，于2009～2013年執(zhí)行。該項目聚集了全球領(lǐng)先的汽車制造商、復(fù)合材料供應(yīng)商以及在材料科學(xué)領(lǐng)域卓有建樹的高校和研究所。主要集中于乘用車的輕量化，包括現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入市場的混合動力和全電動汽車，旨在開發(fā)先進(jìn)的復(fù)合材料體系，以大批量地生產(chǎn)用于汽車行業(yè)的復(fù)合材料。該項目關(guān)注碳纖維復(fù)合材料的性能、生產(chǎn)成本和可回收能力，以確保達(dá)到成本、安全和環(huán)境指標(biāo)。經(jīng)過驗證的部件將在2013年進(jìn)行生產(chǎn)。

TECABS(Technologies for Carbon Fiber Reinforced Modular Automotive Body Structures)是歐盟在先進(jìn)車用復(fù)合材料領(lǐng)域的一個領(lǐng)先的項目[30]。該項目于2005年開始實施，已經(jīng)確認(rèn)了組合式車身設(shè)計方案，以輕量化和性價比高的工藝為研究重點，為車用復(fù)合材料的大規(guī)模推廣提供技術(shù)支撐。以車身底盤為例，經(jīng)過組合化設(shè)計后，得到了整體式的底盤(圖3)，從生產(chǎn)和裝配角度來講，這種組合式設(shè)計具有更高的性價比。

圖3 依據(jù)等量化原則設(shè)計的整體式復(fù)合材料底板Fig.3 Integral composite chassis on the basis of quantitative design principles

在該項目的支持下，以整體底盤為對象，研究人員對熱固性傳遞模塑工藝(TS-RTM)和熱塑性傳遞模塑工藝(TP-RTM)分別進(jìn)行了工藝研究和成本分析。采用的樹脂基體分別為環(huán)氧樹脂(Epikote 828LV)和尼龍12，增強(qiáng)體為12 K碳纖維絲束無屈曲織物(NCF)。圖4是碳纖復(fù)合材料整體底盤，該制品重14.6 Kg，與鋼制品相比減重50%。

圖4 采用熱塑性或熱固性樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制備的整體底盤Fig.4 The whole chassis prepared with the thermoplastic or thermosetting resin transfer molding(RTM)process

作為美國“新一代汽車合作計劃”(PNGV)項目的一部分，美國能源部組織橡樹嶺國家實驗室、汽車復(fù)合材料協(xié)會等研究機(jī)構(gòu)開展“先進(jìn)低成本碳纖維的研究與設(shè)計”專題研究，目的是開發(fā)汽車用低成本碳纖維復(fù)合材料，提高汽車燃油效率[10，31－32]。2009 年，美國能源部(DOE)能源效率與可再生能源辦公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)遵照“美國復(fù)蘇和再投資法案”，撥款3 470萬美元，在橡樹嶺國家實驗室(ORNL)建立碳纖維技術(shù)中心。該項目將進(jìn)行低成本碳纖維的研發(fā)和商業(yè)化，研究重點包括確定低成本碳纖維前驅(qū)體，開發(fā)廉價碳纖維前驅(qū)體的制備技術(shù)，以及測試評估低成本復(fù)合材料的設(shè)計和制造能力。圖5是該項目設(shè)計的碳纖維復(fù)合材料車身，該車身比原先的Chrysler Cirrus鋼制車身減重70%。

圖5 碳纖維復(fù)合材料車身[33]Fig.5 The car body of carbon fiber composite[33]

綜上，雖然碳纖維復(fù)合材料汽車部件近年來屢見不鮮，但大多數(shù)只是作為概念性產(chǎn)品或是極少數(shù)的“奢侈品”出現(xiàn)，還沒有達(dá)到規(guī)模化應(yīng)用水平。以下將重點針對制約汽車ACM規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)計、材料、工藝和循環(huán)使用技術(shù)進(jìn)行闡述。

4 汽車用碳纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)計制造一體化技術(shù)

復(fù)合材料設(shè)計制造一體化技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期，由以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家研究開發(fā)的一項創(chuàng)新性成果[34]。該技術(shù)是依托計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)的并行制造工程，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、保障產(chǎn)品質(zhì)量、降低開發(fā)成本[35]。對于ACM來講，設(shè)計制造一體化技術(shù)主要包括三個方面。

首先在選材階段，針對不同汽車部件的使用要求，材料設(shè)計需要綜合考慮其性能、結(jié)構(gòu)特點、制造工藝和成本等因素，設(shè)計選擇適用的材料體系是非常必要的，也是降低材料成本的途徑之一。日本東麗公司推出的概念車TEEWAVE AR1就根據(jù)部件的不同性能要求而分別采用了熱固性和熱塑性碳纖維復(fù)合材料。在美國“PNGV”項目支持下，美國橡樹嶺國家實驗室對汽車用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究[36－40]，從拉伸、疲勞、沖擊等方面對汽車用復(fù)合材料的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，這些試驗數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)字化材料設(shè)計的基礎(chǔ)。

其次，復(fù)合材料既是一種材料又是一種結(jié)構(gòu)，是材料和結(jié)構(gòu)的“復(fù)合體”，在宏觀、細(xì)觀、微觀等多尺度水平上均具有高的設(shè)計自由度。并且，復(fù)合材料的材料成型與結(jié)構(gòu)成型同時完成。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在保證基本性能的前提下，采用合理的輕量化結(jié)構(gòu)，比如夾層結(jié)構(gòu)、中空殼體結(jié)構(gòu)可大幅減輕零部件重量，提高汽車結(jié)構(gòu)效率[41－43]。同時，整體化結(jié)構(gòu)在安全性、降低成本、提高成型效率等方面具有明顯優(yōu)勢，已在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得到證明。為了降低制造成本，并充分挖掘復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型的特點，整體化設(shè)計也必將是復(fù)合材料汽車部件的發(fā)展方向[30，44]。

復(fù)合材料成型過程往往伴隨著傳質(zhì)、傳熱、傳壓以及化學(xué)反應(yīng)，而且各個過程相互耦合[45－48]，是典型的“三傳一反”過程。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是典型的多尺度結(jié)構(gòu)，材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。過程和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了多物理場、多尺度耦合是數(shù)值模擬的技術(shù)發(fā)展方向[49]，也是當(dāng)前計算機(jī)輔助工藝模擬技術(shù)的難點，體現(xiàn)在以下兩個方面。首先是建立多物理場、多尺度耦合的物理模型，這種模型是建立在對物理過程機(jī)理詳盡掌握的基礎(chǔ)上的，需要對工藝過程中的各種因素及其相互影響的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行基礎(chǔ)研究，考察多物理場參數(shù)在時間和空間的多尺度作用機(jī)理[50－51]。其次是開發(fā)多尺度數(shù)學(xué)計算方法[52－55]，提高計算效率，同時保證模擬精度。

當(dāng)然，上述三個方面不是封閉的，而是相互開放，是依托計算機(jī)技術(shù)的CAE并行集成設(shè)計制造技術(shù)。

4.2 低成本碳纖維技術(shù)

碳纖維價格昂貴眾所周知。為了降低成本，許多大型碳纖維企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在大力發(fā)展低成本碳纖維技術(shù)[56]，主要從廉價原絲和低成本后續(xù)碳化工藝著手。

4.2.1 廉價原絲技術(shù)

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的成本構(gòu)成中，原絲占到總成本的51%[57]，降低原絲成本是降低碳纖維成本最直接的方法，主要是探索采用PAN以外的其它低成本原料作為碳纖維制備的原絲，包括聚烯烴類聚合物[58－59]、木質(zhì)素纖維素[60]、電紡酚醛纖維[61]、輻射丙烯酸紡織物[62]等。其中美國橡樹嶺國家實驗室碳纖維技術(shù)中心于2007年首次從纖維素乙醇副產(chǎn)物中提取α－纖維素，通過熔紡和碳化制備成低成本碳纖維，這種碳纖維就是木質(zhì)素碳纖維，其成本比聚丙烯腈基碳纖維降低20%[63]。但目前尚處于實驗室開發(fā)階段，未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

4.2.2 低成本氧化碳化技術(shù)

預(yù)氧化和碳化工序約占碳纖維成本的40%，主要是工序時間長、能耗大、能源利用率低[57]。預(yù)氧化工序在高性能碳纖維成本中所占的比例約為16%[64]，目前研究方向主要是采用新的預(yù)氧化技術(shù)降低成本，縮短預(yù)氧化工序時間。采用新型的射頻等離子體能源代替能耗大的低溫預(yù)氧化技術(shù)，既可有利于能量的節(jié)省，還有利于高速預(yù)氧化過程操作的進(jìn)行，同時有助于提高碳纖維的力學(xué)性能[58，65]。碳化工序一般在800℃以上的高溫加熱爐中進(jìn)行，目前主要采用電阻加熱方式，熱量利用率低。相比電阻加熱，微波加熱不需要熱傳導(dǎo)，其能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧訜嵛镔|(zhì)分子的能量所需的時間極短，可達(dá)到快速加熱的目的，同時也提高了熱能利用率。從而大大縮短工藝流程的時間和成本。美國橡樹嶺國家實驗室采用微波碳化技術(shù)取得了很好的效果[60]。

此外，在碳纖維低成本技術(shù)沒有取得根本性突破之前，發(fā)展適合汽車工業(yè)的大絲束碳纖維和混雜纖維增強(qiáng)技術(shù)，也是降低汽車用碳纖維成本的捷徑之一。

4.3 高效成型制造技術(shù)

熱壓罐成型工藝由于能夠提供較高的產(chǎn)品質(zhì)量，可成型不同尺寸的復(fù)合材料制品，長期以來一直是航空航天復(fù)合材料的主要成型技術(shù)[66－67]，但該工藝成型周期長，制造成本高。對于汽車用復(fù)合材料，液體模塑工藝和罐外熱壓成型技術(shù)因具有高效率、低成本以及容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，被認(rèn)為是極具潛力的快速成型技術(shù)[68－72]。

4.3.1 快速液體模塑成型技術(shù)

快速注射與固化 樹脂傳遞模塑(RTM)工藝是主要的液體模塑成型技術(shù)之一。傳統(tǒng)的RTM工藝過程可分為4個階段:包括纖維鋪放，樹脂注射、浸漬，樹脂固化，脫模?？偟某尚蜁r間一般在2 h以上，如圖6所示[73]。為縮短RTM成型周期，核心是開發(fā)快速固化的樹脂體系和快速注射技術(shù)。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的支持下，東麗公司的T.KAMAE等人通過在環(huán)氧樹脂體系中添加小分子醇類鏈轉(zhuǎn)移劑，得到了能夠在105℃下5 min完成固化的樹脂體系。在此樹脂體系基礎(chǔ)上，日本東麗公司采用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化注射工藝，采用多澆口注射技術(shù)將注射時間縮短到3 min以內(nèi)(圖7)，使整個RTM工藝的成型周期縮短至10 min，并成功制備了一體式碳纖維復(fù)合材料車架[73－74]。

圖6 RTM工藝成型時間分布Fig.6 RTM Process time distribution of shaping

圖7 多澆口注射工藝示意圖Fig.7 schematic diagram of Multiple gate injection process

值得注意的是，對于快速RTM工藝必須縮短加熱時間，極短的凝膠時間對注射過程控制帶來困難[75]。另外，多澆口注射會帶來不同澆口樹脂流動前鋒熔接的問題，特別是對熱塑性樹脂尤其重要，易形成“熔接痕”缺陷，造成較高的內(nèi)殘余應(yīng)力，是非常重要的質(zhì)量控制指標(biāo)之一。

快速加熱和冷卻技術(shù) 為了縮短成型周期，對模具和纖維進(jìn)行預(yù)熱是液體成型工藝經(jīng)常采用的方法[76－80]。纖維和模具預(yù)熱雖然有利于縮短樹脂注射和固化的時間，但樹脂在較高溫度下的凝膠時間短，增加了工藝控制的難度。同時，由于樹脂在流動方向上的受熱歷史不同，會引起流動方向上樹脂的固化不均勻，造成熱收縮殘余應(yīng)力，降低制品尺寸精度和力學(xué)性能。因此，改進(jìn)加熱技術(shù)，提高加熱速度，實現(xiàn)低溫注射，然后快速升溫至固化溫度完成固化和冷卻定型，是進(jìn)一步改進(jìn)快速RTM工藝的技術(shù)途徑。

法國Loctool公司采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)對RTM模具進(jìn)行快速加熱，實現(xiàn)5～10℃/s的加熱速率，同時采用模具內(nèi)置冷卻管道的方法，達(dá)到5℃/s的快速冷卻速率，如圖8所示[81]。之所以能實現(xiàn)如此快的加熱和冷卻速率，主要源于感應(yīng)加熱的集膚和鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)是指感應(yīng)渦流主要集中在模具型腔表面，而在內(nèi)部很弱，在芯部則接近于零。鄰近效應(yīng)指在靠得很近的兩平行板上施加方向相反的高頻電流，則感應(yīng)渦流會集中在兩相鄰平行板的表面。也就是說這種加熱技術(shù)只對模具表面加熱，而模具內(nèi)部不加熱或輕微加熱，而且加熱過程不依賴于模具本身的熱傳導(dǎo)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)瞬態(tài)加熱和冷卻[82－84]。急冷急熱工藝可極大地提高生產(chǎn)效率，同時也可能造成暴聚、翹曲、孔隙等制造缺陷，給質(zhì)量控制帶來困難。

圖8 電磁感應(yīng)快速加熱RTM模具Fig.8 Electromagnetic induction heating RTM die

高壓RTM技術(shù) 高壓RTM技術(shù)是實現(xiàn)快速注射的有效途徑之一。該技術(shù)的核心是在線高壓混合與注射，壓力高達(dá)10 MPa，并且實現(xiàn)在線高壓計量[85]。輔以合理的澆口設(shè)計，通過高壓注射技術(shù)，可以將RTM工藝的注射時間從幾十分鐘縮短至數(shù)分鐘甚至更短。由于是高壓浸漬，改善了樹脂和纖維的浸漬效果，降低制品孔隙率，同時還具有較高的表面質(zhì)量[86－87]。高壓RTM技術(shù)也有一些不利因素，如纖維預(yù)成型體的沖刷變形、工藝過程控制難度增大、設(shè)備昂貴等[88－90]?？傮w上看，高壓RTM技術(shù)是極具應(yīng)用前景的復(fù)合材料高效制備技術(shù)，雖然一次性投資較高，但對于汽車工業(yè)這種規(guī)模化生產(chǎn)的行業(yè)，這種技術(shù)的應(yīng)用前景是可以預(yù)期的。

4.3.2 罐外熱壓成型技術(shù)

為克服熱壓罐技術(shù)帶來的高昂制造成本，熱壓機(jī)成型技術(shù)是一種理想的罐外熱壓工藝，可大幅度縮短成型周期，易于實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)[91－93]。有望成為各類大面積汽車覆蓋件的重要成型技術(shù)，目前用于熱壓工藝的復(fù)合材料體系開發(fā)非?；钴S。

中低溫快速固化的熱固性樹脂預(yù)浸料是快速熱壓成型的關(guān)鍵。在滿足中低溫快速固化的同時，為確保成型質(zhì)量和良好的工藝性，該預(yù)浸料在溫壓環(huán)境下還應(yīng)具有一定的流動性、較少的揮發(fā)性組份以及良好的鋪覆性。在快速固化工藝下樹脂基體還應(yīng)具有較高的韌性，以保證制品的抗沖擊性能[94]。美國Hexcel公司開發(fā)了快速固化預(yù)浸料，是批量化生產(chǎn)的專用產(chǎn)品[95]。據(jù)介紹，該預(yù)浸料可以實現(xiàn)150℃下2 min固化。日本三菱公司也開發(fā)了適用于快速固化工藝的大絲束預(yù)浸料，可以實現(xiàn)140℃下3 min完成固化。

Jun[92]等人最近提出了一種新型復(fù)合材料熱壓成型工藝，工藝流程如圖9所示。和傳統(tǒng)熱壓工藝不同，該工藝以已經(jīng)固化的復(fù)合材料片材為預(yù)成型體(如文獻(xiàn)中0.3 mm和0.5 mm兩種厚度)，將其置于兩個軟鋼材質(zhì)的片材之間，金屬片材除了對復(fù)合材料進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱外，還在沖壓過程中對復(fù)合材料提供保護(hù)，防止復(fù)合材料在沖壓過程中發(fā)生磨損和位移，而且金屬片材可以重復(fù)使用。這種工藝類似于金屬片材的沖壓成型，甚至可以在室溫下沖壓成型，其生產(chǎn)效率是顯而易見的。但這種工藝的前提是要有滿足工藝條件的復(fù)合材料片材，而且復(fù)合材料片材的生產(chǎn)效率至少應(yīng)能夠和該工藝的生產(chǎn)速率相比。

圖9 軟鋼金屬片作為保護(hù)和加熱模板的熱沖壓工藝Fig.9 Hot stamping processwith mild steel sheet metal as protection and heating template

另外，熱塑性樹脂與碳纖維的預(yù)混料或混纖也是該技術(shù)領(lǐng)域非常有前景的一類新材料[96－98]。N.Bernet[99]等人以單向碳纖維和尼龍12混纖織物為預(yù)成型體，研究了熱沖壓工藝參數(shù)(溫度、加壓時間、壓力等)和預(yù)成型片材固結(jié)程度對制品孔隙率的影響，表明制品的孔隙率可以控制在0.5%以內(nèi)。Wakeman[100]等人以碳纖維增強(qiáng)尼龍12片材為預(yù)成型體，采用熱沖壓方法成型復(fù)合材料制件。研究表明，以混纖編織物或RTM工藝制備的層板為預(yù)成型體，采用熱沖壓工藝制備復(fù)合材料制件，生產(chǎn)周期可以縮短至90 s/件。

4.4 材料循環(huán)利用技術(shù)

迫于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的壓力，各國普遍重視汽車材料的回收利用。歐盟、美國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都對汽車零部件的循環(huán)利用提出了明確要求。比如歐盟的2005/64/EC提出到2010年歐盟成員國的汽車材料回收利用率要達(dá)到95%以上。這就要求必須解決零部件的綠色制造和循環(huán)利用問題。事實上，早在20世紀(jì)90年代初期，工業(yè)界就非常重視碳纖維復(fù)合材料的回收利用問題。2006年成立的飛機(jī)回收協(xié)會(Aircraft Fleet Recycling Association，簡為AFRA)是由世界最大的飛機(jī)制造商美國波音公司與勞斯萊斯、牛津大學(xué)、北歐航空等45個從事飛機(jī)回收加工及研究的機(jī)構(gòu)發(fā)起成立的行業(yè)組織，其職責(zé)就是為這些舊飛機(jī)找到一種在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益方面最合理、有效的出路。專業(yè)從事碳回收的Milled Carbon公司也是飛機(jī)回收協(xié)會的創(chuàng)辦者之一。

碳纖維復(fù)合材料回收利用技術(shù)主要有以下3種[101－103]:機(jī)械回收、熱解回收和化學(xué)處理回收。機(jī)械回收是將碳纖維復(fù)合材料部件粉碎為5～10 mm的粒子，用于非結(jié)構(gòu)件中，比如作為填充料用于SMC或者BMC(Bulk Molding Compounds)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳酸鹽類礦物填料。和碳酸鹽類礦物填料相比，回收復(fù)合材料顆粒具有更低的密度。這種回收方法技術(shù)上比較成熟，但是碳纖維的回收利用效率較低。

高溫?zé)峤夂驼婵蛰o助高溫?zé)峤馐莾煞N最主要的熱解回收技術(shù)[104－105]。Milled Carbon公司核心的處理操作是通過高溫分解將碳纖維從樹脂中分離出來，即在缺氧條件下加熱待回收材料到一定的高溫使樹脂熔化，把纖維和填料以及其它相關(guān)材料分離出來。波音等公司的測試表明，回收的纖維保持了原始材料80%至90%的機(jī)械性能。但是，熱解回收技術(shù)對于含有金屬嵌件的復(fù)合材料制件是不適用的，這是該技術(shù)的一個不足。

化學(xué)裂解技術(shù)是采用化學(xué)物質(zhì)作為處理劑，在熱和力的作用下，促進(jìn)樹脂裂解，破壞其交聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終形成小分子物質(zhì)，達(dá)到回收碳纖維的目的。蘭博基尼先進(jìn)復(fù)合材料研究室采用硫酸作為處理劑[106]，研究了帶嵌件碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)裂解回收利用技術(shù)。圖10是帶嵌件碳纖維復(fù)合材料部件化學(xué)回收示意圖。圖11是掃描電鏡下回收纖維的表面形貌，可以看到纖維表面光滑干凈，基本沒有樹脂殘留，回收效果良好。該項技術(shù)可以回收得到連續(xù)長纖維，用于承力結(jié)構(gòu)部件，這也是降低碳纖維成本的有效途徑。

圖10 酸化裂解回收帶嵌件碳纖維復(fù)合材料部件Fig.10 The carbon fiber composite parts of acid splitting recovery with insert

圖11 回收碳纖維的掃描電鏡表面形貌Fig.11 The surface morphology of SEM of recovery carbon fibers

5 結(jié)語

復(fù)合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用表明，復(fù)合材料是汽車輕量化的重要支撐材料之一，具有令人期待的發(fā)展前景[107]。但是，ACM在汽車工業(yè)的批量化應(yīng)用仍然面臨一些技術(shù)難題。針對一些關(guān)鍵技術(shù)，比如快速成型技術(shù)、整體化設(shè)計技術(shù)、碳纖維回收再利用技術(shù)等，許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在進(jìn)行研究，取得了一定進(jìn)展，使先進(jìn)復(fù)合材料在汽車工業(yè)批量化應(yīng)用的前景更加明朗。相比歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，國內(nèi)對車用ACM的研發(fā)相對不足。但可以借鑒航空工業(yè)比較成熟的復(fù)合材料技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗，開展車用復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研究，以支撐我國汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時，推動ACM在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用上升到一個新的水平。

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