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热点透视
汽车复合材料的回顾和展望
胡培/文 2014/10/29
近几年,全球汽车工业的发展主要源于新兴市场产量的激增,尤其是中国。中国不再简单的作为西方的世界工厂,过去取得的经济成就也带动了国内消费和服务业的兴起。汽车消费的发展就是一个强有力的佐证。世界上,几乎所有的汽车公司都在中国开设了本土工厂,这些合资工厂并非为了降低西方消费者的成本,而是为了满足中国消费者对汽车的需求。
汽车工业的发展,曾经是西方战后的经济恢复的象征,如今也成为中国等新兴国家经济实力的表现。预计,到了2015年,世界上每两部汽车,就有一部在亚洲制造,即使不包括日本。中国生产的汽车比北美、日本和德国加起来的产量还要多。
 
过去60年汽车复合材料发展缓慢
 
复合材料在汽车领域已经有了一段很长的历史,可以追溯到20世纪50年代,主要用于汽车非结构部件,例如硬质车顶;从70~80年代开始,越来越多的采用热塑性复合材料生产汽车内饰以及用热固性复合材料制造次结构件,例如保险杠的梁。由于复合材料具有很多优点,如:设计灵活、容易成型、轻质、耐腐蚀等,虽然原材料和工艺成本高于钢材和铝,在汽车领域还是获得了一些应用。喷漆以后钢汽车部件的成本大约是3~4欧元/千克,复合材料次结构件的成本大约是8~10欧元/千克。
汽车复合材料已经不再是一个小众市场。相对于复合材料的其他应用领域,汽车领域已经是其最大市场,大约占体积的20%,销售额的18%。如今,世界平均每辆乘用车,复合材料约占总重量的6%。具体随汽车的级别、地区和部件有所不同。对于所有级别的车辆,仪表板等内饰件,75%的车辆采用了复合材料,但是对于结构部件,仅仅在高端车型中有所应用。例如汽车的底盘,只有豪华车中的10%左右采用了复合材料。总的来说,复合材料的用量豪华车大约是15%,高端车大约9%,中级车6%,入门级车辆4%。另外,对于新兴市场中级车和入门级车辆,复合材料的用量通常比发达国家市场同级别车型低1%。最近,复合材料的回收越来越引起人们的关注。热固性复合材料比热塑性相比,回收的难度要大很多。所以,在现有的复合材料应用的基础上,有采用热塑性取代热固性树脂体系的趋势。
 
2010~2015年的趋势
 
近期,汽车整车厂对复合材料的兴趣不断增加。这主要源于不断严格的排放法规(将来CO2排放超标罚款)以及增加的燃油成本,这些都可以通过复合材料轻量化来实现。复合材料可以减轻重量,进而降低碳排放,抵消增加的材料费用和工艺成本。
欧洲议会2013年4月24日通过一项法律草案,要求到2020年在欧盟出售的新汽车平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克减少到95克。对于那些计划生产二氧化碳排放量超标车的欧盟厂商,草案提出了补救措施,即这些厂商必须同时生产每公里二氧化碳排放量不足50克的超清洁汽车。具体规定如下:2013年至2015年每生产1辆这样的超清洁汽车,最多可生产3.5辆超标车;2016年至2023年可生产1.5辆超标车;2024年以后可生产1辆超标车。
尽管整车厂对复合材料的兴趣有所增加,但是减少碳排放和燃油消耗的方法不仅仅是车辆减重。最经济的方法是提高燃油利用率,这可能是整车厂的首选,特别是对于中级车和入门级车辆,因为这两个级别的车辆,发动机排量常常不是购买的主要考虑因素。对于现有复合材料和金属在成本上的差距,需要一段时间,通过技术进步来弥补。例如,对于底盘这样的结构部件,加工好的钢结构的成本大约是3~4欧元/千克,但是碳纤维环氧复合材料结构的成本(基于现有材料和工艺技术)高于30欧元/千克。
不同的整车厂家最终会获得不同的解决方案,这些方案能够达成目标的程度也会有所差异。总的来看,汽车复合材料用量的增加,主要集中在量产车车身的三个领域:汽车底盘,车身覆盖件和次结构部件。这三个方面可以大幅度的提高汽车复合材料的用量。底盘的重量约占总重量的25%,是最具减重效率的部件。但是,按照预计,量产车领域的汽车复合材料用量的突破不会在2015年以前出现。在2015年前的这段时间,汽车复合材料部件的用量会有少量增加,成本会有所降低,复合材料制造厂家和整车厂对复合材料的材料和工艺进一步熟悉;同时,复合材料开始用于一些高端车型的旗舰项目,例如德国的BMW的i3、美国的Telsa电动汽车以及英国的Axon插电式混合动力汽车。
到2015年,汽车复合材料的用量会达到200万吨,增长主要来源于汽车产业的自然增长(年产量增加6%)和已经采用了复合材料的汽车部件的市场份额的增加。
 
2015~2020年的趋势
 
2015年以后,随着碳排放法规(2020年生效,并逐步严格)的临近,碳纤维成本的降低以及快速固化环氧树脂的出现,加上工艺和自动化设备的不断成熟,例如针对热固性复合材料快速制造开发的HP RTM(高压树脂转移模塑)工艺和热塑性复合材料层板热成型自动化设备的研发,到2020年,碳纤维复合材料的综合性价比会优于金属,取代金属材料,用于量产车的底盘制造,并涵盖大多数的高端车型和少量的中级车。
航空工业采用树脂传递模塑成型工艺(RTM),进行大型高强度结构件的生产,降低工艺成本。在汽车的制造过程中,也有采用RTM工艺进行零部件的生产,主要目的是为了达到更好的表面质量,但是只用于小批量生产的顶级轿车中。
德国加工机械领域的专家迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)和克劳斯玛菲公司(Krauss Maffei)共同开发了高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)的自动化生产线。这条生产系统包括预成型加工、压制过程以及修整工艺。HP-RTM工艺减少了树脂注射次数,提高了预制件的浸渍质量,并缩短了成型周期。
这几年,在复合材料领域,热塑性复合材料也备受关注。
如果采用热塑性复合材料混合结构,主要市场将是汽车内饰,包括座椅部分的组件、门侧防撞梁、汽车横向悬架梁、刹车踏板、转向柱支架、安全气囊组件和前端组件等。如果改成热固性的复合材料混合结构,可以用于结构件或者次结构件。但是,目前国外还很少有针对汽车领域的热固性复合材料混合结构包覆成型的研究和应用。
巴斯夫与西格里集团正在联合开发一种基于反应性尼龙系统和碳纤维的复合材料,以实现热塑性复合材料的低成本生产。该材料体系是为T-RTM工艺(热塑性树脂传递模塑成型工艺)以及反应注射成型工艺而准备的,以获得比传统热固性RTM工艺更短的生产循环时间。为适应这些更快速加工技术的要求而对材料系统的调整,将在采用碳纤维复合材料制成的结构部件进入汽车量产化应用的过程中发挥重要作用。
汽车复合材料的发展,结合了化工、机械制造以及汽车复合材料设计,从经济结构来看,最新突破应该源于德国,德国的工业结构结合了大多数的豪华汽车和高端车。随着碳排放法规的不断临近,复合材料在汽车行业的突破会在2015年以后,欧洲汽车行业也会是先进材料的倡导者和先行者。热塑性复合材料和热固性复合材料不存在谁替代谁的问题,因为他们的各方面性能都有所差异,快速成型和自动化都是共同的发展方向。最终汽车结构的优化一定是和金属类似,建立在多材料体系基础上的混合结构,例如包覆模塑工艺成型的部件。
 
 
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