更輕更靈活的解決方案：車用復合材料

Frost & Sullivan公司在2012年發(fā)表的一份報告中指出，車用碳纖維復合材料的市場價值到2017年可能會增長到9550萬美元，年復合增長率（CAGR）達30.6%。這份題為《車用碳纖維復合材料市場供應鏈分析》（Supply Chain Analysis of the Automotive Carbon Fiber Composites Market）的研究報告指出，2010年這一市場的總收入已經(jīng)達到了1470萬美元。Frost & Sullivan表示，燃油效率和低碳排放法規(guī)在促進車用輕量復合材料部件替代金屬部件方面發(fā)揮了重要作用。



Frost & Sullivan的資深研究分析師Sandeepan Mondal預計，熱塑性塑料比熱固性材料更有優(yōu)勢，因為它們比熱固性塑料更容易回收。由于廢棄物法規(guī)和零部件回收的能力對材料選擇的影響越來越大，這一點就變得加重要了。

市場對這兩種材料的巨大需求成為兩宗重大收購事件的主要推動因素。最近的一次發(fā)生于2013年1月，荷蘭TenCate公司表示即將收購Amber復合材料公司（Amber Composites）。這家荷蘭公司發(fā)表了一份聲明說：“全球復合材料市場的一個主要組成部分就是熱固性材料，TenCate在這一市場的主要業(yè)務集中于航空、航天和雷達整流罩的應用領域。”

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TenCate補充說：“收購Amber復合材料公司將幫助我們加快在歐洲熱固性復合材料市場的業(yè)務推進。因此，收購Amber后，TenCate在歐洲的熱固性和熱塑性復合材料領域及其主要下游市場——工業(yè)和車用復合材料、模具材料和航空航天市場——增大了市場占有率。”



第二宗收購在2012年，Cytec收購了Umeco。Cytec工業(yè)材料公司（Cytec Industrial Materials）全球汽車市場經(jīng)理Alexander Aucken說：“這次收購有助于我們實現(xiàn)在工業(yè)材料（包括汽車）市場設定的增長目標，這一市場擁有巨大的增長潛力和價值創(chuàng)造空間。”

在收購完成之前，氰特已經(jīng)像他所說的“擁有熱固性和熱塑性復合材料的全系列產(chǎn)品。” Umeco的生產(chǎn)能力將有助于氰特發(fā)展和擴大它的產(chǎn)品系列。



Aucken沒有透露氰特在車用熱塑性塑料和熱固性塑料方面的發(fā)展策略。但是他說：“我們在工業(yè)汽車市場的戰(zhàn)略規(guī)劃制定地非常周詳，而且進展順利。我們與捷豹路虎（Jaguar Land Rover）的聯(lián)盟是該戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分。汽車市場不斷變化，我們在高端汽車和賽車市場供應先進復合材料的悠久歷史正在延續(xù)，并且還在不斷開發(fā)新的復合材料以滿足市場的需求。適于量產(chǎn)的材料、生產(chǎn)工藝和自動化工藝的開發(fā)，以及供應鏈的集中管理，是我們未來在這一市場與捷豹路虎以及其他與我們合作的汽車公司共同增長的基石。”



Aucken認為，隨著汽車工業(yè)在復合材料設計和生產(chǎn)方面不斷獲取經(jīng)驗，復合材料的使用以及對結(jié)構(gòu)一體化的需求將會越來越多。把正確的材料應用到正確的應用中，再把他們連接起來，也就是采用相互匹配的模具、熱固性復合材料（預浸料模壓成型和樹脂傳遞成型/RTM）及熱塑性復合材料。這種做法讓多材料汽車解決方案逐漸成為行業(yè)規(guī)范。

優(yōu)點和缺點

同時擁有熱固性和熱塑性材料兩方面的經(jīng)驗一定會給Cytec和TenCat帶來巨大的幫助，因為有些設計者喜歡用熱固性材料，而有些喜歡用熱塑性材料。亨斯邁先進材料公司（?Huntsman Advanced Materials）的市場經(jīng)理Klaus Ritter解釋說，部件設計的過程通常也是評估每種復合材料的好處和壞處的過程。

“熱塑性復合材料具有三大優(yōu)勢。”Ritter說，“首先，熱塑性塑料加強的抗沖擊性能是熱固性復合材料無法匹敵的。熱塑性塑料可以加快預浸漬纖維材料的加工速度，最重要的是，它擁有隨時進行產(chǎn)品重塑的能力。但是，由于熱塑性塑料原本是固態(tài)的，纖維的浸潤比較困難。浸潤需要用到特殊的技術(shù)和設備。這相對地提高了預浸漬的成本，而加工所需溫度較高，也增加了日常生產(chǎn)成本。”
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Ritter繼續(xù)說到：“熱塑性塑料的其他缺點包括其蠕變性和較高的內(nèi)部張力，這是由于熱塑性塑料和增強纖維從很高的加工溫度冷卻下來時，它們之間不同的熱膨脹引起的。而單向增強件的問題就比較小，復雜的三維形狀就存在很大的問題，還會導致表面質(zhì)量的下降。”

“熱固性復合材料的加工時間通常比較長，現(xiàn)在可以采用熱壓罐外高壓RTM（樹脂傳遞成型）快速成型方法實現(xiàn)五分鐘循環(huán)（一分鐘注射，兩分鐘固化），對于不太復雜的壓塑成型操作，每個部件只需要兩分鐘（固化只需要一分鐘）。”他說。

據(jù)Ritter介紹，在結(jié)構(gòu)應用中，纖維增強環(huán)氧樹脂制成的熱固性復合材料的機械性能和抗腐蝕性能“甚至比金屬部件還要高，重量則比金屬輕得多。熱固性復合材料良好的纖維浸潤性能和相對較低的加工溫度有助于降低投資成本，并保持最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和機械性能。”

Ritter稱，熱固性復合材料具有最低的蠕變變形，它們“將外形和功能結(jié)合在一起，制造出非常輕的結(jié)構(gòu)部件。無論汽車零部件是碳纖維外觀還是噴涂表面，都可以得到非常好的表面質(zhì)量。然而，毒性問題通常被看作幾種熱固性材料系統(tǒng)的一個缺點。”

據(jù)邁圖專用化學品公司（Momentive Specialty Chemicals）全球運輸市場部總監(jiān)Francis Defoor說，熱固性或熱塑性材料哪種更好，這個提問本身就是錯誤的。他說，“這是一個比簡單地選擇一種樹脂和一種增強材料更為復雜的問題。要根據(jù)特定的應用和環(huán)境選擇合適的材料。材料的選擇取決于你是需要一個很好的裝飾部件還是結(jié)構(gòu)部件；是要適應特定的幾何形狀還是滿足特定的成本目標。”

Defoor贊同傳統(tǒng)熱固性樹脂需要長時間固化的說法，但是現(xiàn)在可以實現(xiàn)兩分鐘一次的加工周期，且不犧牲其他性能。在一篇標題為《下一代車用復合材料結(jié)構(gòu)量產(chǎn)用先進熱固性基體樹脂技術(shù)》（Advanced Thermosetting Resin Matrix Technology for Next Generation High Volume Manufactureof Automotive Composite Structures）的論文中，Roman W. Hillermeier博士、Tareq Hasson博士、Lars Friedrich?和Cedric Ball認為，環(huán)氧復合材料可以與傳統(tǒng)材料去競爭的，例如鋼和鋁。 123,123

在這篇文章的摘要中，作者們稱：“…新技術(shù)是獨一無二的，因為它們具有足夠長的注射加工窗口，可以很好地浸潤增強纖維，同時還可以實現(xiàn)極短的固化周期。這項研究的結(jié)果表明，采用現(xiàn)在的創(chuàng)新樹脂材料和加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)復合材料部件能夠以較低的成本進行大批量生產(chǎn)。”邁圖公司表示，新推出的快速固化系統(tǒng)EpikoteTM Binder 05475/Epikure 05500固化劑，能夠借助RTM或液體壓縮成型工藝幫助汽車制造商實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。

塞拉尼斯公司（Celanese）的工程塑料業(yè)務泰科納（Ticona）認為，熱塑性塑料帶是減輕重量的關(guān)鍵。

在2012年JEC美國復合材料展覽會上，泰科納的技術(shù)投放經(jīng)理（technology launch manager）Michael Ruby發(fā)表了一篇關(guān)于玻纖增強熱塑性復合材料單向帶的技術(shù)文章，文章的題目為《采用單向織物和單向?qū)訅簬岣逥-LFT復合材料的沖擊性能》（Improving impact performance in D-LFT composites with UD-Tape based fabrics & laminates），該文概括了泰科納在汽車車身底板護罩（underbody shield，英文簡稱UBS）方面的研究，描述了提高復合材料硬度/強度和抗沖擊性能的方法，即采用連續(xù)原絲、玻纖增強熱塑性復合材料單向帶生產(chǎn)纖維織物以及定制層壓坯料。 123456

泰科納認為，熱塑性聚合物與連續(xù)纖維復合材料結(jié)合使用，可以生產(chǎn)出輕量且耐用的部件。泰科納說，這些部件能夠減輕重量、降低成本，而且能夠在極端環(huán)境下使用。

該公司開發(fā)了一種采用長纖維增強熱塑性復合材料在線配混技術(shù)（D-LFT）制成的汽車車身底板護罩。所用復合材料采用連續(xù)纖維半成品織物和層壓材料增強，以提高硬度和抗沖擊性能。

碳纖維

企業(yè)之間競爭的增強和更快的固化周期很可能會促使更多的汽車設計者采用增強聚合物。部件的整合已經(jīng)進行了很多年。正如Axon汽車公司（Axon Automotive）正在證實的，此領域內(nèi)還有很多工作可做。

英國公司Axon開發(fā)了一種城市汽車，這款B級車尺寸的車型大小非常接近于雪鐵龍C1，但是據(jù)說整個車身框架的重量只有50公斤。

輕型汽車可以將油耗和尾氣排放降到最低，市場對輕型汽車的需求促使該公司開發(fā)了“黑車身”碳纖維復合材料系統(tǒng)。據(jù)說，一輛城市汽車的“黑車身”系統(tǒng)僅重50公斤；一輛中型轎車則僅重80公斤。Axon還說，能夠快速建立經(jīng)濟性汽車平臺的方法，還有可以隨著需求變化而增加的最佳初始產(chǎn)量有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?123456

“結(jié)構(gòu)整合度越高，需要制造的部件就越少。”Axon公司總經(jīng)理Steve Cousins解釋說。

Cousins說，在一副經(jīng)典的白車身中有350個部件，而Axon公司的黑車身中的部件數(shù)量則較少，制造速度要快得多。據(jù)Cousins介紹，一個3米高的橫梁只需要10分鐘的灌注成型時間。

Axon采用Axontex技術(shù)制造非常輕但強度和硬度非常高的復合材料結(jié)構(gòu)梁。該公司表示這一系統(tǒng)不僅能夠滿足所有的硬度和碰撞標準，而且可以在外部車身板中采用任何你所需要的材料，從鋼材到熱塑性塑料以及介于兩者之間的任何材料。該公司與斯高特巴德（Scott Bader）合作開發(fā)的碳纖維復合材料樹脂系統(tǒng)Crestapol 1250 LV已被用于其城市汽車的車身框架中，用以實現(xiàn)更低的成本和更高的強度。

福特汽車公司也在使用碳纖維材料，該公司正與陶氏汽車系統(tǒng)（Dow Automotive Systems）合作研究先進的碳纖維復合材料在量產(chǎn)車中的應用。福特公司提高燃油效率戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一就是，到2020年，將新的汽車和卡車重量減少750磅（約340公斤）。

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福特公司首席技術(shù)官和副總裁Paul Mascarenas解釋說，有兩種方法可以減少汽車的耗油量：研究和創(chuàng)新。他們正在“研究如何提高燃油到動力的轉(zhuǎn)化效率，以及降低動力傳動系需要做的功。”

“福特主要通過減小發(fā)動機和電氣設備的尺寸來解決轉(zhuǎn)化問題，而整備質(zhì)量的降低和動力學性能的提高才是降低能耗的關(guān)鍵。＂他說，＂福特正在對一系列新的材料、改進的設計流程和新的制造技術(shù)進行調(diào)查，它們能夠令汽車滿足日益嚴格的安全和質(zhì)量標準，同時減輕重量。”

“我們通過使用輕量高強度的聚合物和結(jié)構(gòu)連接技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展，因此與福特公司的合作順理成章。”陶氏汽車系統(tǒng)研發(fā)總監(jiān)Florian Schattenmann補充說。

陶氏汽車和福特公司已經(jīng)簽訂了一份合作開發(fā)協(xié)議，雙方將在幾個領域內(nèi)展開合作，攜手研發(fā)。這個研發(fā)團隊將致力于建立一個經(jīng)濟的車用碳纖維資源，并開發(fā)適合量產(chǎn)車的零部件制造方法。這次合作將結(jié)合協(xié)議雙方最突出的優(yōu)勢，包括福特在設計、工藝和量產(chǎn)車生產(chǎn)上的能力和經(jīng)驗，以及陶氏汽車在研發(fā)、材料科學和聚合物量化加工方面的優(yōu)勢。

這次的聯(lián)合開發(fā)還將利用陶氏化學公司通過與土耳其碳纖維生產(chǎn)商AKSA以及美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的合作所展開的研究工作。

如果這次的合作能夠獲得成功，那么碳纖維零部件可能會在本世紀后期出現(xiàn)在福特的新車中。產(chǎn)品開發(fā)團隊的目標就是滿足50 mpg（英里/加侖）以上的新燃油效率標準，以及延長電動汽車的里程。

回收

現(xiàn)在設計者們在聚合物和增強材料的選擇上非常挑剔。但是，位于英國Bristol市的國家復合材料中心（National Composites Centre）的業(yè)務支持工程師Nigel Keen說，相比于可回收的特性，加工速度才是目前對熱塑性塑料最有利的因素。因為現(xiàn)在無論是熱塑性塑料還是熱固性塑料，都有了符合歐盟標準的回收解決方案。然而，回收仍然是一個難題，盡管汽車制造商在進行零部件設計時都已經(jīng)考慮了這個問題。 copyright 123456

據(jù)說，采用熱固性材料可以實現(xiàn)百分之百的回收。Eco-Wolf公司市場銷售部經(jīng)理Bruce Ogilvy說，該公司的回收系統(tǒng)會變得越來越受歡迎，因為汽車行業(yè)面臨著一個壓力，那就是如何證明由熱固性材料制造的零部件存在可行的回收方法。

“隨著原材料成本不斷增加，垃圾填埋的相關(guān)法規(guī)不斷發(fā)展，對廢棄物重新利用的能力變得越來越有吸引力。”Ogilvy說，“然而起初，用回收材料替代一定比例的純料所節(jié)約的成本并不理想。因為，當垃圾填埋的成本降低時，其他的相關(guān)花費卻增加了，所以，所降低的成本就成了主要的考慮因素。我們目前正與一些公司合作建立纖維回收工廠，既回收玻纖增強材料，也回收碳纖維復合材料。“

Eco-Wolf公司的回收系統(tǒng)主要包括兩部分，一個是Eco粉碎機（Eco-Grinder），這臺設備結(jié)構(gòu)堅固，其專門的設計可在應對材料磨蝕性的同時保持玻纖或其他天然纖維的完整性。這使纖維得以重新添加到新產(chǎn)品中。 123,123

第二部分是一臺Eco分散浸潤機（Eco-Dispensing Macerator）。這是一臺氣動設備，可以將來自Eco粉碎機的材料計量后輸送到已有的分散設備中，并從那里根據(jù)操作員的要求注射到樹脂流中。Eco-Wolf公司提供一種適配器，可以重新利用廢料而不改變樹脂系統(tǒng)。

Ogilvy說Eco-Wolf“開發(fā)了一種獨一無二的碳纖維加工方法，因為在碳纖維回收過程中無需進行加熱，因此不會顯著降低碳纖維的拉伸強度。”最終，設計者可能會被迫作出妥協(xié)。這是因為，聚合物和碳纖維材料的選擇可能會在某種程度上取決于工藝實現(xiàn)自動化的難易程度。此外，盡管固化時間在某些工藝中已經(jīng)縮短，但是在汽車工廠內(nèi)引入一種新的復合材料生產(chǎn)工藝并不是簡單地找出所有變量，例如設計、材料、尺寸和成本，就可以了。對于二次工藝的影響也必須有深入地了解，例如噴涂工藝。看著汽車制造商如何實現(xiàn)未來的減重目標是一件很有意思的事。