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新型纤维复合塑料引领汽车轻量化的未来

2014/7/13

“以塑代钢”实现轻量化作为节能减排的有效手段之一,越发受到各大车企的追捧,而这一趋势也使得一些新型纤维增强复合塑料孕育而生。在近期由上海市汽车工程学会等单位举办的“汽车创新材料及工艺应用展示”中,不少企业介绍了连续纤维复合塑料、碳纤维复合塑料、天然纤维复合塑料在汽车中的应用,并表示,虽然这些新型材料在应用中遇到了诸多问题,但只要将正确的材料应用在正确的地方,并配合以正确的设计与工艺制造,从中便能看到汽车轻量化发展的未来。

探索新型纤维复合塑料

汽车在“以塑代钢”的过程中,必须满足材料的强度性能要求,而纤维增强型复合塑料很好地让塑料在实现减重的同时,也能满足强度性能要求,在汽车中已经得到了广泛应用。

据Celanese技术经理祁源介绍,相比短纤维复合塑料,由于长纤维复合塑料具有更好的低温抗载荷能力,因此在汽车中的应用更为广泛,也是目前汽车行业应用较为成熟的纤维复合材料。然而,随着材料技术的不断发展,不少厂家正在寻求连续纤维增强复合塑料在汽车中的应用。

如Celanese研发了一款连续玻纤增强型复合胶带,该材料如同胶带一样薄,只需将其贴在需要的地方,便能实现局部增强的作用。不难想象,在“以塑代钢”的过程中,若有哪些部件达不到强度要求,只需贴上一张“胶带”即可。祁源表示,目前该新型材料仅处于起步阶段,Celanese在国外已与奥迪、福特等厂商进行合作,但国内的整车厂还处于观望状态,或许没有人愿意当“小白鼠”,在国内针对该材料的合作项目甚少。

同样,山东双一集团也在进一步探索连续纤维复合塑料在汽车中的应用。据山东双一集团北京分公司总经理杨涛介绍,他们将连续纤维以织物的形式制成部件,可以对连续纤维进行单向、平纹、斜纹以及多轴向的编织,而织物状态更有助于产品生产质量的平稳。

除了连续纤维复合塑料,碳纤维复合塑料也是最近比较热门的新型复合塑料。但由于碳纤维自身价格昂贵,且采用的生产工艺效率不高,制约了其在汽车上的大量应用。另外,杨涛指出,国内缺乏本土化碳纤维原材料供应商,货源的紧缺也成了阻碍碳纤维在汽车上应用的一大因素。

“比如,宝马与西格里碳素公司(SLG Carbon)合作,宝马便对该公司的碳纤维进行了垄断,在国内即使有相关的技术,但也买不到相关的碳纤维原丝以及相关标准。”杨涛说,“国外通过消耗原材料策略,可能使得2016年我国国内出现碳纤维货源紧缺现象。因此,目前国内亟须实现碳纤维原丝本土化生产。”

除此之外,随着人们保护环境意识的日益增长,各种天然纤维也逐步进入了汽车领域。汽车用天然纤维主要是指植物纤维,如洋麻、大麻、亚麻、黄麻和剑麻等麻纤维及椰壳纤维等。

据杨涛介绍,天然纤维复合塑料的密度十分低,减重效果比普通纤维复合材料更明显。同时,由于其可生物降解的特性,对于环境更为友好,再加上其热塑性能好,诸多优势使得其在汽车制造中的作用越来越大,应用范围也越来越广,成为目前汽车塑料,特别是内饰塑料发展的一大趋势。

正确的材料用在正确的地方

展会中,中国汽车工程学会陈一龙表示,正确的材料要用正确的技术,正确的材料要用在正确的地方,这是选材设计的原则。这句话看起来简单,但做起来实为不易。

杨涛也表示,目前不少整车厂以及供应商都在不断探索新型材料在汽车上的应用,但如何将新型材料应用得当是值得大家探讨并研究的。以碳纤维复合塑料为例,虽然它具有种种性能上的优势,但毕竟自身价格昂贵,如果某个部件的强度使用玻璃纤维复合塑料能够达到,就完全没有必要去使用碳纤维复合塑料来代替。

那么,碳纤维复合塑料由于其高昂的成本,是否只能用在高端跑车上呢?对此,杨涛表示,其实,碳纤维复合塑料可以应用在新能源汽车上。由于碳纤维复合塑料在保证强度的同时,减重效果明显,就可以相对减少新能源汽车的电池成本,从综合成本来看,相差并不大。

事实上,国外对于碳纤维在新能源车上的应用已经走在了时代的前沿。去年,宝马发布的i3纯电动车便大量应用了碳纤维复合材料,它是碳纤维复合材料在新能源车上应用并市场化的代表。但杨涛表示,国内没有一家整车厂在新能源车上应用碳纤维复合材料,因为没有人敢做“第一个吃螃蟹的人”。

工艺创新与材料创新密不可分

陈一龙指出,对于汽车轻量化,设计是龙头,材料是基础,制造是纽带。汽车轻量化需要产品创新,同时需要制造工艺创新。而我国汽车工业开发建设进步迟缓,很大的一个原因在于我国只注重产品创新,而不注重制造工艺的创新。

确实,目前连续纤维复合塑料、碳纤维复合塑料无法得到普及,除了成本问题,制造工艺也是一大阻碍。如热固性连续纤维复合塑料虽然能满足主承力件的强度要求,但其生产周期长,难以实现批量生产。又如,前面提到的Celanese研发的连续玻纤增强型复合胶带,该材料目前还是使用手工贴合,耗时耗力。目前,Celanese正在进行进一步的工艺优化。

当然,也有不少供应商在进行制造工艺上的创新研究,并有了一定突破。如三菱综合材料管理(上海)有限公司研发了碳纤维材料切削加工用刀具。碳纤维复合塑料非常硬,刀具容易磨损;加工时,材料中的树脂部分强度低,材料容易产生毛刺、分层,且树脂耐热温度低,不适合高速加工。为此,该公司研发了带有金刚石涂层的切削刀具,且客户可以定制带有冷却孔的产品,这一创新制造工艺解决了碳纤维复合塑料难加工的问题。(见习记者 阮希琼)

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