复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)

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复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)

六,开发的技术要点和存在的问题

如何将碳纤维复合材料引入汽车系列产品尤其是电动汽车系列产品是我标签17们必须考虑的关键步骤,要知道,现今的汽车是各种功能型材料的完美组合体。碳纤维复合材料应用于车身的优点显而易见,然而目前成本居高不下;玻璃纤维价格低,技术成熟,在性能方面具有较好的断裂应力应变能力,但缺乏刚性。可以考虑将两种材料复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)按适当比例混合成复合材料,综合两种纤维材料的性能,从而减少碳纤维的用量,降低成本。

尽管全碳纤维方案在当前技术水平下应用于普通汽车存在多重阻力,而且把如此全新的技术引进到白车身技术,并进行规模化标签3生产也有巨大风险,但是这个风险会随着碳纤维复合材料工艺及应用的日趋成熟而降低。碳纤维复合材料在汽车行业的引进应该是一个企业的决策者从少量小型、非关键部件的首次引进,应用于汽车系列产品,并使其发展的、不断改进、成熟的最终结果。

6.1 开发的技术要点

1)低成本材料体系

开发低成本的材料体系,核心是开发低成本碳纤维。要使碳纤维价格降到11 美元/kg以下,这一目标目前尚难达到。碳纤维生产中需2~2.5kg原丝才能碳化出1kg碳纤维丝,聚丙烯腈(PAN)原丝要占碳纤维成本的50%~60%,继续降低成本难度很大。如国产T700量级的12k碳纤维成本约150元/kg左右,要降到100元/kg以下难度可想而知。

国际上已开始向该方向努力,主要集中在低成本原丝技术的开发上,例如SGL与日本碳纤维生产厂家三菱丽阳公司合作,组建专门生产低成本碳纤维的工厂,用于汽车用先进复合材料的制造,并在德国组建复合材料制造厂,在德国组装成车;世界上最大的碳纤维生产厂家-日本东丽(Toray)公司于2008年投资2430万美元建立起汽车中心AMC(Automotive Center),并于2009年4月与戴姆勒(Daimler)汽车公司签订协议,共同发展复合材料在汽车上应用的事业,首先用于奔驰(Be n z)车型上,使戴姆勒所有车型实现减质量10%的目标;世界第二大碳纤维生产厂家东邦(TOHO)公司与丰田(TOYOTA)公司合作成立“复合材料创新中心”(TCIC),生产LEA跑车;世界上最大的大丝束碳纤维生产厂家卓尔泰克(Zoltek)公司已组建“汽车子公司”,拟将其50k大丝束碳纤维用于汽车上。美国能源部(DOE)近来投资3470万美元给其橡树岭国家实验室(复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)DRNL)新建碳纤维中心,主要开发用于汽车上的低成本碳纤维及其原丝技术和低成本成型工艺技术,声称至少要降低成本的50%。其次要注意配套研发低温快速固化体系、流动性好的树脂体系、热塑性树脂体系及预浸料制造技术。

碳纤维的研制是一项高技术,特别是其中的原丝技术,过去我国长期不过关,因95%以上依赖进口而受制于人。近几年国家领导的重视,加大投入,努力攻关,有了突破性进展,为汽车工业的应用提供了前提条件。但国产碳纤维还存在着一系列不足和问题,如性能还不够高、质量还不够稳定、标签3品种还不够多和成本还不够低,尚需改进,以满足汽车工业大规模和低成本的生产需要。

图57 碳纤维及中间产品

2)低成本制造技术

复合材料制件的总成本中,制造成本占了70%~80%,材料成本只占20%左右。因此低成本技术的核心是低成本制造技术,欲扫除先进复合材料在汽车工业上应用的障碍,关键是研发低成本的快速成型技术。其中RTM技术占有重要地位。应该指出RTM只是该项技术的一个总称,其中可有许多分支,如VARTM(真空辅助RTM)、RFI(树脂模熔塑成型)、SCRIMP(希曼复合材料树脂熔塑成型法)、VARI标签19(真空辅标签10助树脂熔塑成型)等。为适应汽车制造工业的特点和需要,在上述已有技术的基础上要注意进行快速、低温成型的技术研发和改造,其次是大规模整体成型技术的研发和运用,所谓大规模整体成型技术,即采用共胶接/共固化技术,大量减少零件数和紧固件数,将众多零件做成一个整体件的技术方法。大规模整体成型技术充分发挥了复合材料的优点和特点,对减轻结构质量、减少装配时间和降低成本收效甚大。

图58 高度集成的车门骨架

除前述几项技术外,还应注意发展适应汽车复合材料的自动化制造技术。有别于飞机和舰船,汽车构件一般较小,但个别零件形状复杂,应注意发展适合其所用自动编织和针织缝纫技术、自动切割、自动铺带和自动铺丝专项技术等,此时生产设备需要改造,可能需要一定的投资,但只有如此才能适应汽车工业大规模快捷生产制造的需要。

图59 先进自动缝纫技术

图60 自动铺带技术用于飞机的生产

3)设计、材料和工艺三结合

复合材料技术需要设计、材料和工艺三方面密切结合,缺一不可。

这三方面中设计是牵头的,起标签3主导作用,设计如果“硬”不起来,应用这条“龙”是舞不起来的,复合材料设计历经40多年的研究、应用和发展,已取得了长足的进步并逐步走向了成熟化和规范化,但这主要是指国外,国内尚非如此,某种程度讲差距还很大,航空航天领域如此,汽车领域情况尤甚。汽车工程师可能对先进复合材料不熟悉,对其特有的设计和分析方法更不掌握,特别是缺乏专有的设计分析软件和材料性能数据库。因此要注意设计领域的技术建设,加强相关的基础预研工作,发展或引进设计和分析软件,积累经验和数据,为应用提供坚实可靠的技术支撑,建立起有汽车工业特色的设计、分析、制造和试验验证与鉴定验收的一整套相关技术和相应规范。

6.2 存在的问题

1)思想认识和理念上的问题

复合材料的生标签17产和制造过程完全不同于金属。这就存在一个必须对原有设备更新、改造或新设备添置和引进的问题,这对已发展成熟的汽车工业而言可能是一个长期而痛苦的过程。如原用于金属生产制造的车、铣、刨、磨、钳、锻、铸、焊等工艺,先进复合材料成型时基本不用,甚至程控、数控机床等近代设备亦无用武之地,产业链将发生巨大的变化。这一切在已初步实现飞机结构复合材料化的航空工业正在发生并积极进行中,欧美等一些先进国家正在扬弃和关闭一些用于金属机身、机翼等的制造车间和设备,转而大规模标签20投资兴建先进复合材料的工厂和设备,大力发展复合材料机械化及自动化制造技术和相关设备,由生产金属零部件向生产复合材料制件转型,一场革命性的变革正在悄然发生。汽车工业恐怕也要早点看到这个问题,并在思想上有所准备。

虽然近来国际上对先进复合材料在汽车上应用的认识已有提高,有了一批先知先觉者,并已积极行动起来,但多数还在观望,亦不乏反对和抵制者,阻力还是相当大的。汽车工业是一个发展多年,从设计、选材到制造有其一套成熟和稳定的东西,骤然改变之绝非易事。为此复合材料界要和汽车领域的代工企业(OEM)建立起良好的互信关系,力争合作共赢才有可为。

复合材料产业界要充分注意和汽车产业界的密切结合。只有两者在认识上达成共识,行动上步调一致,通力合作才有可为。事实上我国发展复合材料产业已有40多年的历史,多年来也取得一些可观的成果和进步,如各机种上的应用不断扩大,近期首飞的J-20隐身战斗机上先进复合材料应用取得突破性进展,用量超过F22的水平;世界上60%以上的复合材料体育用品均出自中国大陆,中国复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)的复合材料产业在世界亦占有一席之地。汽车工业要充分注意学习、利用和标签14借鉴这些经验和成果,在此基础上前进会有事半功倍之效。

电动汽车制造企业应与碳纤维复合材料生产企业组成统一的产品联盟,共同承担技术研发成本与市场风险,形成利益共同体。

在技术和价格方面,以上世纪90年代的镁合金为例,由于其价格和技术瓶颈因素,当时还作为一种潜在的汽车用材料,而现在,大规模开发和应用的时代已经到来。然而当镁合金供大于求而廉价出口的时候,我国汽车行业却没有做好准备,用量极少,远远落后于国外汽车用料水平。两者的不对称同时制约着两个行业的发展,而在国际应用力水平相当的情况下,这一现象对我国汽车的发展制约很大。如今碳纤维复合材料也面临这样一个处境,当我们真正开始涉足这一新材料应用于车身领域时,两者的相互推动作用是显然的。碳纤维复合材料与汽车产业结合真正面临的挑战不是满足技术层面的需求,而是在何时、该如何涉足这一领域。对此,我们要了解这样一个事实:碳纤维复合材料早已呈现出供不应求之势,其绝对优越性迫使生产厂家不得不从长远角度考虑它。英国克兰标签10菲尔德大学的研究小组已经找到了大量生产碳纤维车身的方法,生产碳纤维汽车的成本最终可能比现在复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)的金属外壳汽车还低,因为制造商不再需要投资昂贵的压制工具。我们必须加快进军这一领域,着手研发应用,为技术的成熟及市场的开放做好准备。

2)缺乏经验和数据

目前在汽车领域大规模应用先进复合材料,严重缺乏经验和数据。熟悉金属结构的汽车设计师不太熟悉甚至不懂先进复合材料的设计,致使如何发挥汽车上应用先进复合材料而获取最大效益成了问题。因此特别要注意学习和借鉴,积累经验,建立数据库(Data Base),在应用的实践中总结提高。

图61 汽车油底壳Ansys受力分析

图62 汽车油底壳产品冲击试验

图63 气缸盖罩Ansys力学分析

3)回收再利用

汽车的寿命比飞机、风机叶片等要短,一般为10~15年,到寿命的汽车零部件的回收再利用在西方先进国家有严格的规定,如欧、美、日等国规定,到2015年汽车上报废的零部件要有95%以上可回收再利用。这对先进复合材料在汽车上的扩大应用是一个很大的制约条件,复合材料的回收再利用难度较大,特别是热固性复合材料,过去的办法是粉碎、焚烧和掩埋,现在应研发更科学的办法。西方发达国标签17家已着手研究解决这一问题,目前较科学的办法有高温裂解、溶剂萃取等,使纤维和树脂分离后回收再利用。相信随人们认识和重视程度的增加,科学技术的发展,此问题会逐步得到解决。

七,建议

经济全球化给我国汽车材料工业也带来了巨大冲击,同样也给我国汽车材料工业带来机遇。汽车复合材料企业需抓住机遇,迎接挑战,积极参与国际竞争,努力创造自己的生存和发展空间;充分发挥自己的资源优势和某些技术优势,扬长避短,注意创新,再和我国比较便宜的劳动力成本结合起来,形成有特色、有竞争力的汽车复复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)合材料领域。

(1)积极引进、消化和吸收国外先进技术,加快产业现代化进程具有重要意义。消化吸收是技术创新的基础。通过消化吸收,快速提升行业的创新能力。只有深刻的消化,才会启发比较和创新,才会稳妥地把握改进的方向,特别是汽车复合材料主工艺的创新和新材料的开发。

(2)汽车复合材料零部件生产企业应加强与复合材料原材料生产企业、汽车主机厂之间复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)的合作,建复材使用|复合材料在汽车上的使用(大结局)立新材料开发研究联合体,协调新材料及新产品的开发工作,坚持走共同设计的道路,实现风险转移与化解。

(3)技术与产品研发已成为企业在残酷的市场竞争能否生存的、具有决定性作用的因素,汽车复合材料零部件企业应作为技术开发的主体,通过在企业内部开发出构成核心竞争力的技术,走自我发展的道路。

(4)从技术创标签1新标签19入手,提高产品档次和工艺技术水平,在不断满足主机厂持续提高的需求前提下,降低成本,实现玻璃钢/复合材料企业与主机厂之间的双赢,实现玻璃钢/复合材料企业之间的多赢,逐步走上良性发展的竞争态势。

(5)推动汽车复合材料及其制品向专业化、标准化、高品质化、环保化方向加速发展,开创中国汽车复合材料的新天地。