轻量化轻量化复合材料为汽车减重复合材料为汽车减重 复合材料在汽车上的应用SAMPE中国年会刘明昌2013年11月5日报告内容 一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状 二、热塑性复合材料在汽车上的应用二、热塑性复合材料在汽车上的应用 三、热固性复合材料在汽车上的应用三、热固性复合材料在汽车上的应用 四、我们复材如何在汽车上应用四、我们复材如何在汽车上应用 2 一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状 二、热塑性复合材料在汽车上的应用二、热塑性复合材料在汽车上的应用 三、热固性复合材料在汽车上的应用三、热固性复合材料在汽车上的应用 四、我们复材如何在汽车上应用四、我们复材如何在汽车上应用 3 一、复合材料在汽车上的应用现状复合材料(Compositematerials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。由于复合材料的范围较广，分类较多，本报告中涉及的复合材料均为高分子复合材料，其基体材料为热固性树脂和热塑性树脂。由于复合材料具有高的比强度和比模度、抗疲劳性能好、良好的破裂安全性能、优良的高温性能、减震性能好、成型工艺简便灵活及可设计性强等特点，复合材料越来越多的应用于汽车行业；而且复合材料可设计性强、开放周期短以及减轻整车重量的优势，国内外都在大力研发汽车用复合材料和复合材料汽车。随着汽车工业的不断发展，节能、安全、轻量化将成为未来汽车的主要发展方向，而具有刚性大、强度高、重量轻等特点的复合材料正好顺应了汽车的发展趋势。因此，复合材料在汽车产业的应用就变得尤为重要，其在汽车上的广泛应用前景和发展趋势，必将导致未来汽车材料的巨大革新。有人称，2013年是复合材料汽车元年4 一、复合材料在汽车上的应用现状1.1汽车工业成为复合材料的最大用户统计显示，全世界平均每辆汽车的塑料用量在2000 年就已达105千克，约占汽车总重量的8%12% 。而发达国家汽车的单车塑料平均使用量为120千克，占汽车总重量的12%20% 。近两年，车用塑料的最大品种聚丙烯，每年以2.2%2.8% 的速度加快增长，预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。 目前，德国奔驰高级轿车塑料及复合材料用量已经达到150千克/辆，而奥迪车就更多了，如奥迪A2型轿车，塑料及复合材料件总重量已达220千克，占总用材的24.6% 。 5 一、复合材料在汽车上的应用现状1.2复合材料在汽车上的应用历程在塑料及其复合材料在汽车上的应用历程上，中航复合材料有限责任公司李宏远副总经理的“复合材料在汽车领域的应用”报告认为：（1）成熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐热热增强改性，主要应用在汽车内外装饰件上。（2）进行的第二步：长/短玻璃纤维增强复合材料，主要应用于汽车部分结构件和功能件上，是目前广泛应用于汽车上的重要复合材料。? 纤维热塑性塑料：SMC/BMC;? 纤维热塑性塑料：GMT、LFT。（3）关键的第三步：汽车用复合材料关键性的第三步，碳纤维增强复合材料（CFRP），主要应用于车身承载结构件。（4）追求的第四步：追求绿色的第四步，天然植物纤维增强复合材料，主要应用于汽车内外装饰件，有机回收，环保。6 一、复合材料在汽车上的应用现状1.3汽车用复合材料成型工艺FW HLU BMC LFT 成型成型技术技术 SMC R/S-RIM GMT RTM HLU SMC BMC RTM LFT FW GMT 7 R/S-RIM 二、热塑性复合材料在汽车上的应用1.4复合材料在车上应用趋势白车车身材料2008年450Kg2012年400Kg2016年350Kg2020年290Kg8 二、热塑性复合材料在汽车上的应用一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状 二、热塑性复合材料在汽车上的应用二、热塑性复合材料在汽车上的应用 三、热固性复合材料在汽车上的应用三、热固性复合材料在汽车上的应用 四、我们复材如何在汽车上应用四、我们复材如何在汽车上应用 9 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.1整车轻量化的意义燃油车辆燃油车辆 车身质量 燃油效率 10% 6%8% 100Kg 油耗 0.3L0.6L/百公里 电动车辆电动车辆 车身质量 行程 10% 8% 100Kg 复合材料在上汽乘用车上的应用，胡仁其高级经理，上汽乘用车中心实验室10 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.2整车轻量化的途径轻质材料? 高强钢? 轻合金? 复合材料? 结构优化设计? 等强度设计? 形状拓扑优化? 集成化设计? 汽车轻量化先进制造工艺? 激光拼焊板? 连续变截面板? 空心连续变截钢管? 自冲铆接? 复合材料的使用时整车轻量化的主要途径之一。11 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.3典型乘用车所用材料高分子复合材料具有比强度、比模量大,耐疲劳性能好,阻尼减震性好，破损安全性高和耐腐蚀性能优越等特点，因此高分子复合材料的使用能够在使得汽车在节能减重的同时更具安全和舒适性。12 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.3典型乘用车所用材料基体材料环氧树脂聚氨酯聚丙烯尼龙高分子复合材料纤维碳纤维玻璃纤维天然纤维13 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.3典型乘用车所用材料材料体系铝合金钢（结构用）SMCBMCLFT玻璃纤维/聚酯单向织物单向织物单向结构铺层单向结构铺层拉伸强度（MPa）420120080-25030-6096-34012455501795820176081021001010拉伸模量（GPa）7220610-1610-129-20482256261306013060密度（g/cm3）2.87.81.7-1.91.8-2.11.42.0比强度MPa/（g/cm3）15115353-14662327589841011005061310631比刚度GPa/（g/cm3）26265.3-102411281381388138S-玻璃纤维/环氧树脂2.0T300碳纤维/环氧树脂1.6T700碳纤维/环氧树脂1.614 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.4复合材料在乘用车上的应用15 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.4复合材料在乘用车上的应用16 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.5热塑性复合材料在乘用车上的应用长线粒料（LFT）在乘用车上的应用目前，汽车上使用的玻纤增强塑料主要有玻纤增强PP、玻纤增强PA66或PA6以及少量PBT、PPO材料。17 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.5热塑性复合材料在乘用车上的应用据统计，汽车行业的LFT消耗量约占世界LFT行业总消耗量的80%。而在汽车行业中，欧美LFT消耗量大约占95%，其中欧洲占80%，美国占15%。业内类似的研究使得长纤维增强热塑性材料（LFRT）在重型卡车和大规模公共交通运输领域被广泛关注，休闲车（RV）OEM制造商更是表示，探索热塑性复合材料能够帮助他们“车辆上的房子”性能更为优越。玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)，是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种，主要用于生产多功能支架、仪表板托架、座椅骨架，发动机护板、蓄电池托架等。玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)在乘用车上的应用蓄电池托架18 发动机护板二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.5热塑性复合材料在乘用车上的应用连续玻璃纤维和玻璃纤维通过合理的设计制造座椅骨架德国化工巨头巴斯夫公司和法国汽车配件集团佛吉亚公司联手设计了一种复合材料汽车座椅骨架。这种骨架用连续玻璃纤维和尼龙注塑成型，比传统的汽车座椅减少了泡沫塑料和金属用量，比传统金属骨架轻20%、薄30%。最重要的是，它减少了座椅中75%的泡沫用量。佛吉亚公司预计这种座椅在2014年就能进入主流汽车市场。目前这种座椅有两种设计形式，都采用暴露的骨架来减少材料用量。上汽乘用车中心实验室胡仁其高级经理在报告中单独提出来了这个应用 19 二、热塑性复合材料在汽车上的应用2.5热塑性复合材料在乘用车上的应用天然纤维增强热塑性树脂复合材料在汽车内装饰件上的应用汽车零部件车门板/衬垫纤维种类洋麻/大麻木纤维聚合物聚丙烯聚丙烯纤维含量5050杂物箱/后搁物架洋麻亚麻木纤维亚麻亚麻木纤维洋麻亚麻聚丙烯聚丙烯酚醛树脂聚丙烯聚丙烯聚丙烯聚丙烯聚丙烯5050855050505050座位靠板/货车车厢地板备胎盖/车身后壁板其他内装饰件20 二、热塑性复合材料在汽车上的应用应用举例应用举例引擎降噪板引擎降噪板/底部护板工艺：LFT粒子注射成型D-LFT模压成型OEMs: MercedesE-class注射成型BMW7-series注射成型VWPolo模压VWGolf模压1. 该解决方案是为提高结构和降噪性能而开发的2. 采用单一的复合材料（可以回收利用）3. 减轻重量，降低成本21 二、热塑性复合材料在汽车上的应用应用举例应用举例引擎降噪板引擎降噪板/底部护板OEM产量BMW55.000cars6,7kg车型7series重量(6parts)供应商部件加工商工艺路线优势FaistPolynorm挤出模压成型综合成本比GMT更低，对汽车底部的保护较好使用材料StaMaxP30YK43022 二、热塑性复合材料在汽车上的应用应用举例应用举例引擎降噪板引擎降噪板/底部护板OEM产量DCX250.000carsVehicle E-class部件重量5kg供应商Polynorm加工商Polynorm工艺路线LFTP挤出模压使用材料StaMaxP20YK430MB23 二、热塑性复合材料在汽车上的应用应用举例应用举例Ford-Fiesta门板模块产量:500.000cars/a部件重量: 1kg改造方:Faurecia工艺路线: 注射成型使用材料:StamaxP30YM240?给客户带来的好处：和钢材相比，降低了重量，节省了成本便于组装功能综合性提高干湿分离声阻尼效果改善24 二、热塑性复合材料在汽车上的应用应用举例应用举例BMWMiniCooper前端框架尺寸(L/W/H/WB)mm-3626/1688/1396/2467整车质量-1125kg产量-120,000cars材料-StaMaxP30YM240前端框架重量-3kg制造商-Faurecia工艺-1500T注射成型优势：和钢材相比节省了成本，减轻了重量部件25 三、热固性复合材料在汽车上的应用一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状 二、热塑性复合材料在汽车上的应用二、热塑性复合材料在汽车上的应用 三、热固性复合材料在汽车上的应用三、热固性复合材料在汽车上的应用 四、我们复材如何在汽车上应用四、我们复材如何在汽车上应用 26 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.1热固性复合材料在汽车上的应用从目前热塑性复合材料和热固性复合材料在汽车上的应用来看，热塑性复合材料主要是应用于非承受力或次承受力的结构件，而热固性复合材料主要应用于主承受力结构上，比如层合板、加筋板和夹层结构等。重型卡车重型卡车 中型卡车中型卡车 轻型卡车轻型卡车 客车客车 SUV 其他其他 热固性复合材料在车辆领域中的使用比例27 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.2汽车用热固性复合材料的种类（1）玻璃钢美国早于上世纪50年代中期开始了这一进程，如1953年美国的通用汽车公司研制了一个全玻璃钢复合材料的跑车Corvette，此后玻璃钢被广泛应用在汽车的顶盖、前端框架、后举门、前后保险杠、前后翼子板、挡泥板、座椅骨架、底部护板、车门、进气岐管、散热器罩等结构和功能部件上。（2）碳纤维复合材料玻璃钢的模量低，刚度不足，不能用于主承力结构，故在定义上不属于先进复合材料，目前能用于主承力结构的复合材料就是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料由于其自身独具的强度，刚度特性可以挑战钢用于汽车的主承力结构，如受力骨架，车顶、底盘、侧板、车门、帽罩、保险杠、翼子板、轮毂、传动轴以至板簧等部位，车种则包括赛车、高档跑车、轿车、客车、货车及各种特种车上。重点介绍碳纤维复合材料在汽车上的应用 28 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用CFRP可应用于汽车的六大主要系统：? 发动机系统：挺杆、连杆、摇臂、油箱底壳、水泵叶轮和罩等；? 传动系统：传动轴、万向节、减速器、壳罩等；? 制动系统：刹车片；? 底盘系统：纵梁、横梁、支架、车轮、板簧等；? 车体系统：引擎盖、翼子板、散热器罩、保险杠、车灯架、车厢、行李架、地板、门窗框架、尾翼、扰流板等；? 附件：排气筒、仪表板总成、方向盘、内饰等。29 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用BMWi系CFRP驾驶舱? 在电动车量产车型上的首个突破（2011法兰克福车展首次发布）? 突破性构造理念：LifeDrive框架? BMWi3(MCV)? BMWi830 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用BMWMCV的CFRP引擎罩CFRP夹层结构31 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用豪华跑车底盘MoslerMT900车身与底盘? CFRP底盘? 模压+热压罐成型的AFRP车体32 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用高端跑车底盘AudiR8GT:从全金属车身到混合结构车身：CFRP底盘+铝副车架(2014)，减重目标：100kgLamborghini Aventador LP700-4 33 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用高端跑车底盘Toyota:LexusLFA:?底盘结构的65%为CFRP?综合多种复合材料制造工艺? 手工铺放预浸料：主框架? RTM:气道、地板、顶盖和引擎罩? SMC:CFRP扰流板、内饰? 胶接技术34 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.3碳纤维复合材料在汽车上的应用车型品牌 产量/年 复材部件及使用工艺 Lamborghini Murcielago Ferrari Enzo Porsche Carrera GT Mercedes Mclaren SLR Aston Martin Vaniquish BMW M3 CSL MG X-Power SV Morgan Aero 8 Koenigsegg CC 550 150 180 500 400 1000 250 300 50 车身/底盘/内饰(autoclave) 车身/底盘/内饰(autoclave) 车身/底盘/内饰(autoclave) 车身/底盘(autoclave) 车门(Infusion) 引擎罩/翼子板/前后杠(Infusion/RTM) 引擎罩/翼子板/车顶(Infusion/RTM) 车身板/尾翼(Infusion/RTM) 车身板/尾翼(Infusion/RTM) 车身/底盘/座舱(autoclave/RTM) TVR Tuscan R 50 35 车身/底盘/座舱(autoclave/RTM) 三、热固性复合材料在汽车上的应用3.4热固性复合材料在货车上的应用36 四、我们复材如何在汽车上应用一、复合材料在汽车上的应用现状一、复合材料在汽车上的应用现状 二、热塑性复合材料在汽车上的应用二、热塑性复合材料在汽车上的应用 三、热固性复合材料在汽车上的应用三、热固性复合材料在汽车上的应用 四、我们复材如何在汽车上应用四、我们复材如何在汽车上应用 37 四、我们复材如何在汽车上应用目前，发达国家车用塑料已占塑料总消耗量的7%8%，预计不久将达到10%11%。对于中国来说，塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲，车用塑料的重量占汽车自重的20%，平均每辆德国车使用塑料近300千克，占汽车总重量的22%。与国外相比，国产车的非金属材料用量仍然偏少，国产车的单车塑料平均使用量为78千克，塑料用量仅占汽车自重的5%10%。在过去的几年中，亚太地区的复合材料市场取得了长足的发展，亚洲目前的复合材料市场的规模已经超过180亿欧元。亚洲市场的复合材料产量将翻番，预计到2015年可达到1000万吨。强劲的经济增长将继续推动亚洲复合材料行业的发展中国、印度等主要市场将呈现快速增长的势头。38 四、我们复材如何在汽车上应用（一）复合材料在汽车领域的发展趋势4.1选材? 从GFRP到CFRP? 减重效果：GFRP:25-35wt%；CFRP:5070wt%? 从短切纤维到连续纤维? 环境友好绿色复合材料? 新型碳纤维的研发：OakRadge:木质素基碳纤维? 植物纤维：内饰? 热塑性基体：PPPAPET39 四、我们复材如何在汽车上应用（一）复合材料在汽车领域的发展趋势42设计4.2.1采用新的结构形式? 复合材料夹层结构：? BMWi3引擎罩40 四、我们复材如何在汽车上应用 （一）复合材料在汽车领域的发展趋势42设计4.2.1采用新的结构形式? SMC加筋加肋：? 地板设计采用格栅结构41 四、我们复材如何在汽车上应用 （一）复合材料在汽车领域的发展趋势4.2.2结构一体化理念? 传统：等代设计? 现代：结构一体化趋势现有结构按承载功能分解，重新设计典型实例? BMWMCV的LifeDrive模块化框架? CFRP驾驶舱+铝底盘，安全、轻质42 四、我们复材如何在汽车上应用 （一）复合材料在汽车领域的发展趋势4.2.3新工艺提供新可能? PP-GF+CF的主结构件? 单向连续纤维+LFT43 四、我们复材如何在汽车上应用 （一）复合材料在汽车领域的发展趋势4.3制造? 大批量自动化生产技术? 快速RTM技术树脂的快速固化技术? LFT技术? 低成本技术? 无热压罐成型预浸料真空成型技术? 模具、工装技术? 变截面中空制品的成型4.4装配技术? 胶接技术? 胶接接头设计? CFRP/金属件的连接技术44 四、我们复材如何在汽车上应用 （二）复合材料在汽车领域大范围推广应用面临的主要问题? CFRP的成本问题? 标准化问题? GFRP缺乏材料性能数据库和标准测试方法? 设计? 缺乏用于制造、连接、设计的通用建模工具和方法? 缺乏用于CFRP主结构件的设计方法、预测工具和冲击模型? 成型? 制品成型速度低于金属件? 现有的CFRP预浸料铺放成型技术不适于大批量生产? 回收再利用的问题45 四、我们复材如何在汽车上应用 （三）国内需要解决的问题? 复合材料供应商与汽车制造企业的合作模式战略合作? 发展成本：大丝束碳纤维及其织物? 有吸引力的价格：70100元/千克? 高效率低成本的制造工艺：? 高效率RTM工艺、LFT-D工艺技术、碳纤维SMC工艺技术、热塑性连续碳纤维预浸技术? 复合材料与金属材料的连接技术46 四、我们复材如何在汽车上应用 （四）我们复合材料如何在汽车上应用? 与汽车制造企业建立战略合作，制定连续玻璃纤维增强热塑性复合材料在汽车上应用设计方案（能做什么，怎么用）? 高性能的复合材料：除了PP，也可以开发连续纤维增强PA、PBT等复合材料（保证性能）? 高效率制造工艺：依托公司的LFT-G和连续玻璃纤维增强PP预浸带技术，发展高效低廉的LFT-D技术、连续纤维+LFT技术（高效工艺）? 低成本的复合材料（低成本）以塑代钢 节能减排 47 48