碳纖維復(fù)合材料的成型工藝及批量化生產(chǎn)成本分析

發(fā)布日期：2018-08-07信息來源：中國玻璃纖維復(fù)合材料信息網(wǎng)瀏覽次數(shù)：5951

　　隨著汽車油耗和排放法規(guī)加嚴(yán)，新能源汽車的崛起，汽車輕量化發(fā)展已成趨勢。復(fù)合材料的替代使用是汽車實現(xiàn)輕量化的一個有效手段。本文介紹了幾種復(fù)合材料的生產(chǎn)方法，并探究了其批量化生產(chǎn)的發(fā)展前景。
　　碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用　　
　　材料的更新替代往往是為了滿足更高的應(yīng)用要求。碳纖維具有較高的楊氏模量和低熱膨脹系數(shù)，其增強的復(fù)合材料具有更好地機械性能和熱性能。因此，碳纖維復(fù)合材料在體育用品、航空航天、汽車交通等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。目前碳纖維復(fù)合材料在汽車制造中的應(yīng)用主要受成本因素影響。一方面，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用增加了材料成本和生產(chǎn)的時間成本；另一方面，其可實現(xiàn)零部件的集成化，減少零部件數(shù)量，同時也降低重量。從另一個角度來說，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也帶來了汽車應(yīng)用成本的降低?！　?br /> 　　碳纖維復(fù)合材料部件的設(shè)計與制造　　
　　設(shè)計方面，碳纖維復(fù)合材料部件的設(shè)計和生產(chǎn)需要綜合考慮部件的實際應(yīng)用要求，通過受力、載荷路徑等分析，結(jié)合實際應(yīng)用情況進行設(shè)計。　　
　　材料方面，選用的基材一般為熱塑性樹脂材料。碳纖維的拉伸強度達到5800MPa，比重為1.8g/cm3。其比強度明顯高于鋼或鋁合金等金屬材料，高能量密集的制造工藝也造成了較高的應(yīng)用成本。　
　　制造方面，一般需要先制作預(yù)浸料，再進行模具成型。預(yù)浸料即是由織物或非織造布浸漬樹脂而沒有進行固化反應(yīng)形成的，可放入模具中進行高溫固化成型。預(yù)浸料主要是為了保證碳纖維增強體與樹脂基體充分浸漬結(jié)合。此外，模具成本也是構(gòu)件成本構(gòu)成的一大因素。部件的形狀需要依靠模具來實現(xiàn)，一般有陰模和陽模兩種形式。陰模是依據(jù)零部件的尺寸、形狀等要求制造而成的模具，可成型各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件。但陰模生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本也相對較高。陽模是纖維纏繞在模具上成型，固化后可以保留或移除?！　?br /> 　　手糊成型　　
　　手糊成型是構(gòu)建單一復(fù)合材料和少量產(chǎn)品具成本效益的方法之一。通過手工在模具中鋪設(shè)纖維，再使用壓輥等工具手工浸漬樹脂。但這種勞動密集型生產(chǎn)方法在產(chǎn)品穩(wěn)定性和纖維體積含量方面存在限制，且不適合批量生產(chǎn)?！　?br /> 　　真空灌注　
　　將纖維層鋪設(shè)在模具中，并在纖維層上設(shè)置真空密封裝置，將裝置內(nèi)抽成真空，樹脂則通過產(chǎn)生的壓力差注入到模具中。這種方面可實現(xiàn)纖維體積含量大于50%時，仍能獲得較好的力學(xué)性能。該方法適合批量生產(chǎn)，但勞動密集度仍較高，且產(chǎn)品穩(wěn)定性稍差?！?br /> 　　樹脂傳遞模塑成型（RTM）　
　　將纖維材料鋪設(shè)在模具中，形成一定的形狀；合模后通過壓力注射樹脂，浸漬纖維，再進行固化脫模。根據(jù)壓力水平分為低壓（LP-RTM）和高壓（HP-RTM）兩種類型。其中，壓力大小對產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用成本、生產(chǎn)周期等均有影響。
　　由此可看出，壓力越大，對模具的要求越高，模具的成本也越高。但另一方面，較高的壓力使得樹脂可以快速填充浸漬，進行固化，縮短了生產(chǎn)周期，也降低了成本?！?br /> 　　模壓成型　
　　將纖維與樹脂基體在模具中加壓成型的方法，自動化程度高。一般采用織造或非織造布，通過加壓浸漬樹脂，再固化成型。其中，加壓方式有熱壓（即使用加熱金屬工具壓制）和冷壓（即使用未加熱的壓制工具）兩種類型。生產(chǎn)時將纖維半成品放入模具中，再注入樹脂進行加壓。溫度一般控制在90-140℃，壓力在5-25bar?！　?br /> 　　拉擠成型連續(xù)制造技術(shù)　　
　　相對于其他成型方式，擠拉成型可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，具有更高的生產(chǎn)效率。纖維束被拉過兩側(cè)敞開的模具，注入樹脂，使纖維滲入模具內(nèi)，然后固化成型。成型材料可根據(jù)需要切割成適當(dāng)?shù)拈L度?！　?br /> 　　擠壓成型可實現(xiàn)較高的纖維含量和良好的表面，且纖維與樹脂的浸潤性比織物或非織造布與樹脂的浸潤性要好，浸漬成本低。此外，連續(xù)化生產(chǎn)更是有效縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但該方法僅能生產(chǎn)二維截面部件，如管狀、柱狀、T型或I型部件，無法成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件。因此，只要結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件的幾何形狀允許使用拉擠成型，就可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)并顯著節(jié)省經(jīng)濟成本?！　?br /> 　　纏繞成型　
　　該方法是將纖維纏繞在旋轉(zhuǎn)芯上，再涂覆樹脂進行固化。該方法的特點是可成型大體積零部件，可使用纖維粗紗和樹脂材料復(fù)合，具有較高的成本效益。但是，對于部件的形狀和設(shè)計限制較多，只能包裹能夠旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，例如管或旋轉(zhuǎn)對稱輪廓。同時，部件的表面光潔度較差，需要后續(xù)再加工?！?br /> 　　質(zhì)量控制　　
　　復(fù)合材料部件由于需要承受不同的載荷，對其質(zhì)量要求較高，因此需要在生產(chǎn)的各步驟中進行連續(xù)的質(zhì)量控制。同時，在部件的使用過程也需要定期進行質(zhì)量監(jiān)測，包括一些材料破壞性和非破壞性的測試?！　?br /> 　　應(yīng)用實例　　
　　目前，汽車輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的重點。且隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的崛起，汽車輕量化需求更加迫切。SPIRI開發(fā)了一款城市共享輕型電動車，采用了碳纖維復(fù)合材料車身設(shè)計，續(xù)航里程400公里。該車車身重100kg，車身集成化設(shè)計使得零部件數(shù)量進一步減少。　　
　　基于該碳纖維車身，對其生產(chǎn)成本進行計算，結(jié)果表明：纏繞成型碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用成本最低，其次是鋼材、模壓成型碳纖維復(fù)合材料、RTM成型碳纖維復(fù)合材料。同時，預(yù)浸料的生產(chǎn)成本較高，因此，使用預(yù)浸料也會造成成本的大幅增加?！　?br /> 　　對于碳纖維車身件來說，纏繞成型無法滿足要求，模壓成型是較具成本效益的碳纖維復(fù)合材制造方法。綜合來看，碳纖維復(fù)合材料車身的生產(chǎn)成本約是同類鋼制車身的1.35倍。　　
　　小結(jié)　　
　　綜上，與鋁和鋼合金等金屬材料相比，碳復(fù)合材料的使用能夠顯著減輕車身結(jié)構(gòu)的重量。且通過成本分析來看，碳纖維復(fù)合材料車體及結(jié)構(gòu)件的大規(guī)模生產(chǎn)是具有可行性的。同時，選擇合理的成型方法也有利于兼顧減重和成本。