5月28日周四晚8點，蓋世微課堂邀請了贏創特種化學（上海）有限公司ROHACELL ?泡沫產品亞太區高級業務發展經理，胡培，以“高性能復合材料在汽車中的應用”為主題，圍繞復合材料的發展及其在汽車中的應用展開分享與交流，并解答了微友的提問。同時，來自上汽、北京江森等相關行業的共450位人士在群內展開熱烈討論。以下是課堂焦點內容速記匯總，與業內共饗！

一、復合材料定義

材料材質分類

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

材料、加工、成型種類

隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。目前全世界復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從全球范圍看，世界復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟不景氣，發展較為緩慢，但中國尤其是中國內地的市場發展迅速。據世界主要復合材料生產商PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料全球占有率約為32%，年產量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達到4%~6%。2000年，美國復合材料的年產量達170萬噸左右。特別是汽車用復合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的復合材料仍將繼續增長，2000年的總產量約為145萬噸，預計2005年總產量將達180萬噸。

材料發展歷程

從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

二、樹脂基復合材料的增強材料

樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高分子量聚乙烯纖維等。

1、玻璃纖維

目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。

4、高分子量聚乙烯纖維

高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居前列，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復合材料

熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度，廣泛應用于化工、輕工、機械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領域。1993年世界環氧樹脂生產能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環氧樹脂，據不完全統計，目前我國環氧樹脂生產企業約有170多家，總生產能力為50多萬噸，設備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機械強度高、電絕緣性優異、低發煙性和耐酸性優異等特點，因而在復合材料產業的各個領域得到廣泛的應用。1997年全球酚醛樹脂的產量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機械強度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進荷蘭Atlac系列強耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產乙烯基酯樹脂。

1971年以前我國的熱固性樹脂基復合材料工業主要是軍工產品，70年代后開始轉向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環氧樹脂（日、德）生產技術；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產線、拉擠工藝生產線、SMC生產線、連續制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術、樹脂注射成型技術及漁竿生產線等，形成了從研究、設計、生產及原材料配套的完整的工業體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復合材料生產企業達3000多家，已有51家通過ISO9000質量體系認證，產品品種3000多種，總產量達73萬噸/年，居世界第二位。產品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業領域。在建筑方面，有內外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調罩、風機、玻璃鋼水箱、衛生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機械及電器領域如屋頂風機、軸流風機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產品都具有相當的規模；在航空航天及軍事領域，輕型飛機、尾翼、衛星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

三、熱塑性樹脂基復合材料

熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年代發展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術的不斷成熟以及可回收利用的優勢，該品種的復合材料發展較快，歐美發達國家熱塑性樹脂基復合材料已經占到樹脂基復合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

我國的熱塑性樹脂基復合材料的研究開始于20世紀80年代末期，近十年來取得了快速發展，2000年產量達到12萬噸，約占樹脂基復合材料總產量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破，與發達國家尚有差距。

四、我國復合材料的發展潛力和熱點

我國復合材料發展潛力很大，但須處理好以下熱點問題。

1、復合材料創新

復合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新。到2007年，亞洲占世界復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發展

我國碳纖維工業發展緩慢，從CF發展回顧、特點、國內碳纖維發展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結構調整

我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優勢，但在品種規格和質量上與先進國家尚有差距，必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發展。

4、開發能源、交通用復合材料市場

一是清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發電用復合材料、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機用復合材料，主要為碳纖維復合材料。熱塑性復合材料約占10%，主要產品為機翼部件、垂直尾翼、機頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機661架，將形成民航客機的大產業，復合材料可建成新產業與之相配套；四是船艇用復合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發展緩慢，但復合材料特有的優點仍有發展的空間。

5、纖維復合材料基礎設施應用

國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。

6、復合材料綜合處理與再生

重點發展物理回收（粉碎回收）、化學回收（熱裂解）和能量回收，加強技術路線、綜合處理技術研究，示范生產線建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠制品中的應用以及在SMC/BMC模壓制品中的應用和典型產品中的應用。

21世紀的高性能樹脂基復合材料技術是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發高剛度、高強度、高濕熱環境下使用的復合材料為重點，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。組織系統上將是聯盟和集團化，這將更充分的利用各方面的資源（技術資源、物質資源），緊密聯系各方面的優勢，以推動復合材料工業的進一步發展。

五、復合材料在汽車中的發展過程和現狀

作為世界上大的工業領域之一，2010年的汽車行業的工業產值達到9000億歐元，銷售車輛5500-6000萬輛。按照車輛銷售價格，分成四個不同級別：豪華車、高端車、中級車和入門級車輛。目前的銷售價格，豪華車>7.5萬歐元，高端車>2.5萬歐元，中級車>1.5萬歐元，入門車<1萬歐元。按照區域主要分成西歐、東歐，北美，拉丁美洲，日本和其他亞洲國家等。豪華車的品牌有勞斯萊斯、賓利、法拉利、阿斯頓-馬丁、BMW7系和8系、梅賽德斯S系列、奧迪A8等。高端車品牌有BMW、梅賽德斯、Audi等。豪華車和高端車具有全球性市場的特點，通常在產地國生產，全球市場銷售。中級車和入門級車具有很強的區域性，一般采用本土化生產，設計和品牌推廣也是主要針對本土開展。在中國，中低端品牌有國產奇瑞、上汽等，屬于區域性的品牌。Tata在印度處于領先地位，而在其他地區，市場就很有限。但是西方的中級車品牌，例如大眾、GM和PSA在新興市場占據很重要的位置，銷售也在不斷增加，但在低端市場，往往比不上本土競爭對手。

近幾年，全球汽車工業的發展主要源于新興市場產量的激增，尤其是中國。中國不再簡單的作為西方的世界工廠，過去取得的經濟成就也帶動了國內消費和服務業的興起。汽車消費的發展就是一個強有力的佐證。世界上，幾乎所有的汽車公司都在中國開設了本土工廠，這些合資工廠并非為了降低西方消費者的成本，而是為了滿足中國消費者對汽車的需求。

汽車工業的的發展，曾經是西方戰后的經濟恢復的象征，如今也成為中國等新興國家經濟實力的體現。預計到了2015年，世界上每兩部汽車就有一部在亞洲制造，即使不包括日本。中國生產的汽車比北美、日本和德國加起來的產量都多。

1、60年來汽車復合材料發展應用緩慢

復合材料在汽車領域的應用已經有了一段很長的歷史，可以追溯到19世紀50年代，主要用于汽車非結構部件，例如硬質車頂。從70/80年代開始，越來越多地采用熱塑性復合材料生產汽車內飾以及用熱固性復合材料制造次結構件，例如保險杠的梁。由于復合材料具有很多優點，例如設計靈活、容易成型、輕質和耐腐蝕等，雖然原材料和工藝成本高于鋼材和鋁，在汽車領域還是獲得了一些應用。噴漆以后鋼汽車構件的成本大約是3-4歐元/公斤，復合材料次結構件的成本大約是8-10歐元/公斤。

汽車復合材料應用已經不再是一個小眾市場。相對于復合材料的其他應用領域，汽車領域已經是其大市場，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每輛乘用車，復合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級別、地區和部件有所不同。對于所有級別的車輛，儀表板等內飾件，75%的車輛采用了復合材料，但是對于結構部件，僅僅在高端車型中有所應用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復合材料。總的來說，復合材料的用量豪華車大約是15%，高端車大約9%，中級車6%，入門級車4%。另外，對于新興市場中級車和入門級車，復合材料的用量通常比發達國家市場同級別車型低1%。廢舊復合材料構件的回收越來越引起人們的關注。熱固性復合材料與熱塑性相比，回收的難度要大很多。所以，在現有的復合材料應用的基礎上，有采用熱塑性取代熱固性樹脂體系的趨勢。

2、2010年-2015年的趨勢

近期，汽車整車廠對復合材料的興趣不斷增加。這主要源于不斷嚴格的排放法規（將來CO2排放罰款）以及增加的燃油成本，這些都可以通過復合材料輕量化來實現。復合材料可以減輕重量，進而降低碳排放，抵消增加的材料費用和工藝成本。

歐洲議會2013年4月24日通過一項法律草案，要求到2020年在歐盟出售的新汽車平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克減少到95克。對于那些計劃生產二氧化碳排放量超標車的歐盟廠商，草案提出了補救措施，即這些廠商必須同時生產每公里二氧化碳排放量不足５０克的清潔汽車。具體規定如下：2013年至2015年每生產１輛這樣的清潔汽車，多可生產3.5輛標車；2016年至2023年可生產1.5輛標車；2024年以后可生產１輛標車。

盡管整車廠對復合材料的興趣有所增加，但是減少碳排放和燃油消耗的方法不僅僅是車輛減重。經濟的方法是提高燃油利用率，這可能是整車廠的選擇，特別是對于中級車和入門級車，因為這兩個級別的車輛，發動機排量常常不是購買的主要考慮因素。對于現有復合材料和金屬在成本上的差距，需要一段時間，通過技術進步來彌補。例如，對于底盤這樣的結構部件，加工好的鋼結構的成本大約是3-4歐元/公斤，但是碳纖維環氧復合材料結構的成本（基于現有材料和工藝技術）高于30歐元/公斤。

不同的整車廠家會獲得不同的解決方案，這些方案能夠達成目標的程度也會有所差異。總的來看，汽車復合材料用量的增加，主要集中在量產車車身的三個領域：汽車底盤，車身覆蓋件和次結構部件。這三個方面可以大幅度的提高汽車復合材料的用量。底盤的重量約占總重量的25%，是減重效率的部件。但是，按照預計，量產車領域的汽車復合材料用量的突破不會在2015年以前出現。在2015年前的這段時間，汽車復合材料部件的用量會有少量增加，成本會有所降低，復合材料制造廠家和整車廠對復合材料的材料和工藝進一步熟悉；同時，復合材料開始用于一些高端車型的旗艦項目，例如德國的BMW的i3、美國的Tesla電動汽車以及英國的Axon插電式混合動力汽車。

到2015年，汽車復合材料的用量會達到200萬噸，增長主要來源于汽車產業的自然增長（年產量增加6%）和已經采用了復合材料的汽車部件的市場份額的增加。

3、2015-2020年的趨勢

2015年以后，隨著碳排放法規（2020年生效，并逐步嚴格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環氧樹脂的出現，加上工藝和自動化設備的不斷成熟，例如針對熱固性復合材料快速制造開發的HP RTM（高壓樹脂轉移模塑）工藝和熱塑性復合材料層板熱成型自動化設備的研發，到2020年，碳纖維復合材料的綜合性價比會優于金屬，取代金屬材料，用于量產車的底盤制造，并涵蓋大多數的高端車型和少量的中級車。下面分別對HP RTM工藝和熱塑性層板的解決方案做詳細介紹。

4、熱固性復合材料高壓RTM工藝

航空工業采用樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM），生產大型高強度結構件，降低工藝成本。在汽車的制造過程中，也有采用RTM工藝進行零部件的生產，主要目的是為了達到更好的表面質量，但是只用于小批量生產的轎車中。

圖3 不用樹脂轉移模塑工藝的圖解

通常RTM工藝的注射壓力是 6-15bar大不超過20bar，工藝周期大約1小時。但是高壓RTM工藝，注射壓力在10-60bar，工藝周期大約6分鐘。

目前世界上高壓RTM工藝的設備廠家有：德國Dieffenbacher KraussMaffei；德國Schuller Frimo和意大利的Cannon S.p.A公司，一般采用兩家公司合作的方式。下面主要就Dieffenbacher KraussMaffei的情況做具體的介紹，其他廠家的設備大同小異。

德國加工機械領域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）共同開發了高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）的自動化生產線。這條生產系統包括預成型加工、壓制過程以及修整工藝。相比于傳統的RTM工藝，HP-RTM工藝減少了樹脂注射次數，提高了預制件的浸漬質量，并縮短了成型周期。

（1）預制件過程

對于HP-RTM部件的生產，需要制造一個由織物增強材料制成的預制件。這樣的預制件在迪芬巴赫的預成型中心制造完成，通常使用一個完全自動化的過程。

由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機。使用CNC切割技術，纖維鋪層被切割成構件加工所需尺寸。該過程通過由現有的CAD零件參數得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中。可以使用機器人來可靠地處理切割織物、纖維氈以及預制件。預制件成型中心可以作為一個單獨的單元來運行，也可與壓制工藝一起結合在產線上。

（2）合模加壓過程

預制件的加工過程之后就是合模加壓。在合模加壓的過程中，環氧樹脂系統浸漬預制件以及使其固化。

在用機器人將預制件放置到RTM模具中之后，根據模內壓力及部件的尺寸和復雜性，采用一臺迪芬巴赫液壓壓機用高達36000 kN（3600 t）的壓力完成實際的合模加壓過程。壓機在很短的建壓時間內達到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。迪芬巴赫短沖程系統能夠確保壓機具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時間和較大的滑塊行程。與傳統的合模加壓技術相比，可以提高50%的能效。

合模加壓控制系統允許使用不同的操作程序，并能縮短生產周期。模座周期性地進入和離開壓機，只需要很短的換模時間、裝卸過程以及生產線下對下半模的清潔。

完成高壓注射過程后，還可以通過再加壓來獲得部件質量的改善。

（3）注射過程

將低粘度的反應性混合物注入到閉模中浸漬預制件。通過使用克勞斯瑪菲的技術，能夠使注射速度達到10-200 g/s，取決于樹脂系統以及部件的尺寸和工藝設計。在一個閉環過程中，對樹脂和固化劑進行準確計量，并在高壓下進行混合，得到反應性混合物。

高壓計量使得注射時間更短，并提高預制件的浸潤度，因而能以較短的固化時間來處理樹脂系統。這帶來了更短的生產周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額外的好處，比如，能在保持出色的表面品質的同時獲得更低的孔隙率。而對溫度的準確控制則能進一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹脂體系中獲益。

克勞斯瑪菲的高壓混合頭去除了耗費成本的停工時間，也無需使用清洗傳統低壓混合頭時所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產時表現出突出的能效優勢，它的這種優勢已經在多種量化生產中得到了驗證。

通過脫模劑供料塊，能夠將工藝所需的脫模劑直接引入緊湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在低劑量（如0.1 g/sec）時，仍具有極高的準確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復性的脫模劑計量對于可靠地實施下游工藝來說無疑是非常必要的。

（4）修整

修整是工藝鏈步驟的其中一環。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開孔。用銑刀進行的修整采用的由克勞斯瑪菲開發的定制化解決方案。可以采用自動化切割臺或手提式切割機。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復雜程度。機器人被用于在工藝步驟之間進行零部件的處理。

5、熱塑性復合材料汽車應用

這幾年，在復合材料領域，熱塑性復合材料也備受關注。

（1）有機板混合結構包覆成型工藝

未來兩年內，復合材料有機板（Organosheet）混合結構技術將在汽車結構部件的量產化應用中實現突破。目前，至少有兩家材料供應商，即巴斯夫和朗盛，以及兩家機器供應商，即恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術開發的前沿。

采用全塑料的“有機板混合結構”取代汽車中的塑料-金屬的“混合”結構。新的工藝直接在連續板材的基礎上，預成型，然后包覆成型，代替過去在金屬預成型件的基礎上通過包覆成型，加上加強筋。恩格爾和克勞斯瑪菲都是采用尼龍6熱塑性樹脂層纖維織物壓板（熱成型），在加上尼龍6（加或者不加纖維增強）包覆成型。材料廠家是德國Bond-Laminates的Tepex有機板，以及朗盛的尼龍包覆成型顆粒料。恩格爾稱之為：Organomelt工藝，克勞斯瑪菲則稱之為FiberForm工藝。包覆成型的混合結構工藝不僅僅可以對熱塑性適用，也可以用于熱固性的復合材料混合部件，參見圖7。

“有機板（Organosheet）”的混合結構部件成型工藝的生產流程是：首先加熱一個用PA6連續纖維增強有機板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個三維形狀，并用另外的PA6樹脂（未填充的或者是玻璃纖維增強的）對其進行包覆成型。在某些情況下，在將板坯放入注塑模具中前，先對其進行熱成型。

如果采用熱塑性復合材料混合結構，主要市場將是汽車內飾，包括座椅部分的組件、門側防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉向柱支架、安全氣囊組件和前端組件等。如果改成熱固性的復合材料混合結構，可以用于結構件或者次結構件。但是，目前國外還很少有針對汽車領域的熱固性的復合材料混合結構包覆成型的研究和應用。

在K 2010展會中，恩格爾和克勞斯瑪菲這兩家公司都在兩個復雜的成型單元中證明了這項技術。當時，恩格爾成型了一個轉向柱支架，而克勞斯瑪菲則成型了一個門側防撞梁。兩家公司均采用了德國Bond-Laminates公司（已被朗盛收購）提供的Tepex復合材料板材，并采用朗盛的尼龍材料對該組件進行包覆成型。將有機板放到300℃的加熱爐中預熱30～40s，然后將加熱后的板材送入注塑模具中。閉合模具，對該板材進行預成型, 接著從其上方將另外的尼龍材料注入到特定區域。按加熱爐能力的不同，整個循環時間從33s到55s。

（2）熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝

作為熱塑性復合材料技術的下一發展目標，己內酰胺單體在模內聚合為PA6的技術正在推進之中。該技術允許采用低黏度的己內酰胺浸潤放于模具中的干纖維，經反應后可在線形成一種尼龍基的復合材料。

巴斯夫與西格里集團正在聯合開發一種基于反應性尼龍系統和碳纖維的復合材料，以實現熱塑性復合材料的低成本生產。該材料體系是為T-RTM工藝（熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝）以及反應注射成型工藝而準備的，以獲得比傳統熱固性RTM工藝更短的生產循環時間。為適應這些更快速加工技術的要求而對材料系統的調整，將在采用碳纖維復合材料制成的結構部件進入汽車量產化應用的過程中發揮重要作用。己內酰胺在線聚合為尼龍6的機器系統正由恩格爾在進行開發。

6、回收

在日本、歐洲、美國等市場經濟高度發達的國家, 報廢汽車與廢舊家電回收處理的管理都嚴格。除了對回收拆解企業進行門檻的規定外，還要求制造商擔負起對汽車的報廢回收負責。因此制造商做研發時就必須考慮產品的可回收利用性，以保證上萬個零部件都易于再生循環使用。目前歐洲出售的所有車型均滿足可再利用性的型式認證要求。

在2013中國汽車回收利用國際論壇上，工信部介紹稱，《汽車產品限制使用有害物質和可回收利用率管理辦法》已達成行業共識，正處于部委內部征求意見階段，有望于近期發布。《管理辦法》分階段提出汽車產品可回收利用率的指標要求，確保法規施行之日起，M1類、N1類汽車新車型的可回收利用率要達到90%，其中可再利用率達到80%。兩年內，M1類、N1類汽車新車型的可回收利用率要達到95%，可再利用率不低于85%。

平均，目前復合材料占整車重量的6%，都尚未考慮復合材料的回收，因為各個國家和地區的可回收利用率一般要求在85%左右。但是這個問題會越來越重要，因為復合材料的滲透率越來越高，而且可回收利用率的比率也越來越高。很多產業集中在回收汽車上的金屬和鋼材，但是回收復合材料的相關產業尚待發展。復合材料回收或者再利用的難易和纖維以及樹脂的類型有關。

7、綜合

汽車復合材料的發展，結合了化工、機械制造以及汽車復合材料設計，從經濟結構來看，突破應該源于德國。德國的工業結構結合了大多數的豪華汽車和高端車，另外朗盛、巴斯夫等世界化工企業以及精密的機械制造廠家，例如迪芬巴赫公司和克勞斯瑪菲等。隨著碳排放法規的不斷臨近，復合材料在汽車行業的突破會在2015年以后時間，歐洲汽車行業也會是先進材料的倡導者和先行者。熱塑性復合材料和熱固性復合材料不存在誰替代誰的問題，因為他們的各方面的性能都有所差異，快速成型和自動化都是共同的發展方向。汽車結構的優化一定是和金屬類似，建筑在多材料體系基礎上的混合結構，例如包覆模塑工藝成型的部件。

個人認為，目前汽車領域需要關注三家公司，一個是TESLA，一個是BMW，另外一個是GOOGLE。

六、PMI硬質泡沫在汽車復合材料結構夾層結構中的應用

與沒有泡沫夾層結構的層壓板相比， 泡沫夾層結構能夠顯著的提高結構的強度和剛度。文章總結了復合材料結構中夾層結構的應用，對比了蜂窩和泡沫在設計、工藝和使用過程的差異性。針對夾層結構的不同設計方式，做了詳細的介紹；同時針對不同的泡沫對比了其動態剪切模量和壓縮蠕變性能。針對常用的工藝，介紹了如何選擇泡沫的密度和類型以及泡沫芯材的型號。

針對目前汽車復合材料結構量大低成本的特點，結合復雜的大型三維結構， 夾層結構的制造成本和生產周期卻是個無法回避的劣勢。采用PMI泡沫模具內發泡技術， 能夠對具有復雜形狀的芯材進行高生產率的規模量產。

1、夾層結構原理概述和芯材的選擇

復合材料夾層結構通常采用先進復合材料做面板，其夾芯為輕質材料。夾層結構的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結構的芯材主要承受剪應力并支持面板不失去穩定性，通常這類結構的剪力較小。選擇輕質材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構件的重量。當然，對于面板很薄的夾層結構，還應考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結構的使用經驗還表明：在從成本方面評估夾層結構時，不僅要考慮制造成本，還必須考慮使用期的全壽命成本。

目前汽車夾層結構主要的使用位置有：前蓋，后蓋，地板，門等。

通過在兩層面板中加入輕質的芯材， 夾層結構能夠有效地優化結構的受力狀態， 其主要原理是增加結構的截面慣性矩， 將彎曲應力轉化為拉升應力。

表1比較了不同結構中彎曲剛度和抗彎強度。 這三個結構具有相同厚度的表面鋪層， 以及不同厚度的夾芯。 運用夾層結構理論， 我們可以用較少的鋪層材料， 而達到比較高的結構強度。

夾層結構可以運用在多個領域。 在航空制造領域， 這是進行減重重要的結構。 風機葉片在大規模生產中也會采用這個結構。 然而， 雖然有很強的需求， 夾層結構仍然沒有廣泛的運用在三維結構的部件中。 這主要是因為其生產工藝復雜， 很難大規模量產運用到具有復雜三維結構的部件中。

芯材能夠極大地影響夾層結構部件的性能。 它主要承受壓縮應力和剪切應力。 同時， 應當能夠很好的與表面鋪層進行粘合。 當然， 重量越輕越好。 另外在滿足機械性能的同時， 易加工型是需要重點考慮的。

很多材料都可以作為芯材使用。 比如， 鋁蜂窩就可以作為聚合物泡沫的一個替代材料， 其具有較高的抗壓強度， 低密度， 以及大部分聚合物材料所不具備的不可燃特性。 但是由于蜂窩結構的開放結構。 限制了其在芯材中的使用。 而且雖然蜂窩具有很高的抗壓強度， 但是這個特性只適用于一個方向， 這決定了蜂窩夾層結構只能運用在近二維結構中。 對于三維結構， 由于蜂窩無法承受三維方向上的載荷， 所以無法與各向同性材料競爭。

通常在夾層結構設計中，泡沫材料的密度（50kg/m3-120kg/m3）比蜂窩密度（32 kg/m3或48kg/m3）要高，剪切強度也低于同樣密度的蜂窩材料，這也是目前蜂窩材料的應用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工藝、設計和使用過程中，也有其獨特的優勢。

目前，先進復合材料夾層結構中常用的泡沫芯材是贏創工業集團生產的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫在進行適當的高溫處理后，能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在先進復合材料領域得到了廣泛的應用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求，

從工藝的角度來講，蜂窩和泡沫相比，機械加工相對簡單；對于復雜形狀，可以通過熱成型的方法對芯材成型。泡沫夾層結構和蜂窩夾層結構相比，能夠適應更高的共固化溫度和壓力，不需要進行填充處理。在同樣的共固化條件下，泡沫夾層結構的復合材料蒙皮的力學性能相對要高。另外，泡沫芯材還能直接用于各種液體樹脂成型工藝，例如各種樹脂轉移模塑工藝等。

從設計的角度來講，除了常用的全高度夾層結構和蒙皮夾層結構以外，還可以設計泡沫填充帽形加筋條結構。另外泡沫的力學性能是各向同性，而蜂窩是各向異性。在復雜的受力狀態下，泡沫比蜂窩更能滿足結構和強度要求。

在使用過程中，泡沫因為是閉孔結構，和開孔的蜂窩結構相比，具有較低的吸水率，減少維修成本。

選擇合適的泡沫材料，需要考慮下面幾個因素。

長期使用溫度，可以參見泡沫材料動態剪切模量選擇泡沫的規格。

工藝要求。根據固化工藝的溫度、壓力和時間，確定滿足壓縮蠕變要求的泡沫規格和型號。

密度要求，通常選擇的泡沫密度在50kg/m3-120kg/m3之間。

樹脂的粘度。例如液體樹脂成型，推薦使用細小泡沫孔隙的型號，減少泡沫表面樹脂吸收率，減輕結構重量。

2、夾層結構主要設計形式

對于結構高度小的結構（例如定風翼），采用全高度夾層結構代替梁肋式結構也能帶來明顯的減重效果。夾層結構的優點是具有較大的彎曲剛度和強度。對于結構高度大的結構，采用蒙皮夾層結構能明顯減輕重量。

在彎曲和軸向壓力作用下，薄壁復合材料結構常常會發生穩定破壞，失穩破壞總是在材料到達壓縮破壞強度以前，在受壓部位出現，為此工程師常常設計加筋條結構。對于常用的加筋板，圖4（a）中，加筋板分3步制造，包括面板固化、加筋條固化和二次膠接。盡管可以通過一些低成本的方法，例如擠出工藝制造出加強筋，但是由于采用了二次膠接，抵消了成本優勢。另外一種方法是加強筋和面板采用共固化工藝，如圖4（b）所示，設計中可以采用和樹脂有相同固化周期的膠膜來提高膠接面整體性。加強筋可以經過預固化或者未經預固化，這樣加強筋和蒙皮結合在一起。圖4（c）中，增加了設計尺度，這也帶來微觀的設計。圖4（d）是放棄整個I形加強筋的概念，采用泡沫填充帽形加筋條的設計方法。和空心的帽形加筋條結構相比，避免了帽筋條的側壁產生失穩，導致結構過早破壞。

泡沫填充帽形加筋條的面內壓縮強度和空心加筋條相比，在結構出現初始失穩時，失穩載荷提高約99%（圖 5)。芯材主要承受和加強筋側表面垂直方向的拉應力和壓應力，避免在碳纖維/環氧復合材料面板達到屈服強度前，結構過早地發生失穩破壞。

對于常用的夾層結構共固化工藝，例如泡沫填充帽形加筋條結構，芯材還作為蒙皮復合材料的芯模，起到工藝輔助材料的功能，在復合材料蒙皮或面板的固化壓力和溫度條件下，提供足夠的尺寸穩定性，保證蒙皮或面板能夠壓實。泡沫和蜂窩相比，更加適合于共固化工藝。

3、PMI剛性泡沫的生產

聚合物剛性泡沫能夠允許用戶使用數控加工或者熱變性成型的方式，來加工成用戶所需要的形狀。 由贏創工業集團Evonik Industries AG生產的PMI剛性泡沫就具有這樣的特性。 PMI泡沫是由MAA和MAN共聚反應而成。(見圖6)

與其它的聚合物泡沫相比， ROHACELL? PMI硬質泡沫提供極其優越的比強度。 而且能夠在180°C高溫下耐受很高的壓力， 這使其作為很多應用和工藝方法的選擇材料。

4、PMI泡沫的模具內發泡技術

在實際使用中， 過高的數控加工成本讓這種工藝難以運用在大規模的量產中。 由于碳纖維量產技術的飛躍， 對于高性能復雜形狀的夾芯泡沫的市場需求也在不斷的增長。 ROHACELL? Triple F是一種顆粒狀的泡沫芯材， 專門用于模具內發泡工藝， 由贏創工業集團Evonik Industries AG研發。 這種技術能夠通過減少材料損耗， 降低人工成本， 縮短工藝時間， 有效地降低了單件制件的成本。

在這種工藝中， PMI泡沫聚合板被粉碎為顆粒， 并且通過預發泡來獲得想要的密度。 這一步非常重要， 即必須在聚合物中保留一定數量的發泡劑。然后將這些顆粒裝入封閉的模具內加熱，發泡會重新開始，這些顆粒將不斷的增大。 由于模具型腔的限制，這些顆粒會不斷地變形， 并且填滿整個模具型腔。 冷卻階段中， 這些聚合物會回到穩定的狀態， 然后就可以開模取出具有與模具一致形狀的泡沫芯(見圖7)。

通過實驗， 我們發現通過顆粒發泡的泡沫材料， 其性能低于完整發泡工藝的泡沫。 通過將ROHACELL? IG-F和ROHACELL? Triple F進行對比試驗， 抗壓強度以及抗剪切強度都發生了顯著的降低， 這主要是由于顆粒之間較低的結合力造成的。 為了改善這一問題， 在預發泡的顆粒中需要加入粘合劑。 在模具內發泡時， 高溫會讓粘合劑融化， 在冷卻后形成顆粒之間良好的粘結強度。 這極大地改善了泡沫芯材的機械強度， 在高密度的應用中， 甚至能夠達到正常工藝生產的ROHACELL? 泡沫(見圖8)。

與數控加工相比， 模內顆粒發泡工藝的另外一個明顯的優勢是可以埋入其它不同的材料。 金屬或者其它可以耐受高溫的塑料都可以在模內發泡時候進行埋入， 這樣可以高度整合其它的結構部件。 比如， 典型的應用是可以埋入螺栓套。圖9展示了一個埋入工藝的工藝驗證件。這證明了通過ROHACELL? Triple F， 可以獲得各種復雜形狀的泡沫芯材， 以及各種表面結構。

5、汽車復合材料夾層結構的低成本工藝

汽車復合材料應用已經不再是一個小眾市場。相對于復合材料的其他應用領域，汽車領域已經是其市場，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每輛乘用車，復合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級別、地區和部件有所不同。對于所有級別的車輛，儀表板等內飾件，75%的車輛采用了復合材料，但是對于結構部件，僅僅在高端車型中有所應用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復合材料。總的來說，復合材料的用量豪華車大約是15%，高端車大約9%，中級車6%，入門級車4%。

2015年以后，隨著碳排放法規（2020年生效，并逐步嚴格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環氧樹脂的出現，加上工藝和自動化設備的不斷成熟，例如針對熱固性復合材料快速制造開發的HP RTM（高壓樹脂轉移模塑）工藝和模壓成型工藝、熱塑性復合材料層板熱成型自動化設備，到2020年，碳纖維復合材料的綜合性價比會優于金屬，取代金屬材料，用于量產車的底盤制造，并涵蓋大多數的高端車型和少量的中級車。

HP RTM（高壓樹脂轉移模塑）工藝示意圖：

模壓成型工藝示意圖：

或者

熱塑性復合材料層板熱成型示意圖：

6、結論

夾層結構是對結構進行減重可靠有效的技術。 但是與金屬相比， 碳纖維制造件的造價仍然偏高。 所以， 如何降低生產成本是一個大家共同關心的問題。 從小批量的試制到大規模生產， 其工藝方案是完全不同的， 在大規模生產中， 要求極高的自動化水平和極短的工藝循環周期。 這就要求工藝和材料比如能夠耐受高壓(> 30 bar)和高溫(~ 180 °C)的生產環境。 因此， 泡沫芯材就成了制約復合材料工藝在大規模生產中應用的短板。 PMI剛性泡沫能夠滿足這樣的工藝和生產環境要求， 大規模生產三維復雜形狀泡沫夾芯。

提問環節：

1、復合材料現在國內應用的情況如何？在哪些汽車零部件中用的多？

現代的高性能連續纖維復合材料的應用，國內是一個空白。改裝車市場，沒有實現批量化工業化的規模。ＢＭＷｉ３是世界上個采用碳纖維環氧復合材料的量產車

2、國內現在汽車結構件的研發應用情況如何？可靠性如何？

剛剛起步。

3、怎么解決生產效率問題？

材料的革新（主要是樹脂）＋真正基于工業化基礎上的設計＋自動化。我個人特別推崇ＩＫＥＡ。同樣的木頭，通過不一樣的設計（板式），實現了低成本，批量化。

4、實現復合材料低成本的出路在哪里？

目前復合材料的成本１/３材料，１/３是工藝，１/３是后期的安裝等。降低工藝成本和后期的安裝、拋光、打磨的費用是首當其沖。

5、纖維增強復合材料的疲勞研究怎么考慮？

這個問題，對復合材料不是問題。我們的運動器材大多是碳纖維復合材料。復合材料具有比金屬材料更好的疲勞性能。

6、纖維增強復合材料怎么修復？怎么回收？

這個問題很簡單。我們的boeing飛機，你能看到的都是復合材料，他們的維修經驗可以給我們參考。

7、國內增強復合碳纖維車架有沒有人做？

沒有。

8、國內碳纖維車門做到什么程度？

沒有聽說。很多都是一些樣件，我們不能被誤導了

9、國內碳纖維輪轂有沒有人使用？

有聽說過。

10、泡沫鋁材料使用有沒有開始？

沒有。

11、復合材料如何做結構性連接？鉚接，焊接？粘接？

復合材料的結構連接：膠結，參見BMW的介紹。但是我不認為這個是終結方案，結構形式可以多樣，材料體系可以多元。

12、纖維增強熱塑性復合材料制品模具設計與成型的發展？

熱塑性overmolding是好的解決方案。

13、復合材料常用無損檢測方法？

參見胡總的論文：http://www.frponline.com.cn/expert/news/detail_178.html

（文章來源：蓋世汽車網）