5月28日周四晚8點，蓋世微課堂邀請了贏創(chuàng)特種化學(xué)（上海）有限公司ROHACELL ®泡沫產(chǎn)品亞太區(qū)高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理，胡培，以“高性能復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用”為主題，圍繞復(fù)合材料的發(fā)展及其在汽車中的應(yīng)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(guān)行業(yè)的共450位人士在群內(nèi)展開熱烈討論。以下是課堂焦點內(nèi)容速記匯總，與業(yè)內(nèi)共饗！

一、復(fù)合材料定義

材料材質(zhì)分類

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)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(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

材料、加工、成型種類

隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復(fù)合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強復(fù)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(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達550多萬噸，年產(chǎn)值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國復(fù)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(fù)合材料的年產(chǎn)量達170萬噸左右。特別是汽車用復(fù)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(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計2005年總產(chǎn)量將達180萬噸。

材料發(fā)展歷程

從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復(fù)合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機向高速、增壓、高負荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)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(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)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(fù)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(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。

另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)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(fù)合材料的增強材料

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

1、玻璃纖維

目前用于高性能復(fù)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(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預(yù)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(yōu)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(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復(fù)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(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)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(yè)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(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)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(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)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(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)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、超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)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(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復(fù)合材料

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)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、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)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(yīng)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(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)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(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)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(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀60年代發(fā)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(jié)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(fù)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(chǎn)乙烯基酯樹脂。

1971年以前我國的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進國外先進技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機、玻璃鋼水箱、衛(wèi)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(lǐng)域如屋頂風(fēng)機、軸流風(fēng)機、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機、尾翼、衛(wèi)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(fù)合材料

熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)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(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)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(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、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?；墼鰪奝P在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復(fù)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(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復(fù)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(fēng)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(fù)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(fā)展，2000年產(chǎn)量達到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)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(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達國家尚有差距。

四、我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c

我國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點問題。

1、復(fù)合材料創(chuàng)新

復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)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(qū)具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展

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

3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)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(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進國家尚有差距，必須改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。

4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場

一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)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(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)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(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)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(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。

5、纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)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(fù)合材料綜合處理與再生

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

21世紀的高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)是賦予復(fù)合材料自修復(fù)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(fā)高剛度、高強度、高濕熱環(huán)境下使用的復(fù)合材料為重點，構(gòu)筑材料、成型加工、設(shè)計、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯(lián)盟和集團化，這將更充分的利用各方面的資源（技術(shù)資源、物質(zhì)資源），緊密聯(lián)系各方面的優(yōu)勢，以推動復(fù)合材料工業(yè)的進一步發(fā)展。

　　五、復(fù)合材料在汽車中的發(fā)展過程和現(xiàn)狀

　　作為世界上最大的工業(yè)領(lǐng)域之一，2010年的汽車行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)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

　　近幾年，全球汽車工業(yè)的發(fā)展主要源于新興市場產(chǎn)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(jīng)濟成就也帶動了國內(nèi)消費和服務(wù)業(yè)的興起。汽車消費的發(fā)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(shè)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(yè)的的發(fā)展，曾經(jīng)是西方戰(zhàn)后的經(jīng)濟恢復(fù)的象征，如今也成為中國等新興國家經(jīng)濟實力的體現(xiàn)。預(yù)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(chǎn)的汽車比北美、日本和德國加起來的產(chǎn)量都多。

　　1、60年來汽車復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用緩慢

　　復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)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(jié)構(gòu)部件，例如硬質(zhì)車頂。從70/80年代開始，越來越多地采用熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)汽車內(nèi)飾以及用熱固性復(fù)合材料制造次結(jié)構(gòu)件，例如保險杠的梁。由于復(fù)合材料具有很多優(yōu)點，例如設(shè)計靈活、容易成型、輕質(zhì)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(lǐng)域還是獲得了一些應(yīng)用。噴漆以后鋼汽車構(gòu)件的成本大約是3-4歐元/公斤，復(fù)合材料次結(jié)構(gòu)件的成本大約是8-10歐元/公斤。

　　汽車復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)不再是一個小眾市場。相對于復(fù)合材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域已經(jīng)是其最大市場，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每輛乘用車，復(fù)合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級別、地區(qū)和部件有所不同。對于所有級別的車輛，儀表板等內(nèi)飾件，75%的車輛采用了復(fù)合材料，但是對于結(jié)構(gòu)部件，僅僅在高端車型中有所應(yīng)用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復(fù)合材料?？偟膩碚f，復(fù)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(fù)合材料的用量通常比發(fā)達國家市場同級別車型低1%。最近，廢舊復(fù)合材料構(gòu)件的回收越來越引起人們的關(guān)注。熱固性復(fù)合材料與熱塑性相比，回收的難度要大很多。所以，在現(xiàn)有的復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有采用熱塑性取代熱固性樹脂體系的趨勢。

　　（1）預(yù)制件過程

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

　　5、熱塑性復(fù)合材料汽車應(yīng)用

　　這幾年，在復(fù)合材料領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料也備受關(guān)注。

　　（1）有機板混合結(jié)構(gòu)包覆成型工藝

　　未來兩年內(nèi)，復(fù)合材料有機板（Organosheet）混合結(jié)構(gòu)技術(shù)將在汽車結(jié)構(gòu)部件的量產(chǎn)化應(yīng)用中實現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應(yīng)商，即巴斯夫和朗盛，以及兩家機器供應(yīng)商，即恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術(shù)開發(fā)的最前沿。

　　采用全塑料的“有機板混合結(jié)構(gòu)”取代汽車中的塑料-金屬的“混合”結(jié)構(gòu)。新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎(chǔ)上，預(yù)成型，然后包覆成型，代替過去在金屬預(yù)成型件的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)工藝不僅僅可以對熱塑性適用，也可以用于熱固性的復(fù)合材料混合部件，參見圖7。

　　“有機板（Organosheet）”的混合結(jié)構(gòu)部件成型工藝的生產(chǎn)流程是：首先加熱一個用PA6連續(xù)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(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，主要市場將是汽車內(nèi)飾，包括座椅部分的組件、門側(cè)防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉(zhuǎn)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(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，可以用于結(jié)構(gòu)件或者次結(jié)構(gòu)件。但是，目前國外還很少有針對汽車領(lǐng)域的熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)包覆成型的研究和應(yīng)用。

　　在K 2010展會中，恩格爾和克勞斯瑪菲這兩家公司都第一次在兩個復(fù)雜的成型單元中證明了這項技術(shù)。當時，恩格爾成型了一個轉(zhuǎn)向柱支架，而克勞斯瑪菲則成型了一個門側(cè)防撞梁。兩家公司均采用了德國Bond-Laminates公司（最近已被朗盛收購）提供的Tepex復(fù)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(yù)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(yù)成型, 接著從其上方將另外的尼龍材料注入到特定區(qū)域。按加熱爐能力的不同，整個循環(huán)時間從33s到55s。

　　在2013中國汽車回收利用國際論壇上，工信部介紹稱，《汽車產(chǎn)品限制使用有害物質(zhì)和可回收利用率管理辦法》已達成行業(yè)共識，正處于部委內(nèi)部征求意見階段，有望于近期發(fā)布?！豆芾磙k法》分階段提出汽車產(chǎn)品可回收利用率的指標要求，確保法規(guī)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(nèi)，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(fù)合材料占整車重量的6%，都尚未考慮復(fù)合材料的回收，因為各個國家和地區(qū)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(fù)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(chǎn)業(yè)集中在回收汽車上的金屬和鋼材，但是回收復(fù)合材料的相關(guān)產(chǎn)業(yè)尚待發(fā)展。復(fù)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(guān)。

　　7、綜合

　　汽車復(fù)合材料的發(fā)展，結(jié)合了化工、機械制造以及汽車復(fù)合材料設(shè)計，從經(jīng)濟結(jié)構(gòu)來看，最新突破應(yīng)該源于德國。德國的工業(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)合了大多數(shù)的豪華汽車和高端車，另外朗盛、巴斯夫等世界頂級化工企業(yè)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(guī)的不斷臨近，復(fù)合材料在汽車行業(yè)的突破會在2015年以后時間，歐洲汽車行業(yè)也會是先進材料的倡導(dǎo)者和先行者。熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)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(fā)展方向。最終汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一定是和金屬類似，建筑在多材料體系基礎(chǔ)上的混合結(jié)構(gòu)，例如包覆模塑工藝成型的部件。

　　個人認為，目前汽車領(lǐng)域需要關(guān)注三家公司，一個是TESLA，一個是BMW，另外一個是GOOGLE。

　　六、PMI硬質(zhì)泡沫在汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　與沒有泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層壓板相比， 泡沫夾層結(jié)構(gòu)能夠顯著的提高結(jié)構(gòu)的強度和剛度。文章總結(jié)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中夾層結(jié)構(gòu)的最新應(yīng)用，對比了蜂窩和泡沫在設(shè)計、工藝和使用過程的差異性。針對夾層結(jié)構(gòu)的不同設(shè)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(tài)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最新的泡沫芯材的型號。

　　針對目前汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)量大低成本的特點，結(jié)合復(fù)雜的大型三維結(jié)構(gòu)， 夾層結(jié)構(gòu)的制造成本和生產(chǎn)周期卻是個無法回避的劣勢。采用PMI泡沫模具內(nèi)發(fā)泡技術(shù)， 能夠?qū)哂袕?fù)雜形狀的芯材進行高生產(chǎn)率的規(guī)模量產(chǎn)。

　　1、夾層結(jié)構(gòu)原理概述和芯材的選擇

　　復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)通常采用先進復(fù)合材料做面板，其夾芯為輕質(zhì)材料。夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的芯材主要承受剪應(yīng)力并支持面板不失去穩(wěn)定性，通常這類結(jié)構(gòu)的剪力較小。選擇輕質(zhì)材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構(gòu)件的重量。當然，對于面板很薄的夾層結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的最小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗還表明：在從成本方面評估夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)的芯材， 夾層結(jié)構(gòu)能夠有效地優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)， 其主要原理是增加結(jié)構(gòu)的截面慣性矩， 將彎曲應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉升應(yīng)力。

　　表1比較了不同結(jié)構(gòu)中最大彎曲剛度和抗彎強度。 這三個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)理論， 我們可以用較少的鋪層材料， 而達到比較高的結(jié)構(gòu)強度。

　　通常在夾層結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工藝、設(shè)計和使用過程中，也有其獨特的優(yōu)勢。

　　目前，先進復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中最常用的泡沫芯材是贏創(chuàng)工業(yè)集團生產(chǎn)的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫在進行適當?shù)母邷靥幚砗?，能承受高溫的?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在先進復(fù)合材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yù)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(fù)雜形狀，可以通過熱成型的方法對芯材成型。泡沫夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，能夠適應(yīng)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(jié)構(gòu)的復(fù)合材料蒙皮的力學(xué)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(zhuǎn)移模塑工藝等。

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

　　在使用過程中，泡沫因為是閉孔結(jié)構(gòu)，和開孔的蜂窩結(jié)構(gòu)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(tài)剪切模量選擇泡沫的規(guī)格。

　　工藝要求。根據(jù)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(guī)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(jié)構(gòu)重量。

　　2、夾層結(jié)構(gòu)主要設(shè)計形式

　　5、汽車復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低成本工藝

　　熱塑性復(fù)合材料層板熱成型示意圖：

　　6、結(jié)論

　　夾層結(jié)構(gòu)是對結(jié)構(gòu)進行減重最可靠有效的技術(shù)。 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(chǎn)成本是一個大家共同關(guān)心的問題。 從小批量的試制到大規(guī)模生產(chǎn)， 其工藝方案是完全不同的， 在大規(guī)模生產(chǎn)中， 要求極高的自動化水平和極短的工藝循環(huán)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(chǎn)環(huán)境。 因此， 泡沫芯材就成了制約復(fù)合材料工藝在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用的短板。 PMI剛性泡沫能夠滿足這樣的工藝和生產(chǎn)環(huán)境要求， 高效率地大規(guī)模生產(chǎn)三維復(fù)雜形狀泡沫夾芯。

　　提問環(huán)節(jié)：

　　1、復(fù)合材料現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用的情況如何？在哪些汽車零部件中用的最多？

　　現(xiàn)代的高性能連續(xù)纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，國內(nèi)是一個空白。改裝車市場，沒有實現(xiàn)批量化工業(yè)化的規(guī)模。BMWi3是世界上第一個采用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的量產(chǎn)車

　　2、國內(nèi)現(xiàn)在汽車結(jié)構(gòu)件的研發(fā)應(yīng)用情況如何？可靠性如何？

　　剛剛起步。

　　3、怎么解決生產(chǎn)效率問題？

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

　　4、實現(xiàn)復(fù)合材料低成本的出路在哪里？

　　目前復(fù)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(fù)合材料的疲勞研究怎么考慮？

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

　　6、纖維增強復(fù)合材料怎么修復(fù)？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(fù)合材料，他們的維修經(jīng)驗可以給我們參考。

　　7、國內(nèi)增強復(fù)合碳纖維車架有沒有人做？

　　沒有。

　　8、國內(nèi)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(dǎo)了

　　9、國內(nèi)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(fù)合材料如何做結(jié)構(gòu)性連接？鉚接，焊接？粘接？

　　復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)連接：膠結(jié)，參見BMW的介紹。但是我不認為這個是終結(jié)方案，結(jié)構(gòu)形式可以多樣，材料體系可以多元。

　　12、纖維增強熱塑性復(fù)合材料制品模具設(shè)計與成型的發(fā)展？

　　熱塑性overmolding是最好的解決方案。

　　13、復(fù)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