汽车复合材料探索：1min的循环时间?

大洪

　　面对居高不下的燃油价格和日益严格的尾气排放标准，汽车制造商们正在积极行动，以将复合材料技术把握在自己的手中。
　　在美国，国家公路交通安全管理部门（简称“NHTSA”）和环境保护机构（简称“EPA”）正在对“公司平均燃油经济（简称 ‘CAFE’）标准”进行修订，修订后的标准将在2017～2025年间执行。CAFE标准是美国政府针对所有被售卖到美国的轿车和卡车而设立的汽车燃油效率标准。这一被提议的“2017～2025标准”，要求汽车的燃油效率要有大幅度的提升。
　　在欧盟国家，负责制定和颁布大多数欧盟工业管理法规的欧洲委员会目前正专注于解决“直接降低轿车和卡车排放” 的问题。目前对乘用车的CO2排放限制是130g/km，但到2020年，这一数字将降低到95g/km。而该委员会正在为2020年之后制定的法规，则作出了更多的承诺。
　　因此，无论哪一家汽车制造商，都在试图减少排放或提高燃油经济性。而最有效的策略之一就是减重。在汽车行业中，尽管已很少有人对“复合材料是轻量化解决方案中最好的手段”持有争议，尤其是碳纤维增强的聚合物（CFRPs）材料，其强度重量比高于任何其他金属材料或聚合物材料。但汽车制造商们却面临着三重挑战：循环时间、成本和材料的可获取性问题。那么，碳纤维复合材料结构如何才能够以适应高产量汽车生产的成本和生产速度被制造出来呢？并且，一些汽车制造商已经指出，即使碳纤维变得更加便宜，但是，汽车行业如何才能将自身托付给纤维供给如此不稳定且不可靠的碳纤维复合材料结构呢？
　　在经济衰退前，汽车OEMs提出了这些问题并表示会等待复合材料行业的答案。但是，经济衰退后的实际情况――石化燃料价格的持续攀升以及全球对温室气体排放问题的深刻认识，使得汽车OEMs目前正在大力倡导使用复合材料。
　　就碳纤维的可获取性而言，解决这一问题的一种方法是，与一家碳纤维生产商发展成为合作伙伴关系，从而为OEM自身的汽车创建一个专门设计的碳纤维供应链。2010年，汽车制造商宝马集团和碳纤维制造商西格里集团正是采取了这种做法。他们组建了西格里汽车碳纤维公司，该公司不久前在美国华盛顿州摩西湖启用了一个产能3000t的碳纤维工厂，这一产能将服务于宝马，因为这些纤维将被大量用于一些大型部件，包括乘员舱以及其他的底盘结构件，并且将被用作2013款全电动i3乘用车和2014款混合电动i8跑车的车身板，这是碳纤维复合材料首次在量产化的乘用车上被用于底盘结构件。
　　宝马与西格里的合作，还进一步挑战了循环周期问题。这种满足轿车或卡车高产量生产要求的生产节拍，通常被公认为是“每分钟一个部件”，这是汽车OEMs在金属冲压生产中保持了几十年的生产循环周期。理想状态下，一家汽车制造商更欢迎一种真正的“60s工艺”，而这是复合材料行业还不能够承诺的，特别是热固性复合材料，因为此类材料不可避免地要花费足够的时间来交联固化。但复合材料的支持者们总是强调说，由于用于复合材料成型的模具能够以比金属冲压模具少得多的成本被制造出来，因此“每分钟一个部件”的期望可以通过使用多副模具和多台压机且工艺流程相对较长的方式而得到满足。同时，在过去的几年里，随着创新成型工艺的不断推出，成型周期已逐渐降低。
　　

　　图1 将于2013年发布的宝马全电动i3市郊车拥有一个采用树脂传递模塑成型技术生产的碳纤维复合材料乘员舱
　　宝马工艺的循环周期尚不为人知，所知的只是其采取的工艺是基于采用碳纤维织物的树脂传递模塑成型技术（简称“RTM”），这是一种比手工铺层/热压罐固化方法（在低产量的超级跑车生产中用于成型CFRP部件）更快的生产工艺。Momentive Specialty Chemicals公司（位于美国俄亥俄州Columbus）的汽车市场开发经理Cedric Ball介绍说，该公司已开发出了几种适用于高压RTM（简称“HP-RTM”）工艺的快速固化环氧树脂，该工艺的压力高达2900psi（203kg/cm2），注射速率为200g/s。Ball介绍说，宝马公司已于2009年使用了快速固化的RTM树脂，用以成型M3和M6车型的碳纤维复合材料的车顶。而奥迪汽车公司自2011年起也将该树脂用于R8车型的B柱侧面板。此外，Ball还表示，该公司有一种5min固化的环氧树脂系统已进入几款未公布车型的生产中，还有一种2min固化的环氧树脂系统正处于试验阶段。其中，5min固化的环氧树脂技术，组合使用了该公司的EPIKOTE树脂05475和EPIKURE固化剂05443。在加工方面，该公司与意大利的机器制造商康隆（Cannon）公司以及德国的克劳斯玛菲和迪芬巴赫均展开了全力合作。“我们确信，通过采用对树脂系统、工艺和模具设计组合正确的RTM工艺，实现一分钟循环周期不成问题。”Ball说，“树脂系统是一个关键要素。但Momentive Specialty Chemicals公司确信，所有的3个要素都不可或缺，它们的正确组合才能确保部件的成功生产。”
　　

　　图2 帝人公司采用其“60s热塑性复合材料压制成型工艺”成型的乘员舱被用于该示范车上
　　这种在汽车行业中史无前例的合作，毫无疑问地为后续发生的一系列类似的碳纤维生产商与汽车制造商合作，以期减轻重量并开发用于碳纤维复合材料的高速生产工艺创造了条件。最引人注目的合作之一，是通用汽车公司与碳纤维生产商帝人公司之间的合作，因为此项合作的目标是直面“每分钟一个部件”的挑战。帝人公司表示，该公司已为采用预浸料压制成型技术的碳纤维复合材料部件生产而开发了一种真正的60s生产工艺。那么，其不同之处是什么呢？这种预浸料采用的是热塑性的基体材料，因而与热固性预浸料不同，它无需更长的时间来进行交联或固化。该合作伙伴关系是于2011年底对外公布的，此后，两家公司在美国底特律附近建立了一个技术中心，以充当这项工艺的研发平台。该中心目前正在对聚丙烯和聚酰胺树脂、中等模量的碳纤维（包括单向结构和各向同性结构）以及长纤维增强热塑性粒料进行评估。通用汽车公司的官员曾表示，在一个量产车的生产中整合碳纤维复合材料，要求彻头彻尾地在设计和工程开发阶段，优化对材料的使用并最大程度地降低重量。采用这种工艺生产的部件和结构将于何时出现在通用的汽车上目前尚不清楚。对于这一报道，帝人先进复合材料美国公司的副总经理Eric Haiss说：“通用汽车公司于2011年12月宣布，帝人将为碳纤维在汽车行业的革新应用提供机遇，同时这项技术将有可能使通用汽车公司成为行业游戏规则的改革者。对此，我们备感荣幸。这项当前正在开发的工艺使我们兴奋地预见到了我们未来的增长机遇。”
　　2011年1月，戴姆勒公司（位于德国斯图加特）和碳纤维生产商东丽工业公司（位于日本东京）在德国埃斯林根组建了一家合资公司，以制造和销售用作汽车配件的碳纤维复合材料部件。与宝马公司一样，戴姆勒公司正采用一种由东丽公司开发的被称作“短周期RTM（Short Cycle RTM）”的RTM工艺，生产用于戴姆勒的梅塞德斯-奔驰乘用车的部件。
　　

　　图3 作为汽车复合材料领域的资深专家，Antony Dodworth表示，将碳纤维复合材料整合到轿车或卡车中的最大障碍主要发生在设计和工程开发阶段。例如，一个复合材料的车门（上图），能够使用比金属车门（下图）少得多的部件被设计和制造出来
　　

　　图4 这款金属车门所需要的单独制成的部件，远比采用复合材料优化设计的同样车门要多。但Antony Dodworth说，在汽车制造商们开始意识到需要为复合材料的应用而优化结构设计之前，会有一段时间，汽车部件会被设计成像“黑色金属”的样子
　　第四例合作伙伴已经披露了其目标――直接挑战碳纤维的生产成本。福特汽车公司和陶氏化学汽车部门于2012年4月组建了团队，来开发具有成本效益的碳纤维复合材料结构，以帮助福特汽车公司实现“到2020年，将新开发汽车的重量减轻340kg”的目标。陶氏化学公司并非是一家老牌的碳纤维生产商，但该公司已与碳纤维生产商AKSA公司（位于土耳其伊斯坦布尔）和美国能源部（简称“DoE”）的橡树岭国家实验室（简称“ORNL”）展开了合作。DoE已为ORNL下达了任务，以寻求一种可低成本生产碳纤维复合材料的方法。通常为大多数碳纤维生产商所采用的源自石油的聚丙烯腈（PAN）原丝，其所生产出的高质量、尤其是高强度的碳纤维是相当昂贵的。ORNL正在试图开发一种低成本的、可持续的（即植物基的）原丝，它能够减少最终纤维的成本。虽然陶氏化学和福特汽车公司都没有对他们下一步的合作计划作出解释，但福特汽车公司的确早于2009年曾明确表示，该公司不会考虑增加碳纤维复合材料的使用，除非其价格下降到US$5/lb。显然，自此以后经济环境的变化改变了福特的观点。当被问及福特正在考虑在哪些结构上利用其与陶氏的合作成果来使用碳纤维时，陶氏的发言人说：“我们不会披露与这项联合开发协议（简称 “JDA”）有关的目标，但大量使用碳纤维复合材料，从而帮助福特实现汽车减重的愿望这一目的是清晰的。”
　　同样在2012年4月，RTM技术的专家FRIMO公司（位于德国Lotte）和材料供应商亨斯迈聚氨酯公司（位于比利时Everberg）签署了一项合作协议，为汽车应用开发纤维增强的聚氨酯解决方案。虽然亨斯迈的聚氨酯属于热固性材料，但其交联和固化速度极快。亨斯迈已为其Everburg 技术中心购买了一台FRIMO的试制用生产单元。这台设备是专为加工聚氨酯树脂体系而设计的，它使亨斯迈能够扩大试验范围，从而确定以“VITROX”为商品名的一系列新的树脂可用于汽车复合材料。利用该设备，可以准确地描绘出放热曲线，并可实现预期的固化时间。作为一个单独部门，亨斯迈先进材料公司正在推动被其称作是“快速RTM（Fast RTM）”的技术在汽车制造中的应用。该技术在材料混合和成型中使用的压力高于217psi（大约是15.2kg/cm2），据说循环周期是5.5～13min， 包括：制备预浸料套料、注射成型、固化和脱模等过程。
　　

　　CAFE standards are used by the U.S. government to establish vehicle fuel efficiency standards (measured in miles per gallon or mpg) for all cars and trucks sold into the U.S. The 2017-2025 proposed standard (summarized here) calls for substantial increases.
　　2012年6月，Umeco公司（位于英国Heanor）宣布，其ACOMPLICE （用于轻量化汽车结构的可负担的复合材料）合作团队，包括：阿斯顿-马丁拉贡达公司（位于英国Gaydon)、 Delta Motorsport公司（位于英国Northants)、ABB机器人公司（位于瑞士Zurich) 和Pentangle工程服务公司 (位于英国Grantham)，将检验在主流汽车上使用高性能复合材料的潜力。Umeco在 ACOMPLICE中的作用是开发快速固化的预浸料，并确保通过使用机器人实现快速的操作和铺层工作。与此同时，全新的材料排布及成型技术将与这些技术一起被开发出来，以提高部件的生产效率。该工艺以 Umeco的Dform预浸料压制工艺为基础。
　　“我们拥有一些快速固化的树脂，而不只是环氧树脂。” Umeco 的市场战略总监Nigel Blatherwick说，“其中的一些树脂已接受了一级供应商和OEMs的评估。然而，我们正以3个核心要素为目标，开发4min循环时间的工艺――这不仅包括部件的成型时间，而且更重要的还包括预成型过程。这就是说，快速固化的树脂只是方程式的一部分，因为对于先进复合材料的应用而言，部件设计、生产工艺和材料这3个要素历来都缺一不可。
　　同时，Plasan Carbon Composites公司（位于美国佛蒙特州本宁顿）也花费了过去数年的时间，与压机制造商Globe机器制造公司（位于美国华盛顿州塔科马） 和模具制造商Weber制造技术公司（位于加拿大安大略米德兰）一起，研发了一种快速固化的非热压罐系统，用于成型以热固性树脂为基体的碳纤维复合材料，循环时间大约需要17min， 目标循环时间是10min。Plasan公司已在美国密歇根州威克瑟姆开放了一个技术中心，紧邻汽车行业的客户。2011年夏天，该技术中心试制生产了一种6层碳纤维复合材料的饰板，它拥有A级表面质量和出色的固结性。
　　实际上，如果碳纤维复合材料在结构性汽车部件上濒于广泛的应用，则很有可能发生曾在航空和其他行业中出现的那种情况，即初期的冲动所表现出来的，是设计并制造出像“黑色金属”那样的部件。
　　Antony Dodworth是Dodworth Design公司（位于英国伯明翰市）的首席复合材料工程师，曾在carmaker Bentley公司（位于英国柴郡Crewe）担任工程师。他坚持认为，复合材料在汽车行业应用的最大障碍不是来自与材料或加工工艺相关的因素，而是设计方面的问题。他说：“大多数的汽车应用是受刚性要求的驱使，因此可能就是剖面尺寸的问题，以及尽可能多地将剖面尺寸整合到每个部件中。而新的材料和工艺开启了新的设计可能性，由此而带来的挑战就是，要求制成的结构在一种自动化方法中是可制造的，同时追求材料的特性能满足自身的要求。”
　　Umeco公司的Blatherwick也表示，当汽车OEMs关注零部件的成本时，要将复合材料整合应用到轿车或卡车中，就需要对设计过程进行更加全面的分析。虽然随着零部件的年产量从数百增加到数千乃至数十万时，循环周期成为一个主要问题，但就OEM所关注的采用先进复合材料的成本而言，成型部件的成本将始终处于他们期望值范畴的高位。他说：“当然，还有一系列现实问题需要解决，如：材料表征、虚拟模拟、废料水平、连接技术和回收利用等。但是，如果材料供应商、零部件制造商和汽车OEMs紧密合作，共同努力，那么没有什么是不可逾越的。”
　　鉴于复合材料在汽车结构上的应用尚处于初级阶段，Dodworth表示，随着汽车行业在开发过程中对复合材料的逐步适应，可以期待着“汽车复合材料部件的设计会在一个稳步的发展进程中逐渐成熟起来”。反之则并非如此。相应地，这可能是汽车复合材料真正实现自动化生产的前奏。“一些重要的欧洲汽车制造商们目前正在寻求新的复合材料制造能力，以满足他们高产量的应用需求。关于这种高产量的制造能力会来自哪里，则不存在任何的成见或偏见，只要它易于与欧洲接触即可。满足这类制造要求的生产技术将日益依赖于自动化，因而将涉及到对设备和产能的投资能力，同时要求相对而言不能对人工费率太敏感。”
　　那么，哪里才有可能成为这一切研发的引领之地呢？Blatherwick说：“在Umeco公司，我们正将先进复合材料纳入到支持未来5～10年实现重要增长的整体确定性发展规划中。”尽管当前汽车复合材料的进展尚笼罩在保密阶段，但显而易见，复合材料行业正在分享着前所未有的来自汽车行业的热情，它预示着未来的发展趋势。(end)