碳纖維復合材料的成型工藝及批量化生產成本分析

發布日期：2018-08-07信息來源：中國玻璃纖維復合材料信息網瀏覽次數：4610

　　隨著汽車油耗和排放法規加嚴，新能源汽車的崛起，汽車輕量化發展已成趨勢。復合材料的替代使用是汽車實現輕量化的一個有效手段。本文介紹了幾種復合材料的生產方法，并探究了其批量化生產的發展前景。
　　碳纖維復合材料在工業領域的應用　　
　　材料的更新替代往往是為了滿足更高的應用要求。碳纖維具有較高的楊氏模量和低熱膨脹系數，其增強的復合材料具有更好地機械性能和熱性能。因此，碳纖維復合材料在體育用品、航空航天、汽車交通等領域都有著廣泛的應用。目前碳纖維復合材料在汽車制造中的應用主要受成本因素影響。一方面，碳纖維復合材料的應用增加了材料成本和生產的時間成本；另一方面，其可實現零部件的集成化，減少零部件數量，同時也降低重量。從另一個角度來說，碳纖維復合材料的應用也帶來了汽車應用成本的降低。　　
　　碳纖維復合材料部件的設計與制造　　
　　設計方面，碳纖維復合材料部件的設計和生產需要綜合考慮部件的實際應用要求，通過受力、載荷路徑等分析，結合實際應用情況進行設計。　　
　　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用成本。　
　　制造方面，一般需要先制作預浸料，再進行模具成型。預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形成的，可放入模具中進行高溫固化成型。預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合。此外，模具成本也是構件成本構成的一大因素。部件的形狀需要依靠模具來實現，一般有陰模和陽模兩種形式。陰模是依據零部件的尺寸、形狀等要求制造而成的模具，可成型各種復雜結構的部件。但陰模生產過程復雜，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。　　
　　手糊成型　　
　　手糊成型是構建單一復合材料和少量產品具成本效益的方法之一。通過手工在模具中鋪設纖維，再使用壓輥等工具手工浸漬樹脂。但這種勞動密集型生產方法在產品穩定性和纖維體積含量方面存在限制，且不適合批量生產。　　
　　真空灌注　
　　將纖維層鋪設在模具中，并在纖維層上設置真空密封裝置，將裝置內抽成真空，樹脂則通過產生的壓力差注入到模具中。這種方面可實現纖維體積含量大于50%時，仍能獲得較好的力學性能。該方法適合批量生產，但勞動密集度仍較高，且產品穩定性稍差。　
　　樹脂傳遞模塑成型（RTM）　
　　將纖維材料鋪設在模具中，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，壓力大小對產品質量、應用成本、生產周期等均有影響。
　　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，縮短了生產周期，也降低了成本。　
　　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。　　
　　拉擠成型連續制造技術　　
　　相對于其他成型方式，擠拉成型可實現連續化生產，具有更高的生產效率。纖維束被拉過兩側敞開的模具，注入樹脂，使纖維滲入模具內，然后固化成型。成型材料可根據需要切割成適當的長度。　　
　　擠壓成型可實現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，連續化生產更是有效縮短了生產周期，節約了成本，適合大規模生產。但該方法僅能生產二維截面部件，如管狀、柱狀、T型或I型部件，無法成型結構復雜的部件。因此，只要結構復合材料部件的幾何形狀允許使用拉擠成型，就可實現連續生產并顯著節省經濟成本。　　
　　纏繞成型　
　　該方法是將纖維纏繞在旋轉芯上，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合，具有較高的成本效益。但是，對于部件的形狀和設計限制較多，只能包裹能夠旋轉的結構，例如管或旋轉對稱輪廓。同時，部件的表面光潔度較差，需要后續再加工。　
　　質量控制　　
　　復合材料部件由于需要承受不同的載荷，對其質量要求較高，因此需要在生產的各步驟中進行連續的質量控制。同時，在部件的使用過程也需要定期進行質量監測，包括一些材料破壞性和非破壞性的測試。　　
　　應用實例　　
　　目前，汽車輕量化是汽車行業發展的重點。且隨著新能源汽車產業的崛起，汽車輕量化需求更加迫切。SPIRI開發了一款城市共享輕型電動車，采用了碳纖維復合材料車身設計，續航里程400公里。該車車身重100kg，車身集成化設計使得零部件數量進一步減少。　　
　　基于該碳纖維車身，對其生產成本進行計算，結果表明：纏繞成型碳纖維復合材料的應用成本最低，其次是鋼材、模壓成型碳纖維復合材料、RTM成型碳纖維復合材料。同時，預浸料的生產成本較高，因此，使用預浸料也會造成成本的大幅增加。　　
　　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合材制造方法。綜合來看，碳纖維復合材料車身的生產成本約是同類鋼制車身的1.35倍。　　
　　小結　　
　　綜上，與鋁和鋼合金等金屬材料相比，碳復合材料的使用能夠顯著減輕車身結構的重量。且通過成本分析來看，碳纖維復合材料車體及結構件的大規模生產是具有可行性的。同時，選擇合理的成型方法也有利于兼顧減重和成本。