5月28日周四晚8点，盖世微课堂邀请了赢创特种化学（上海）有限公司ROHACELL ®泡沫产品亚太区高级业务发展经理，胡培，以“高性能复合材料在汽车中的应用”为主题，围绕复合材料的发展及其在汽车中的应用展开分享与交流，并解答了微友的提问。同时，来自上汽、北京江森等相关行业的共450位人士在群内展开热烈讨论。以下是课堂焦点内容速记汇总，与业内共飨！

一、复合材料定义

材料材质分类

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

材料、加工、成型种类

随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。

材料发展历程

从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

二、树脂基复合材料的增强材料

树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维等。

1、玻璃纤维

目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。

2、碳纤维

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

3、芳纶纤维

20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。

4、高分子量聚乙烯纤维

高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居前列，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

5、热固性树脂基复合材料

热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。我国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨，其中美国为164万吨。我国的产量为18万吨，进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰Atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。

1971年以前我国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。从1987年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂（美、德、荷、英、意、日）和环氧树脂（日、德）生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止2000年底，我国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家，已有51家通过ISO9000质量体系认证，产品品种3000多种，总产量达73万吨/年，居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。

三、热塑性树脂基复合材料

热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。

高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。

云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。

我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。

四、我国复合材料的发展潜力和热点

我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。

1、复合材料创新

复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg，而美国为6.8kg，亚洲地区具有极大的增长潜力。

2、聚丙烯腈基纤维发展

我国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

3、玻璃纤维结构调整

我国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。

4、开发能源、交通用复合材料市场

一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。我国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套；四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场，由于我国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

5、纤维复合材料基础设施应用

国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

6、复合材料综合处理与再生

重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制品中的应用和典型产品中的应用。

21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。

五、复合材料在汽车中的发展过程和现状

作为世界上大的工业领域之一，2010年的汽车行业的工业产值达到9000亿欧元，销售车辆5500-6000万辆。按照车辆销售价格，分成四个不同级别：豪华车、高端车、中级车和入门级车辆。目前的销售价格，豪华车>7.5万欧元，高端车>2.5万欧元，中级车>1.5万欧元，入门车<1万欧元。按照区域主要分成西欧、东欧，北美，拉丁美洲，日本和其他亚洲国家等。豪华车的品牌有劳斯莱斯、宾利、法拉利、阿斯顿-马丁、BMW7系和8系、梅赛德斯S系列、奥迪A8等。高端车品牌有BMW、梅赛德斯、Audi等。豪华车和高端车具有全球性市场的特点，通常在产地国生产，全球市场销售。中级车和入门级车具有很强的区域性，一般采用本土化生产，设计和品牌推广也是主要针对本土开展。在中国，中低端品牌有国产奇瑞、上汽等，属于区域性的品牌。Tata在印度处于领先地位，而在其他地区，市场就很有限。但是西方的中级车品牌，例如大众、GM和PSA在新兴市场占据很重要的位置，销售也在不断增加，但在低端市场，往往比不上本土竞争对手。

近几年，全球汽车工业的发展主要源于新兴市场产量的激增，尤其是中国。中国不再简单的作为西方的世界工厂，过去取得的经济成就也带动了国内消费和服务业的兴起。汽车消费的发展就是一个强有力的佐证。世界上，几乎所有的汽车公司都在中国开设了本土工厂，这些合资工厂并非为了降低西方消费者的成本，而是为了满足中国消费者对汽车的需求。

汽车工业的的发展，曾经是西方战后的经济恢复的象征，如今也成为中国等新兴国家经济实力的体现。预计到了2015年，世界上每两部汽车就有一部在亚洲制造，即使不包括日本。中国生产的汽车比北美、日本和德国加起来的产量都多。

1、60年来汽车复合材料发展应用缓慢

复合材料在汽车领域的应用已经有了一段很长的历史，可以追溯到19世纪50年代，主要用于汽车非结构部件，例如硬质车顶。从70/80年代开始，越来越多地采用热塑性复合材料生产汽车内饰以及用热固性复合材料制造次结构件，例如保险杠的梁。由于复合材料具有很多优点，例如设计灵活、容易成型、轻质和耐腐蚀等，虽然原材料和工艺成本高于钢材和铝，在汽车领域还是获得了一些应用。喷漆以后钢汽车构件的成本大约是3-4欧元/公斤，复合材料次结构件的成本大约是8-10欧元/公斤。

汽车复合材料应用已经不再是一个小众市场。相对于复合材料的其他应用领域，汽车领域已经是其大市场，大约占体积的20%，销售额的18%。如今，世界平均每辆乘用车，复合材料约占总重量的6%。具体随汽车的级别、地区和部件有所不同。对于所有级别的车辆，仪表板等内饰件，75%的车辆采用了复合材料，但是对于结构部件，仅仅在高端车型中有所应用。例如汽车的底盘，只有豪华车中的10%左右采用了复合材料。总的来说，复合材料的用量豪华车大约是15%，高端车大约9%，中级车6%，入门级车4%。另外，对于新兴市场中级车和入门级车，复合材料的用量通常比发达国家市场同级别车型低1%。废旧复合材料构件的回收越来越引起人们的关注。热固性复合材料与热塑性相比，回收的难度要大很多。所以，在现有的复合材料应用的基础上，有采用热塑性取代热固性树脂体系的趋势。

2、2010年-2015年的趋势

近期，汽车整车厂对复合材料的兴趣不断增加。这主要源于不断严格的排放法规（将来CO2排放罚款）以及增加的燃油成本，这些都可以通过复合材料轻量化来实现。复合材料可以减轻重量，进而降低碳排放，抵消增加的材料费用和工艺成本。

欧洲议会2013年4月24日通过一项法律草案，要求到2020年在欧盟出售的新汽车平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克减少到95克。对于那些计划生产二氧化碳排放量超标车的欧盟厂商，草案提出了补救措施，即这些厂商必须同时生产每公里二氧化碳排放量不足５０克的清洁汽车。具体规定如下：2013年至2015年每生产１辆这样的清洁汽车，多可生产3.5辆标车；2016年至2023年可生产1.5辆标车；2024年以后可生产１辆标车。

尽管整车厂对复合材料的兴趣有所增加，但是减少碳排放和燃油消耗的方法不仅仅是车辆减重。经济的方法是提高燃油利用率，这可能是整车厂的选择，特别是对于中级车和入门级车，因为这两个级别的车辆，发动机排量常常不是购买的主要考虑因素。对于现有复合材料和金属在成本上的差距，需要一段时间，通过技术进步来弥补。例如，对于底盘这样的结构部件，加工好的钢结构的成本大约是3-4欧元/公斤，但是碳纤维环氧复合材料结构的成本（基于现有材料和工艺技术）高于30欧元/公斤。

不同的整车厂家会获得不同的解决方案，这些方案能够达成目标的程度也会有所差异。总的来看，汽车复合材料用量的增加，主要集中在量产车车身的三个领域：汽车底盘，车身覆盖件和次结构部件。这三个方面可以大幅度的提高汽车复合材料的用量。底盘的重量约占总重量的25%，是减重效率的部件。但是，按照预计，量产车领域的汽车复合材料用量的突破不会在2015年以前出现。在2015年前的这段时间，汽车复合材料部件的用量会有少量增加，成本会有所降低，复合材料制造厂家和整车厂对复合材料的材料和工艺进一步熟悉；同时，复合材料开始用于一些高端车型的旗舰项目，例如德国的BMW的i3、美国的Tesla电动汽车以及英国的Axon插电式混合动力汽车。

到2015年，汽车复合材料的用量会达到200万吨，增长主要来源于汽车产业的自然增长（年产量增加6%）和已经采用了复合材料的汽车部件的市场份额的增加。

3、2015-2020年的趋势

2015年以后，随着碳排放法规（2020年生效，并逐步严格）的临近，碳纤维成本的降低以及快速固化环氧树脂的出现，加上工艺和自动化设备的不断成熟，例如针对热固性复合材料快速制造开发的HP RTM（高压树脂转移模塑）工艺和热塑性复合材料层板热成型自动化设备的研发，到2020年，碳纤维复合材料的综合性价比会优于金属，取代金属材料，用于量产车的底盘制造，并涵盖大多数的高端车型和少量的中级车。下面分别对HP RTM工艺和热塑性层板的解决方案做详细介绍。

4、热固性复合材料高压RTM工艺

航空工业采用树脂传递模塑成型工艺（RTM），生产大型高强度结构件，降低工艺成本。在汽车的制造过程中，也有采用RTM工艺进行零部件的生产，主要目的是为了达到更好的表面质量，但是只用于小批量生产的轿车中。

图3 不用树脂转移模塑工艺的图解

通常RTM工艺的注射压力是 6-15bar大不超过20bar，工艺周期大约1小时。但是高压RTM工艺，注射压力在10-60bar，工艺周期大约6分钟。

目前世界上高压RTM工艺的设备厂家有：德国Dieffenbacher KraussMaffei；德国Schuller Frimo和意大利的Cannon S.p.A公司，一般采用两家公司合作的方式。下面主要就Dieffenbacher KraussMaffei的情况做具体的介绍，其他厂家的设备大同小异。

德国加工机械领域的专家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克劳斯玛菲公司（KraussMaffei）共同开发了高压树脂传递模塑成型工艺（HP-RTM）的自动化生产线。这条生产系统包括预成型加工、压制过程以及修整工艺。相比于传统的RTM工艺，HP-RTM工艺减少了树脂注射次数，提高了预制件的浸渍质量，并缩短了成型周期。

（1）预制件过程

对于HP-RTM部件的生产，需要制造一个由织物增强材料制成的预制件。这样的预制件在迪芬巴赫的预成型中心制造完成，通常使用一个完全自动化的过程。

由碳纤或玻纤制成柔软的纤维织物或纤维毡从卷轴上开卷后放入切割机。使用CNC切割技术，纤维铺层被切割成构件加工所需尺寸。该过程通过由现有的CAD零件参数得到的切割程序完成。切割成形的纤维铺层材料层合到一起，然后放置到成型单元中。可以使用机器人来可靠地处理切割织物、纤维毡以及预制件。预制件成型中心可以作为一个单独的单元来运行，也可与压制工艺一起结合在产线上。

（2）合模加压过程

预制件的加工过程之后就是合模加压。在合模加压的过程中，环氧树脂系统浸渍预制件以及使其固化。

在用机器人将预制件放置到RTM模具中之后，根据模内压力及部件的尺寸和复杂性，采用一台迪芬巴赫液压压机用高达36000 kN（3600 t）的压力完成实际的合模加压过程。压机在很短的建压时间内达到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加压速度。迪芬巴赫短冲程系统能够确保压机具有非常高的能效，尤其具有很短的成型时间和较大的滑块行程。与传统的合模加压技术相比，可以提高50%的能效。

合模加压控制系统允许使用不同的操作程序，并能缩短生产周期。模座周期性地进入和离开压机，只需要很短的换模时间、装卸过程以及生产线下对下半模的清洁。

完成高压注射过程后，还可以通过再加压来获得部件质量的改善。

（3）注射过程

将低粘度的反应性混合物注入到闭模中浸渍预制件。通过使用克劳斯玛菲的技术，能够使注射速度达到10-200 g/s，取决于树脂系统以及部件的尺寸和工艺设计。在一个闭环过程中，对树脂和固化剂进行准确计量，并在高压下进行混合，得到反应性混合物。

高压计量使得注射时间更短，并提高预制件的浸润度，因而能以较短的固化时间来处理树脂系统。这带来了更短的生产周期和更高的成本效益。此外，这还提供了额外的好处，比如，能在保持出色的表面品质的同时获得更低的孔隙率。而对温度的准确控制则能进一步缩短加工周期，并从特殊RTM树脂体系中获益。

克劳斯玛菲的高压混合头去除了耗费成本的停工时间，也无需使用清洗传统低压混合头时所需的特殊材料。这种混合头具有自清洁能力，因此能在大批量生产时表现出突出的能效优势，它的这种优势已经在多种量化生产中得到了验证。

通过脱模剂供料块，能够将工艺所需的脱模剂直接引入紧凑的自清洁克劳斯玛菲高压混合头，并且，即使在低剂量（如0.1 g/sec）时，仍具有极高的准确性和工艺可靠性。具有高精度、高重复性的脱模剂计量对于可靠地实施下游工艺来说无疑是非常必要的。

（4）修整

修整是工艺链步骤的其中一环。包括部件的外廓修边，增加安装孔和嵌件开孔。用铣刀进行的修整采用的由克劳斯玛菲开发的定制化解决方案。可以采用自动化切割台或手提式切割机。工具的选择主要取决于部件的尺寸和复杂程度。机器人被用于在工艺步骤之间进行零部件的处理。

5、热塑性复合材料汽车应用

这几年，在复合材料领域，热塑性复合材料也备受关注。

（1）有机板混合结构包覆成型工艺

未来两年内，复合材料有机板（Organosheet）混合结构技术将在汽车结构部件的量产化应用中实现突破。目前，至少有两家材料供应商，即巴斯夫和朗盛，以及两家机器供应商，即恩格尔和克劳斯玛菲，正走在该技术开发的前沿。

采用全塑料的“有机板混合结构”取代汽车中的塑料-金属的“混合”结构。新的工艺直接在连续板材的基础上，预成型，然后包覆成型，代替过去在金属预成型件的基础上通过包覆成型，加上加强筋。恩格尔和克劳斯玛菲都是采用尼龙6热塑性树脂层纤维织物压板（热成型），在加上尼龙6（加或者不加纤维增强）包覆成型。材料厂家是德国Bond-Laminates的Tepex有机板，以及朗盛的尼龙包覆成型颗粒料。恩格尔称之为：Organomelt工艺，克劳斯玛菲则称之为FiberForm工艺。包覆成型的混合结构工艺不仅仅可以对热塑性适用，也可以用于热固性的复合材料混合部件，参见图7。

“有机板（Organosheet）”的混合结构部件成型工艺的生产流程是：首先加热一个用PA6连续纤维增强有机板，然后将其放入注塑模具中，热成型出一个三维形状，并用另外的PA6树脂（未填充的或者是玻璃纤维增强的）对其进行包覆成型。在某些情况下，在将板坯放入注塑模具中前，先对其进行热成型。

如果采用热塑性复合材料混合结构，主要市场将是汽车内饰，包括座椅部分的组件、门侧防撞梁、汽车横向悬架梁、刹车踏板、转向柱支架、安全气囊组件和前端组件等。如果改成热固性的复合材料混合结构，可以用于结构件或者次结构件。但是，目前国外还很少有针对汽车领域的热固性的复合材料混合结构包覆成型的研究和应用。

在K 2010展会中，恩格尔和克劳斯玛菲这两家公司都在两个复杂的成型单元中证明了这项技术。当时，恩格尔成型了一个转向柱支架，而克劳斯玛菲则成型了一个门侧防撞梁。两家公司均采用了德国Bond-Laminates公司（已被朗盛收购）提供的Tepex复合材料板材，并采用朗盛的尼龙材料对该组件进行包覆成型。将有机板放到300℃的加热炉中预热30～40s，然后将加热后的板材送入注塑模具中。闭合模具，对该板材进行预成型, 接着从其上方将另外的尼龙材料注入到特定区域。按加热炉能力的不同，整个循环时间从33s到55s。

（2）热塑性树脂传递模塑成型工艺

作为热塑性复合材料技术的下一发展目标，己内酰胺单体在模内聚合为PA6的技术正在推进之中。该技术允许采用低黏度的己内酰胺浸润放于模具中的干纤维，经反应后可在线形成一种尼龙基的复合材料。

巴斯夫与西格里集团正在联合开发一种基于反应性尼龙系统和碳纤维的复合材料，以实现热塑性复合材料的低成本生产。该材料体系是为T-RTM工艺（热塑性树脂传递模塑成型工艺）以及反应注射成型工艺而准备的，以获得比传统热固性RTM工艺更短的生产循环时间。为适应这些更快速加工技术的要求而对材料系统的调整，将在采用碳纤维复合材料制成的结构部件进入汽车量产化应用的过程中发挥重要作用。己内酰胺在线聚合为尼龙6的机器系统正由恩格尔在进行开发。

6、回收

在日本、欧洲、美国等市场经济高度发达的国家, 报废汽车与废旧家电回收处理的管理都严格。除了对回收拆解企业进行门槛的规定外，还要求制造商担负起对汽车的报废回收负责。因此制造商做研发时就必须考虑产品的可回收利用性，以保证上万个零部件都易于再生循环使用。目前欧洲出售的所有车型均满足可再利用性的型式认证要求。

在2013中国汽车回收利用国际论坛上，工信部介绍称，《汽车产品限制使用有害物质和可回收利用率管理办法》已达成行业共识，正处于部委内部征求意见阶段，有望于近期发布。《管理办法》分阶段提出汽车产品可回收利用率的指标要求，确保法规施行之日起，M1类、N1类汽车新车型的可回收利用率要达到90%，其中可再利用率达到80%。两年内，M1类、N1类汽车新车型的可回收利用率要达到95%，可再利用率不低于85%。

平均，目前复合材料占整车重量的6%，都尚未考虑复合材料的回收，因为各个国家和地区的可回收利用率一般要求在85%左右。但是这个问题会越来越重要，因为复合材料的渗透率越来越高，而且可回收利用率的比率也越来越高。很多产业集中在回收汽车上的金属和钢材，但是回收复合材料的相关产业尚待发展。复合材料回收或者再利用的难易和纤维以及树脂的类型有关。

7、综合

汽车复合材料的发展，结合了化工、机械制造以及汽车复合材料设计，从经济结构来看，突破应该源于德国。德国的工业结构结合了大多数的豪华汽车和高端车，另外朗盛、巴斯夫等世界化工企业以及精密的机械制造厂家，例如迪芬巴赫公司和克劳斯玛菲等。随着碳排放法规的不断临近，复合材料在汽车行业的突破会在2015年以后时间，欧洲汽车行业也会是先进材料的倡导者和先行者。热塑性复合材料和热固性复合材料不存在谁替代谁的问题，因为他们的各方面的性能都有所差异，快速成型和自动化都是共同的发展方向。汽车结构的优化一定是和金属类似，建筑在多材料体系基础上的混合结构，例如包覆模塑工艺成型的部件。

个人认为，目前汽车领域需要关注三家公司，一个是TESLA，一个是BMW，另外一个是GOOGLE。

六、PMI硬质泡沫在汽车复合材料结构夹层结构中的应用

与没有泡沫夹层结构的层压板相比， 泡沫夹层结构能够显著的提高结构的强度和刚度。文章总结了复合材料结构中夹层结构的应用，对比了蜂窝和泡沫在设计、工艺和使用过程的差异性。针对夹层结构的不同设计方式，做了详细的介绍；同时针对不同的泡沫对比了其动态剪切模量和压缩蠕变性能。针对常用的工艺，介绍了如何选择泡沫的密度和类型以及泡沫芯材的型号。

针对目前汽车复合材料结构量大低成本的特点，结合复杂的大型三维结构， 夹层结构的制造成本和生产周期却是个无法回避的劣势。采用PMI泡沫模具内发泡技术， 能够对具有复杂形状的芯材进行高生产率的规模量产。

1、夹层结构原理概述和芯材的选择

复合材料夹层结构通常采用先进复合材料做面板，其夹芯为轻质材料。夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大其弯曲刚度就越大。夹层结构的芯材主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性，通常这类结构的剪力较小。选择轻质材料作为夹芯，可较大幅度地减轻构件的重量。当然，对于面板很薄的夹层结构，还应考虑抗冲击载荷的能力，所以面板的小厚度必须满足一定的条件。此外，夹层结构的使用经验还表明：在从成本方面评估夹层结构时，不仅要考虑制造成本，还必须考虑使用期的全寿命成本。

目前汽车夹层结构主要的使用位置有：前盖，后盖，地板，门等。

通过在两层面板中加入轻质的芯材， 夹层结构能够有效地优化结构的受力状态， 其主要原理是增加结构的截面惯性矩， 将弯曲应力转化为拉升应力。

表1比较了不同结构中弯曲刚度和抗弯强度。 这三个结构具有相同厚度的表面铺层， 以及不同厚度的夹芯。 运用夹层结构理论， 我们可以用较少的铺层材料， 而达到比较高的结构强度。

夹层结构可以运用在多个领域。 在航空制造领域， 这是进行减重重要的结构。 风机叶片在大规模生产中也会采用这个结构。 然而， 虽然有很强的需求， 夹层结构仍然没有广泛的运用在三维结构的部件中。 这主要是因为其生产工艺复杂， 很难大规模量产运用到具有复杂三维结构的部件中。

芯材能够极大地影响夹层结构部件的性能。 它主要承受压缩应力和剪切应力。 同时， 应当能够很好的与表面铺层进行粘合。 当然， 重量越轻越好。 另外在满足机械性能的同时， 易加工型是需要重点考虑的。

很多材料都可以作为芯材使用。 比如， 铝蜂窝就可以作为聚合物泡沫的一个替代材料， 其具有较高的抗压强度， 低密度， 以及大部分聚合物材料所不具备的不可燃特性。 但是由于蜂窝结构的开放结构。 限制了其在芯材中的使用。 而且虽然蜂窝具有很高的抗压强度， 但是这个特性只适用于一个方向， 这决定了蜂窝夹层结构只能运用在近二维结构中。 对于三维结构， 由于蜂窝无法承受三维方向上的载荷， 所以无法与各向同性材料竞争。

通常在夹层结构设计中，泡沫材料的密度（50kg/m3-120kg/m3）比蜂窝密度（32 kg/m3或48kg/m3）要高，剪切强度也低于同样密度的蜂窝材料，这也是目前蜂窝材料的应用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫在工艺、设计和使用过程中，也有其独特的优势。

目前，先进复合材料夹层结构中常用的泡沫芯材是赢创工业集团生产的PMI泡沫：PMI （Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫在进行适当的高温处理后，能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得PMI泡沫在先进复合材料领域得到了广泛的应用。中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能，可以在120oC -180oC温度、0.3-0.5MPa的压力下热压罐固化。PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求，

从工艺的角度来讲，蜂窝和泡沫相比，机械加工相对简单；对于复杂形状，可以通过热成型的方法对芯材成型。泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比，能够适应更高的共固化温度和压力，不需要进行填充处理。在同样的共固化条件下，泡沫夹层结构的复合材料蒙皮的力学性能相对要高。另外，泡沫芯材还能直接用于各种液体树脂成型工艺，例如各种树脂转移模塑工艺等。

从设计的角度来讲，除了常用的全高度夹层结构和蒙皮夹层结构以外，还可以设计泡沫填充帽形加筋条结构。另外泡沫的力学性能是各向同性，而蜂窝是各向异性。在复杂的受力状态下，泡沫比蜂窝更能满足结构和强度要求。

在使用过程中，泡沫因为是闭孔结构，和开孔的蜂窝结构相比，具有较低的吸水率，减少维修成本。

选择合适的泡沫材料，需要考虑下面几个因素。

长期使用温度，可以参见泡沫材料动态剪切模量选择泡沫的规格。

工艺要求。根据固化工艺的温度、压力和时间，确定满足压缩蠕变要求的泡沫规格和型号。

密度要求，通常选择的泡沫密度在50kg/m3-120kg/m3之间。

树脂的粘度。例如液体树脂成型，推荐使用细小泡沫孔隙的型号，减少泡沫表面树脂吸收率，减轻结构重量。

2、夹层结构主要设计形式

对于结构高度小的结构（例如定风翼），采用全高度夹层结构代替梁肋式结构也能带来明显的减重效果。夹层结构的优点是具有较大的弯曲刚度和强度。对于结构高度大的结构，采用蒙皮夹层结构能明显减轻重量。

在弯曲和轴向压力作用下，薄壁复合材料结构常常会发生稳定破坏，失稳破坏总是在材料到达压缩破坏强度以前，在受压部位出现，为此工程师常常设计加筋条结构。对于常用的加筋板，图4（a）中，加筋板分3步制造，包括面板固化、加筋条固化和二次胶接。尽管可以通过一些低成本的方法，例如挤出工艺制造出加强筋，但是由于采用了二次胶接，抵消了成本优势。另外一种方法是加强筋和面板采用共固化工艺，如图4（b）所示，设计中可以采用和树脂有相同固化周期的胶膜来提高胶接面整体性。加强筋可以经过预固化或者未经预固化，这样加强筋和蒙皮结合在一起。图4（c）中，增加了设计尺度，这也带来微观的设计。图4（d）是放弃整个I形加强筋的概念，采用泡沫填充帽形加筋条的设计方法。和空心的帽形加筋条结构相比，避免了帽筋条的侧壁产生失稳，导致结构过早破坏。

泡沫填充帽形加筋条的面内压缩强度和空心加筋条相比，在结构出现初始失稳时，失稳载荷提高约99%（图 5)。芯材主要承受和加强筋侧表面垂直方向的拉应力和压应力，避免在碳纤维/环氧复合材料面板达到屈服强度前，结构过早地发生失稳破坏。

对于常用的夹层结构共固化工艺，例如泡沫填充帽形加筋条结构，芯材还作为蒙皮复合材料的芯模，起到工艺辅助材料的功能，在复合材料蒙皮或面板的固化压力和温度条件下，提供足够的尺寸稳定性，保证蒙皮或面板能够压实。泡沫和蜂窝相比，更加适合于共固化工艺。

3、PMI刚性泡沫的生产

聚合物刚性泡沫能够允许用户使用数控加工或者热变性成型的方式，来加工成用户所需要的形状。 由赢创工业集团Evonik Industries AG生产的PMI刚性泡沫就具有这样的特性。 PMI泡沫是由MAA和MAN共聚反应而成。(见图6)

与其它的聚合物泡沫相比， ROHACELL® PMI硬质泡沫提供极其优越的比强度。 而且能够在180°C高温下耐受很高的压力， 这使其作为很多应用和工艺方法的选择材料。

4、PMI泡沫的模具内发泡技术

在实际使用中， 过高的数控加工成本让这种工艺难以运用在大规模的量产中。 由于碳纤维量产技术的飞跃， 对于高性能复杂形状的夹芯泡沫的市场需求也在不断的增长。 ROHACELL® Triple F是一种颗粒状的泡沫芯材， 专门用于模具内发泡工艺， 由赢创工业集团Evonik Industries AG研发。 这种技术能够通过减少材料损耗， 降低人工成本， 缩短工艺时间， 有效地降低了单件制件的成本。

在这种工艺中， PMI泡沫聚合板被粉碎为颗粒， 并且通过预发泡来获得想要的密度。 这一步非常重要， 即必须在聚合物中保留一定数量的发泡剂。然后将这些颗粒装入封闭的模具内加热，发泡会重新开始，这些颗粒将不断的增大。 由于模具型腔的限制，这些颗粒会不断地变形， 并且填满整个模具型腔。 冷却阶段中， 这些聚合物会回到稳定的状态， 然后就可以开模取出具有与模具一致形状的泡沫芯(见图7)。

通过实验， 我们发现通过颗粒发泡的泡沫材料， 其性能低于完整发泡工艺的泡沫。 通过将ROHACELL® IG-F和ROHACELL® Triple F进行对比试验， 抗压强度以及抗剪切强度都发生了显著的降低， 这主要是由于颗粒之间较低的结合力造成的。 为了改善这一问题， 在预发泡的颗粒中需要加入粘合剂。 在模具内发泡时， 高温会让粘合剂融化， 在冷却后形成颗粒之间良好的粘结强度。 这极大地改善了泡沫芯材的机械强度， 在高密度的应用中， 甚至能够达到正常工艺生产的ROHACELL® 泡沫(见图8)。

与数控加工相比， 模内颗粒发泡工艺的另外一个明显的优势是可以埋入其它不同的材料。 金属或者其它可以耐受高温的塑料都可以在模内发泡时候进行埋入， 这样可以高度整合其它的结构部件。 比如， 典型的应用是可以埋入螺栓套。图9展示了一个埋入工艺的工艺验证件。这证明了通过ROHACELL® Triple F， 可以获得各种复杂形状的泡沫芯材， 以及各种表面结构。

5、汽车复合材料夹层结构的低成本工艺

汽车复合材料应用已经不再是一个小众市场。相对于复合材料的其他应用领域，汽车领域已经是其市场，大约占体积的20%，销售额的18%。如今，世界平均每辆乘用车，复合材料约占总重量的6%。具体随汽车的级别、地区和部件有所不同。对于所有级别的车辆，仪表板等内饰件，75%的车辆采用了复合材料，但是对于结构部件，仅仅在高端车型中有所应用。例如汽车的底盘，只有豪华车中的10%左右采用了复合材料。总的来说，复合材料的用量豪华车大约是15%，高端车大约9%，中级车6%，入门级车4%。

2015年以后，随着碳排放法规（2020年生效，并逐步严格）的临近，碳纤维成本的降低以及快速固化环氧树脂的出现，加上工艺和自动化设备的不断成熟，例如针对热固性复合材料快速制造开发的HP RTM（高压树脂转移模塑）工艺和模压成型工艺、热塑性复合材料层板热成型自动化设备，到2020年，碳纤维复合材料的综合性价比会优于金属，取代金属材料，用于量产车的底盘制造，并涵盖大多数的高端车型和少量的中级车。

HP RTM（高压树脂转移模塑）工艺示意图：

模压成型工艺示意图：

或者

热塑性复合材料层板热成型示意图：

6、结论

夹层结构是对结构进行减重可靠有效的技术。 但是与金属相比， 碳纤维制造件的造价仍然偏高。 所以， 如何降低生产成本是一个大家共同关心的问题。 从小批量的试制到大规模生产， 其工艺方案是完全不同的， 在大规模生产中， 要求极高的自动化水平和极短的工艺循环周期。 这就要求工艺和材料比如能够耐受高压(> 30 bar)和高温(~ 180 °C)的生产环境。 因此， 泡沫芯材就成了制约复合材料工艺在大规模生产中应用的短板。 PMI刚性泡沫能够满足这样的工艺和生产环境要求， 大规模生产三维复杂形状泡沫夹芯。

提问环节：

1、复合材料现在国内应用的情况如何？在哪些汽车零部件中用的多？

现代的高性能连续纤维复合材料的应用，国内是一个空白。改装车市场，没有实现批量化工业化的规模。ＢＭＷｉ３是世界上个采用碳纤维环氧复合材料的量产车

2、国内现在汽车结构件的研发应用情况如何？可靠性如何？

刚刚起步。

3、怎么解决生产效率问题？

材料的革新（主要是树脂）＋真正基于工业化基础上的设计＋自动化。我个人特别推崇ＩＫＥＡ。同样的木头，通过不一样的设计（板式），实现了低成本，批量化。

4、实现复合材料低成本的出路在哪里？

目前复合材料的成本１/３材料，１/３是工艺，１/３是后期的安装等。降低工艺成本和后期的安装、抛光、打磨的费用是首当其冲。

5、纤维增强复合材料的疲劳研究怎么考虑？

这个问题，对复合材料不是问题。我们的运动器材大多是碳纤维复合材料。复合材料具有比金属材料更好的疲劳性能。

6、纤维增强复合材料怎么修复？怎么回收？

这个问题很简单。我们的boeing飞机，你能看到的都是复合材料，他们的维修经验可以给我们参考。

7、国内增强复合碳纤维车架有没有人做？

没有。

8、国内碳纤维车门做到什么程度？

没有听说。很多都是一些样件，我们不能被误导了

9、国内碳纤维轮毂有没有人使用？

有听说过。

10、泡沫铝材料使用有没有开始？

没有。

11、复合材料如何做结构性连接？铆接，焊接？粘接？

复合材料的结构连接：胶结，参见BMW的介绍。但是我不认为这个是终结方案，结构形式可以多样，材料体系可以多元。

12、纤维增强热塑性复合材料制品模具设计与成型的发展？

热塑性overmolding是好的解决方案。

13、复合材料常用无损检测方法？

参见胡总的论文：http://www.frponline.com.cn/expert/news/detail_178.html

（文章来源：盖世汽车网）