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分析汽車用先進復合材料的低成本技術

作者:2017-06-09 17:27文章來源:未知
       汽車產業作為世界上極為重要的工業產業之一,也是我國重要的支柱產業,并隨著世界經濟全球化趨勢發展速度迅速。中國已經遠遠的超過了美國的汽車產業,位居世界第一。汽車工業的制造和性能不斷提高,與其使用的材料特性應該是密切相關的。以碳纖維增強樹脂基復合材料的高性能是復合材料中比較先進、優秀的代表材料,高彈性模量,高比強度,耐疲勞性,耐腐蝕性,整體形狀等都是較為優秀的特性,突出了許多優秀特點在實際設計過程當中,這種材料的性能比鋁合金的強度要高出很多,并且逐漸成為人們選擇輕質、高強度材料的最佳選擇,并在航空航天工業中的大量應用,是先進的空中和空間結構的標志之一。
  一、汽車輕量化和先進復合材料
  1.最理想的汽車輕量化材料就是先進復合材料
  隨著汽車使用數量的日漸增加,對燃油的消耗越來越大,尾氣的排放也越來越多,因此,減少尾氣排放、降低燃油消耗是當前我國汽車工業制造過程中最有挑戰的戰略目標。輕量化是促進我國汽車工業可以長足發展的重要途徑之一,先進復合材料的使用是汽車輕量化的重要基礎材料。約束我國汽車復合材料發展的重要原因就是復合材料的低成本技術。根據相關調查結果顯示,汽車減少百分之十的重量,尾氣排放就會降低5%—6%,汽車對燃油的消耗每降低1L,二氧化碳的排放就會減少2.5kg。汽車輕量化技術逐漸成為全球汽車工業大力提倡的重要技術,輕量化技術是全球領先的汽車高技術產業未來的發展,我國汽車輕量化的重要前提就是先進復合材料技術。在汽車工業制造使用先進符合材料中,碳纖維的使用最多,具有高強度和低密度的特征,且碳纖維的模量和強度是輕質鋁合金和高強度鋼的好幾倍,從目前我國提倡汽車工業制造用料輕量化的角度來講,碳纖維更具有優勢。根據相關的數據顯示,碳纖維與傳統的金屬材料相比較,其減輕汽車重量的效果最理想,是減少汽車重量的首選材料。
  2.汽車用先進復合材料技術發展遇到的阻礙
  在我國汽車工業制造應用當中,碳纖維沒有得到應用的原因主要有兩個。第一,碳纖維的使用成本極高,如應用到汽車工業制造中,很難將汽車向大眾化的方向推廣。作為比較尖端的戰略性材料,碳纖維復合材料在20世紀60年代時就早已經出現了,但由于汽車工業制造技術的發展,使得只有少數發達國家如日本、美國使用。再加上制作碳纖維的原材料成本也很高,并且制備的過程比較復雜,對制作工藝的控制要求非常嚴格,這就使碳纖維的價格提到了非常高的位置。第二,復合材料在成型方面的周期長,其最重要的就是固化和制備制作程序的效率比較多。在熱塑性復合材料的制作過程中雖然沒有涉及到固化問題,但在耐熱和力學性能兩個方面有些不足。關于連續纖維增強的問題,也存在成型周期比較長的問題,更甚者缺乏成熟的制造技術。隨著我國各種新型技術的不斷出現,這些問題會被逐一解決的。
  二、復合材料低成本技術
  1.大絲束碳纖維技術
  對于大絲束碳纖維的內部,樹脂基體的侵潤性比較差,易產生的單絲之間的空間,很容易導致纖維和劣勢之間的富集和分離,使剛度和強度的復合材料受到很多影響,復合材料的性能大大降低,相應的分散性能較大,很難滿足汽車工業制造結構設計要求。目前,國內外關于大拖碳纖維技術的發展,可以有效地解決上述問題。同時,大的纖維在紡織、針織、織造和織造等工藝上的難度也不是很成熟,因此,大的兩種碳纖維織物很難通過,嚴重影響了大的兩種碳纖維技術在工業中的應用。
  2.多材料混雜增強技術
  制造汽車過程中,由成千上萬的零件,在材料的使用性能的每個部分都有自己很高的要求,復合材料的設計具有較強性,因此,在零件材料的選擇可以根據不同原料不同部分的性能選擇和設計不同的纖維材料,加強對汽車結構設計。如汽車骨架,這種對承載要求比較高的部件,必須要選擇全碳纖維材料,增強汽車結構,然后使用編織技術將其直接編織成汽車骨架,再與樹脂進行復合,最后成型。植物纖維復合材料具有較強的復合材料和碳纖維的吸能性能,將在未來的復合材料結構中應用于汽車制造業。
  3.低成本碳纖維原絲以及制備技術
  世界上很多科研機構和大型企業都在對其進行更深入的研究。第一,研究了廉價原絲的技術,在汽車工業制造使用的碳纖維主要就是由原絲復合成的,大約占40%—60%,使用廉價的原絲就是在降低碳纖維的成本。第二,研發出新的預氧化工藝,目前,主要的研究方向就是使用新預氧化技術來有效降低成本,減少時間。第三,研發新碳化技術,在碳纖維總成本中碳化工序大約占25%—30%,并且影響著碳纖維的質量。
  三、復合材料快速成型技術
  1.快速成型樹脂體系
  一是快速固化熱固性樹脂。樹脂固化時間以小時為單位。因此,必須加快研究相關的系統,快速固化樹脂以秒固化時間,從小時逐漸下降為秒計算單元。
  二是快速開環聚合環狀熱塑性樹脂。熱塑性樹脂具有回收再利用和快速定型的特點,許多研究者希望將其廣泛應用于汽車制造業,特別是在連續纖維增強熱塑性樹脂復合材料被用作汽車零部件。然而,最重要的問題是在連續纖維增強熱塑性樹脂復合材料的過程中的機械設備,傳統的成型技術都已經逐漸落后了,因此,需要要不斷的對制造技術進行創新。
  2.快速成型工藝
  一是熱壓成型工藝。熱壓成型技術,它是最傳統的復合合成技術。和模塑料或預浸料PICAI的合成,熱壓作用下,促使坯料的流動到塑化層,并充滿型腔,獲得最終的定型產品。而對于預成型的熱塑性樹脂基體來說,熱壓成型是最好的方法,最關鍵的就是對預浸材料的制作。對于熱壓成型工藝技術的去電是不能夠制作成型的制品,并且這種工藝對纖維和樹脂浸漬質量要求預成形較高。
  二是快速液體模塑成型技術??焖僖后w模塑成型技術包括快速升溫和快速注射兩方面??焖偌訜崾穷A熱到成型的液體樹脂的溫度和注射可以同時,如果在這個過程中,控制的正確的話也可以因為較低的樹脂在高溫下,加快滲透過程,并與其自身的工藝控制的設計有關??焖僮⑸湟蕾囕^高的注射壓力,有效提升樹脂流動浸漬的效果,但其中也包含著很多不利的因素,如工藝的控制難度逐漸加大、機械設備的成本比較昂貴等。
  四、結語
  綜上所述,相關的汽車配件種類各種各樣,不同的應用程序使用不同的部件且有不同的性能要求。碳纖維增強樹脂基復合材料的高性能是先進復合材料中比較先進、優秀的材料代表,高彈性模量,高比強度,耐疲勞性,耐腐蝕性,整體形狀等都是較為優秀的特性,在實際設計過程當中突出了這些特點。對于汽車外殼部件的機械性能的要求低,輕量化是促進我國汽車工業可以長足發展的重要途徑之一,先進復合材料的使用為汽車輕量化的重要的材料基礎。約束我國汽車復合材料發展的重要原因就是復合材料的低成本技術,汽車工業的制造和性能不斷提高,與其使用的材料特性應該是密切相關的。降低材料的使用成本能夠有效促進先進復合材料在汽車中的應用。

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