精品欧洲无码AⅤ一区二区_国产精品亚洲av综合成久久久久久三级_91麻豆国产福利精品_国产自产精品一区二区

為應對消費者需求和氣候的雙重挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷重大轉型。最困難的任務之一是減輕車輛重量以最大限度地降低能耗。預計整備質量每減少 10%，能耗將減少 6% 至 8%。強度重量比更好的復合材料是設計和制造輕量化部件的最佳選擇之一。在汽車領域，使用復合材料可以減輕電動汽車的重量，并影響其空氣動力學性能。它還可以通過減少有害排放和顆粒物來降低燃料消耗。過去十年，汽車機構和學術研究人員對此類技術進行了大量的研究。纖維增強聚合物，尤其是以玻璃和碳纖維為基礎的聚合物，由于其高性能和輕質而引起了汽車行業(yè)的關注。

一、現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)汽車中，金屬構成了車輛的核心結構，而某些內飾部件則采用復合材料制造。近年來，碳纖維復合材料被被廣泛用于減輕車輛重量。復合材料的力學性能、微觀結構和表面形貌比鋁合金有較大提高。在電動汽車中，鋼和鑄鐵約占材料的一半（按重量計算）。鋁合金約占總量的 9%，塑料占 11%，橡膠占 3%。當今，各行各業(yè)都注重利用可再生資源，并進一步使用可回收、環(huán)保、對全球環(huán)境影響較小的材料（看表 1，表 2，表 3）。

表1. 汽車用纖維增強復合材料匯總表

表2.汽車用鋁混合復合材料匯總表

表 3.可持續(xù)生物復合材料在汽車工業(yè)中的當前應用

*PP – 聚丙烯、PUR – 聚氨酯、PLA – 聚乳酸、PBS – 聚丁二酸丁二醇酯、PET – 聚對苯二甲酸乙二酯、Sorona? EP – 聚對苯二甲酸丙二醇酯。

減少排放和燃料消耗是汽車行業(yè)面臨的主要問題，需要強有力的解決方案。由于能源生產(chǎn)依賴于碳基化石燃料，大量的溫室氣體被排放到環(huán)境中。由于全球電力消耗的不斷擴大，過去幾十年來對能源的需求也在增加。由于燃料價格高昂，以及對環(huán)境惡化問題的關注，消費者傾向于選擇電動汽車 (EV)。在此之后，全球許多國家對使用電動汽車的需求都在增加。電動汽車正在成為柴油、汽油和其他化石燃料驅動汽車的替代品，因為電動汽車使用鋰離子電池，可提供混合充電功能，而且它們重量更輕，因為他們的大多數(shù)部件都是由復合材料制成的，以提高車輛的燃油效率，而且它們省去了傳統(tǒng)化石燃料驅動汽車的大多數(shù)部件。許多租賃服務公司正熱衷于用電動汽車取代他們的內燃機車輛。

為了解決能源效率問題，許多研究人員建議用輕質材料替換不同的車輛部件，這將減輕車輛重量，同時提高燃油經(jīng)濟性。每減少 10 公斤汽車重量，每公里碳排放量就會減少 1 克，從而減少燃料消耗。輕量化方案因其能有效減少燃料需求和減少排放而廣受重視。輕量化側重于通過材料替換以及重新設計部件來減輕車輛質量。

在內燃機汽車設計中，人們采用了各種技術來研究輕質材料的優(yōu)勢。汽車對環(huán)境的影響的減少是電動汽車與輕量化設計相結合的結果。此外，電動汽車中使用輕質材料有望帶來豐厚利潤，因為通過減輕重量可以提高行駛距離等性能，并縮小電池尺寸。（圖 1）。

因此，復合材料被選為制造具有增強機械特性優(yōu)勢的輕量化部件的優(yōu)選材料。人們一直在努力減輕車輛重量，并開發(fā)廉價的制造方法來生產(chǎn)碳纖維增強塑料(CFRP) 等輕型材料。碳纖維復合材料具有強度更高、重量更輕、抗震性好、剛度更高、疲勞和耐腐蝕性更強等特點。近年來，中國已建立了碳纖維及其復合材料的研究機構。盡管如此，其在汽車領域的應用仍落后于航空航天領域?？傮w而言，關于該領域的研究數(shù)量有限，因此需要進一步發(fā)展此類研究，以滿足日益增長的電動汽車需求。圖 2展示了不同車輛類型的分類。

圖1.電動汽車主要部件示意圖

圖2.不同車輛類型的分類

2020 年國際乘用電動汽車市場的估值約為 1208.1 億美元，預計2021 年至 2028 年期間的復合年增長率約為 32.5%，見圖 3。目前，由于 2020 年代上半年新冠疫情引發(fā)的限制措施，全球乘用車銷量大幅下降，汽車行業(yè)也因封鎖的負面影響而下滑。即使在這種混亂中，2020年汽車市場達到了新的里程碑，銷量達到約 300 萬輛，比 2019 年增長了近 40%。2020 年，中國占據(jù)了全球電動汽車銷量的 30% 左右。此外，在不斷增長的公共電動汽車網(wǎng)絡的支持下，電動汽車將表現(xiàn)出高水平的發(fā)展勢頭。

圖 3.2016-2028年美國電動乘用車市場規(guī)模（十億美元）

2020 年，純電動汽占收入的最大份額，超過 60%，預計在2028年前將保持主導地位。自 2021 年以來，在美國，有超過 15 種不同的純電動汽車 (BEV) 型號可供選擇。與插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 相比，由于續(xù)航里程問題，預計純電動汽車將實現(xiàn)更高的增長。在北美純電動汽車領域，特斯拉Model S銷量非常好， 原因之一就是Model 3 的每公里用車成本最低。特斯拉2020 年的銷售額占據(jù)了純電動汽車領域 的70%。在預測期內，PHEV 的收入復合年增長率可能超過 32%。這種進步可歸功于政府為促進電動汽車在工業(yè)化發(fā)展中使用的建議。PHEV 使用電池為電動機提供電力，并使用燃料為內燃機提供動力。大眾汽車集團等企業(yè)正致力于提高其插電式電動汽車的銷量。2020 年 1 月，該公司宣布其插電式電動汽車的銷量與 2018 年相比增長了約 60%。

車輛輕量化是自動化行業(yè)當前關注的首要問題之一，提高效率和減少污染是首要考慮。更高的安全性、更高的舒適度和更高的燃油經(jīng)濟性是消費者關注的重點問題。在車輛制造中使用輕質復合材料可以降低能耗。據(jù)估計，通過將車輛重量減輕 25%，每年可以節(jié)省近 2.5 億桶原油。使用復合纖維材料可能會使單個車型重量減輕約 10-30% ，2016 年全球輕量化材料市場規(guī)模預計約為 1137.8 億美元，預計在預測期內復合年增長率為 8.9%。北美汽車需求的增加（圖 4) 預計將在未來幾年持續(xù)推動電動汽車消費增長。這一領域的發(fā)展取決于美國和加拿大等國家的主要汽車制造商的轉型。此外，可再生能源設備制造商的存在預計將推動該地區(qū)市場的發(fā)展。

圖 4. 2013-2024 年北美輕質材料市場規(guī)模（按產(chǎn)品劃分）（十億美元）

復合材料和聚合物占領了整個市場，預計這種趨勢將持續(xù)多年。應用這些材料，能夠將車輛重量減輕 50%，并將燃油效率提高到 35% 左右。汽車、能源和航空是輕質材料市場的主要領域。圖 5汽車行業(yè)占據(jù)全球輕量化材料市場的近86%的份額。

圖 5.2016年輕質材料市場份額（按應用劃分）（%）

輕質材料的應用對燃料消耗、靈活性和駕駛動力等多個因素有直接影響。預計航空業(yè)對輕質材料的需求將在未來幾年內增加。此外，在風車制造中利用輕質材料來生產(chǎn)風能（可再生能源的主要來源）也正在產(chǎn)生影響。由于索爾維（Cytec Solvay Group）、東麗（Toray Industries Inc.）、美國鋁業(yè)（Alcoa Inc.）和 沙特基礎工業(yè)（SABIC Industries）等知名公司的存在，輕質材料市場競爭相當激烈。由于收購和兼并的數(shù)量增加，輕質材料市場越來越受人們關注。

亞太地區(qū)占據(jù)了全球需求的絕大部分。由于乘用車需求巨大，中國和印度等國家正在深耕本地市場。人們對可再生能源的需求不斷提高，同時這些地區(qū)國防預算的增加也增加了鎂和鈦的需求。由于輕質材料制造商數(shù)量的增加，拉丁美洲地區(qū)的產(chǎn)品需求正在快速增長。此外，由于歐洲地區(qū)有飛機和風能部件制造商，預計該地區(qū)的市場增長也將增加。

三、高性能復合材料市場分析

預計高性能復合材料市場將在 2021-2028 年期間持續(xù)增長。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析顯示，到 2028 年，增長預計將達到約 138.068 億美元，復合年增長率接近 6.10%（圖 6)。

圖 6.全球高性能市場分析，預計到 2028 年將達到 138.068 億美元

汽車行業(yè)的發(fā)展和飛機銷量的增長大大影響了高性能復合材料市場的增長率。但是，原材料成本的上漲以及制造和組裝價格的上漲阻礙了高性能復合材料市場的發(fā)展。高性能復合材料市場預計將在亞太地區(qū)占據(jù)主導地位，不少地區(qū)推出有利法規(guī)，促進其復合材料行業(yè)的就業(yè)。同時，由于主流汽車公司的存在，北美仍將保持盈利增長。

印度還在使用復合材料制造高質量乘用車和摩托車方面發(fā)揮著重要作用。世界銀行報告顯示，在北美、中國和印度，每 1,000 人中分別擁有 786 輛、69 輛和 18 輛機動車。世界銀行的這份報告還表明，印度和中國等國家的運輸業(yè)具有很強的增長潛力。據(jù)預測，印度鐵路貨運部門采用了100億噸復合材料用于生產(chǎn)制造。印度政府宣布，大約 30% 的零部件從印度航空航天部的工業(yè)部門采購。印度在 2015 年消耗了近 30 萬噸復合材料，到 2020 年將迅速增長至約 41.8 萬噸，復合年增長率為 5.8%。

4.1纖維增強復合材料

在聚合物的發(fā)展過程中，增強材料已成為一大重要組分。為了改善基體材料的性能，如尺寸穩(wěn)定性、機械特性和耐熱性。通常，增強材料以薄片、顆粒和纖維的形式出現(xiàn)。在聚合物基復合材料中使用的各種纖維中，綜合性能最優(yōu)異的是碳纖維。CFRP復合材料的全球收入估計將從282億美元增加到近487億美元。

纖維增強塑料（FRP）復合材料是另一種由纖維加基體組成的復合材料，由強度更高、剛性更強的纖維與具有更高斷裂韌性的輕質基體混合而成。為了設計性能，可執(zhí)行沿負載方向和負載方向上的纖維排布。該復合材料廣泛應用于汽車、飛機、建筑和船舶等工程領域的承重結構。在汽車和鐵路領域，復合材料被認為是制造汽車車身的首選，因此可以輕松生成車輛的復雜輪廓。

日本國家復合材料中心 (NCC)的一個復合材料項目利用 CFRP 復合材料技術來替換由鋁合金制成的車輛底盤。圖 7代表了 NCC 開展的項目中 CFRTP 的進展路線，旨在實現(xiàn)性能卓越、價格低廉、可成型且環(huán)保的部件。圖 8展示了新興的中間材料，即碳纖維墊增強熱塑性塑料（CMT）、短切碳纖維帶增強熱塑性塑料（CTT）、碳纖維梳理網(wǎng)增強熱塑性塑料（CWT）和碳纖維紙增強熱塑性塑料。圖 9展示了用于汽車零部件批量生產(chǎn)的新興高周壓縮成型技術的表現(xiàn)。

圖7.NCC日本項目中CFRTPs的進展路線，以實現(xiàn)性能優(yōu)越、價格低廉、可成型、環(huán)保的組件。

圖8.CFRTP項目中的新興中間材料：短切碳纖維帶增強熱塑性塑料（CTT）、碳纖維墊增強熱塑性塑料（CMT）、碳纖維紙增強熱塑性塑料和碳纖維梳理網(wǎng)增強熱塑性塑料（CWT）

圖9.用于批量生產(chǎn)汽車部件的新興高周壓縮成型技術示意圖

復合材料還可用于需要更大強度的敏感位置，例如碰撞管理結構、復合軌道框架，懸掛系統(tǒng)等。事實上，復合材料可以成為各種新興金屬部件（如車身結構、車頂結構、保險杠）的替代品。FRP 復合材料的另一個優(yōu)點是，它易于制造復雜形狀。復雜的車身形狀不僅可以通過精美的藝術吸引人們的注意，還可以大大降低阻力系數(shù)并提高空氣動力學性能。

與鋁和鋼等傳統(tǒng)金屬相比，CFRP 具有更高的減重能力、更高的比強度、更高的沖擊吸收能力和更大的剛度。因此，汽車行業(yè)多年來一直在轉向使用復合材料，特別是 CFRP。目前廣泛使用的復合材料是玻璃、碳和芳綸纖維。這是一種天然纖維，亞型為聚酯和尼龍纖維。此外，與碳纖維相比，玻璃纖維的剛度較低且更重，而碳纖維則更多地應用于高性能部件。為了提高強度、顯著減輕重量和減小車架尺寸，人們采用了碳纖維增強復合材料。

近年來，多家汽車制造商使用碳纖維復合材料制造汽車車頂、地板、復合乘客艙、車艙框架、傳動通道、車頂支柱、前后保險杠和后地板。研究表明，碳纖維復合材料可能是鋼制  一體式車身(BIW)的潛在替代品，但對于輪輞、保險杠支架、車頂、車門模塊、進氣歧管系統(tǒng)和行李箱蓋等，因出色的機械特性和成本約束，GFRP被視為更優(yōu)選擇。然而，不夠節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)效率低、設計工具不足、材料價格較高以及可回收性和可修復性問題極大地限制了它們在汽車領域的應用。

現(xiàn)在，碳纖維增強塑料的應用意味著提升輕量化性能。與常用的金屬相比，碳纖維增強塑料具有出色的比強度、疲勞特性和剛度。在汽車領域，碳纖維增強塑料的優(yōu)勢還在于減輕重量、耐用性、耐撞性、韌性以及迷人的外觀。

5.1.樹脂傳遞模塑 (RTM)

樹脂傳遞模塑成型（簡稱 RTM）被認為是汽車工業(yè)中最適合大規(guī)模生產(chǎn)復雜幾何形狀復合材料部件的技術，其中復合材料部件的尺寸從小型到中型不等。傳統(tǒng) RTM 方法的最新進展為汽車工業(yè)可持續(xù)地推廣該技術提供了可能性。由于采用閉模方法，資本投資更少、運營成本更低、排放量更低，這些都是 RTM 方法帶來的好處。獲得的復合材料部件在模具中制備，無需額外處理。所得復合材料在每一面都表現(xiàn)出良好的表面光潔度，并且可以實現(xiàn)更高的體積百分比。然而，由于樹脂增強材料的限制，RTM 的應用范圍縮小僅限于中小型部件。限制在于復雜大型部件中的流動時間和空隙形成時間。為了提高制造效率和部件的物理功能，必須避免包含空隙。工業(yè)界和研究機構正在致力于通過改進浸漬方案和機械化裝置來改變RTM的工作原理，以實現(xiàn)更高的產(chǎn)量。圖10展示各種樹脂傳遞模塑 (RTM) 方法。

圖 10 .各種樹脂傳遞模塑 (RTM) 方法。(a) 低壓 RTM。(b) 高壓 RTM。(c)壓縮 RTM

許多工業(yè)用途需要使用 RTM 技術，例如使用熱固性樹脂和環(huán)氧樹脂作為主要成型樹脂的復合材料。超快速固化環(huán)氧樹脂的最新進展推動了 RTM 的實踐，將不同汽車設備的固化時間縮短至 30-120 秒。此外，熱塑性塑料由于其可回收利用的優(yōu)勢，在教育和制造方面也具有廣泛的影響力。

5.2 .真空輔助樹脂灌注（VARI）

真空輔助樹脂灌注技術或 VARI 技術在形式上與 RTM 工藝類似，不同之處在于，VARI 技術用可支撐真空的軟質材料（如塑料薄膜）代替上模，與 RTM 相比，這可以降低模具成本。在該方法中，將干燥的織物片排列在模具中，并用密封膠帶封入真空袋中，然后樹脂滲透到干燥的纖維中。在堆疊的片材上放置高滲透性通道，以產(chǎn)生適當?shù)臉渲魍?。RTM由于工藝復雜，對于大批量生產(chǎn)來說經(jīng)濟性不高，因此大批量生產(chǎn)首選VARI工藝。VARI工藝在應用于渦輪葉片、船體和汽車部件等大型結構的生產(chǎn)時，具有更好的表面光潔度和復合材料質量，是一種更有前景、更便宜的選擇。通過 VARI 方法計算出的纖維體積分數(shù)與高壓釜預浸料非常接近，這是因為其固結壓力較小，且纖維增強材料的壓縮性特征也較強。

5.3.壓縮成型

汽車制造中應用最廣泛的技術是壓縮成型，可用于結構和非結構用途。該工藝包括通過使用相應的金屬模具將墊預制件（即纖維和樹脂的混合物）轉化為所需產(chǎn)品。圖11表示典型壓機關鍵部件的示意。

圖 11 .典型壓機示意圖

SMC 即片狀模塑料，定義為通過熱固性預浸料和短切纖維生成的片材，根據(jù)設計的復雜性、強度和尺寸通過壓縮或注塑成型。SMC出色的流動性可生成低成本汽車部件。SMC 在鋼制加熱模具中處理，通常在低于 100 bar 的壓力下使用液壓機。所得部件的纖維含量和模制件形狀取決于施加的壓力大小。汽車的車頂、車門、行李箱蓋、支架和擾流板等部件均由 SMC 制造。梅賽德斯-奔馳 Actros 車型由約 30 個 SMC 制成的部件組成，而雷諾 Espace 車型則擁有一個由 SMC 制成的完整外部車身面板。塊狀模塑部件(BMC)的原材料與 SMC 不同，因為它包括切碎的薄片和預浸料碎片，而不像SMC 片材一樣完整。

玻璃纖維氈熱塑性塑料 GMT 是一種完全計算機化技術，用于大批量制造復合材料部件。它由短切、連續(xù)和單向纖維氈組成，在熱塑性塑料基質中纖維含量接近 40%。在高速液壓機的幫助下，GMT 毛坯經(jīng)過結構化、加熱并輸送到模具中進行壓制。將成型的部件拆下，并在必要時執(zhí)行銑削、切割或鉆孔等二次加工。使用約 5-30 MPa 的可變壓力。 

制造過程簡單，使得壓縮成型具有優(yōu)勢，同時具有快速的循環(huán)時間、生產(chǎn)復雜結構的能力和成本效益。但是，考慮到昂貴的壓力機、模具和材料規(guī)劃系統(tǒng)，需要大量的初始投資。壓縮成型生產(chǎn)的部件的機械特性不如RTM 工藝，盡管它們與 VARI 方法相似。壓縮成型工藝的成本效率取決于設備、材料類型、自動化水平和能源成本等因素。壓機中使用的原材料，如塊狀模塑料(BMC)、SMC、GMT、預浸料或 LFT，會影響初始資本投資。

5.4.反應注射成型（RIM）

反應注射成型(RIM) 是一種液體注射成型技術。它被認為是一種低壓成型工藝，允許兩種反應性組分相互作用并產(chǎn)生聚合物，然后按化學計量混合并注入模具腔體中，汽車結構件成型通常采用雙組分（異氰酸酯和多元醇）聚氨酯熱固性樹脂。

RIM 中的纖維增強材料具有增強和結構 RIM 的特點。結構 RIM 類似于 RTM，其中樹脂被注入模具的腔體中，該模具的腔體已經(jīng)預先適應了均勻的纖維預制件布局。在增強 RIM 中，使用一種樹脂組分在模具的腔體中注入短切纖維。RIM、結構 RIM 以及增強 RTM 的演示如下圖12。圖12顯示了各種反應注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（無增強）。(b) 增強 RIM。(c) 結構 RIM（見圖13）。

圖 12。各種反應注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（無增強）。(b) 增強 RIM。(c) 結構 RIM

圖13.復合材料的開發(fā)技術

與 RTM 方法相比，低壓壓機所需的功耗更低，因此操作成本更低。與傳統(tǒng) RTM 技術相比，結構 RIM 時間周期較短，研究表明，大型汽車保險杠的 RIM 時間周期小于 2 分鐘。結構RIM適用于纖維增強材料含量約為50–60%的較大范圍的增強材料。對于生產(chǎn)增強泡沫塑料部件，增強RIM是一個不錯的選擇。玻璃纖維或短切碳增強材料可以增強泡沫的物理和機械特性。

RIM 的最新發(fā)展集中在 RIM 技術結構優(yōu)化和熱固性雙組分樹脂上。采用結構 RIM 的主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)出優(yōu)質的產(chǎn)品，需要對外部組件進行模后油漆固化。因此，當需要優(yōu)質的飾面時，就會使用結構 RIM。結構 RIM 在汽車行業(yè)用于生產(chǎn)雪佛蘭科爾維特等車型的座椅靠背框架。

在汽車領域，復合材料的應用將減輕電動汽車的重量，影響空氣動力學性能，同時降低燃料消耗。證據(jù)表明，復合材料可為汽車工業(yè)的零部件提供極高的性能。全球對節(jié)油型汽車和電動汽車的需求在過去 5 年內均有所上升。為了滿足對更高強度和輕量化零部件的需求，汽車行業(yè)更應專注于研究基于復合材料的汽車零部件，因為它們可以提供更高的強度、更強的耐磨性和更長的疲勞壽命。

近年來，大多數(shù)汽車制造商都傾向于將傳統(tǒng)的鋼制部件轉換為輕質材料，以維持其業(yè)務并順應當前的市場趨勢。纖維素和生物復合材料使用方面的最新技術發(fā)展重塑了傳統(tǒng)輕型車型和高端車型的設計。碳纖維復合材料可以通過回收的方法以較低的價格獲得，為未來輕型混合復合材料的發(fā)展提供了更合理的方向。