复合材料在现代汽车工业中的应用与发展

复合材料在现代汽车工业中的发展与应用1.什么是复合材料？主要的制备技术有哪些？2.复合材料（塑料）在汽车工业（轻量化方面）的应用与发展。3.Al-Si-Mg复合材料制备汽车发动机缸套的工艺过程介绍。复合材料在现代汽车工业中的发展与应用1.什么是复合材料？主要的制备技术1.1什么是复合材料？古代人建土坯房时常在粘土泥浆中掺入稻草，这有何作用呢？稻草增强粘土1.1什么是复合材料？复合材料(Compositematerials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料的分类1.1什么是复合材料？①纤维增强复合材料将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。此外，还发明了先进复合材料，分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。可除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。再生树脂复合材料第五代复合材料战机复合材料电缆支架verton复合材料印度复合材料武装直升机pvd复合材料1.1什么是复合材料？复合材料的应用①航空航天领域可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等④医学领域可用于制造医用X光机和矫形支架等。也用作生物医学材料。此外，还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。1.1什么是复合材料？2007年中国（大陆）行业中，复合材料玻璃纤维产量160万吨其中115.5万吨用于玻璃钢（FRP）工业；不饱和聚酯树脂（UPR）产量135万吨，其中68.8万吨用于玻璃钢领域，占51%2008年我国复合材料整个行业全年经济运行平稳，产量增长达12%左右。行业规模以上企业全年实现工业增加值86.7亿元工业总产值258亿元，新产品产值11.6亿元，销售产值253亿元从2010年年初起，国家发改委、科技部、财政部、工信部四部委联合制定下发了《关于加快培育战略性新兴产业的决定》代拟稿，经过半年的意见征求，主要领域从7个扩为9个，其中“新材料”中分列了特种功能和高性能复合材料两项。复合材料在中国的发展现状1.2复合材料的制备技术金属基复合材料：固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等。陶瓷基复合材料：固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。树脂基复合材料：手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。手工作业把玻璃纤维和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实，最后在常温下固化成型为汽车复合材料制品，如图1所示。尽管在现代汽车复合材料成型新工艺不断涌现的情况下，手糊成型工艺显得比较原始，但是，该工艺却具有其独特的不可替代性，仍然为世界各国汽车复合材料行业特别是中国汽车复合材料行业所广泛采用。缺点：生产效率低，生产周期长，工作环境差。生产的汽车零部件的质量往往不够稳定图1手糊成型工艺示意图图2手糊成型工艺流程手糊成型将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤由喷枪中心喷出，使其与树脂在空间均匀混合后沉积到模具上。沉积到一定厚度时，用压辊滚压使纤维浸透树脂，排除气泡，经常温固化后成型为汽车复合材料制品。也被称为“半机械手糊成型工艺”缺点:产品的均匀度取决于操作人员的熟练程度；制品强度较低；阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品生产难度大；生产现场工作环境恶劣，环境污染程度一般均大于其他的工艺方法。喷射成型成形技术路线将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化而成型的一种方法。模压料的品种可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯料。优点：生产效率高，便于实现自动化；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；不足之处：模具制造复杂，投资较大。模压成型工艺示意图模压成型SMC模压成型工艺流程1.3复合材料著名生产企业1麦格纳：加拿大汽车供应商Magna公司与加拿大政府的研发组织——国家研究委员会（简称NRC）于2009年底结成伙伴关系，旨在支持加拿大汽车工业研发安全、经济、环境友好和燃料效率高的“新一代”车辆。双方将在加拿大安大略省康科德创建一个Magna-NRC复合材料优胜中心，重点研发热塑性复合材料汽车零部件。2沙伯基础创新塑料推出Noryl和Valox汽车树脂的全新高端产品系列。该系列产品旨在降低插电式混合动力车(PHEV)和电动车(BEV)的重量并提高其性能，从而帮助客户打造动力系统替代解决方案。与相应的竞争材料相比，沙伯基础创新塑料的新材料具有出众的抗冲击性、韧性、耐高温性以及其他特性。1.3复合材料著名生产企业3朗盛发明的塑料金属合成技术(也被称作“复合技术”)已在汽车行业中得到了广泛且成功的应用。该复合技术主要用于生产轻质、高强度结构部件，比如前端、踏板支架以及刹车踏板。此前，所有结构部件都以钢板或铝板作为原材料。如今，有机塑料板将首次与铝板共同用于汽车的复合材料前端。4戴姆勒Toray将和德国汽车制造商戴姆勒（Daimler）联合开发碳纤维汽车零部件，且新开发出来的碳纤维零部件将从2012年起用在梅赛德斯—奔驰轿车上。研发工作将在Toray的法国工厂进行。梅赛德斯将成为首批使用新开发的碳纤维零部件的车型。1.3复合材料著名生产企业复合材料概念汽车2.复合材料（塑料）在汽车工业—轻量化方面的应用近30多年来，国际上汽车塑料的用量在不断增加，平均每辆车上塑料的用量从20世纪70年代初的50--60kg已发展到目前的150kg，而且增长还在继续。在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150kg，占汽车总重量的10%。汽车塑料中用量最大的通用塑料品种是聚丙烯（PP）、ABS树脂、聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）。很明显，聚烯烃材料构成了汽车主要的塑料件，而且这种趋势在今ABS树脂后将会越来越明显。2.1塑料复合材料在汽车轻量化方面的应用塑料复合材料在汽车领域的应用现状可持续发展解决之道：汽车轻量化节能低碳环保（回收）汽车重量效果10%燃油效率可提高6%~8%100公斤油耗可降低0.3~0.6L/100km100公斤CO2排放，降低5~8g/km汽车燃料油，占石油总消耗的35%；汽车排放CO2，占人类活动CO2的20%；密度g/cm3减重预估•以塑料代替钢，制品重量降低潜力达50%以上；•以塑料代替铝，制品重量降低40%；•已经考虑为补偿材料刚性降低而采取的设计措施。低密度工程塑料所带来的减重效应铝镁聚酰胺钢2.1塑料复合材料在汽车轻量化方面的应用7.81.36座椅泡沫顶棚仪表板背泡方向盘地毯底层在减轻重量的同时要考虑材料的性能是否满足要求！决不能牺牲性能!低密度聚氨酯泡沫产品3256g1908g614g进气歧管316g发动机悬置油滤外壳油底壳2297g1910g扭力杆587g发动机悬置传统汽车动力总成中的金属部件总重量10.8kg…气门室罩盖气门室罩盖进气歧管发动机悬置发动机悬置油滤外壳扭力杆油底壳如果替换成塑料件，可以减重3.2kg,减重幅度达到30%!马达外壳翼子板安全气囊外壳踏脚板金属件塑料件在内外饰系统中也有很多潜在的金属替代减重可能性低密度工程塑料制品塑料用量/车占汽车总重内饰件其他发达国家200kg~300kg22%~26%基本塑料化外饰件、车身、结构件中国80kg~150kg8%~12%部分很少综上，国内汽车用复合材料的开发和应用前景广阔！2.3宝马i3：从碳纤维到成品的全过程宝马第一辆纯电动i3已于2013年9月18日驶出了位于德国莱比锡工厂的生产线。每条聚丙烯腈线束包含100000根白色细丝，方便生产两条各50000根丝线的碳纤维束聚丙烯腈纤维有人造羊毛之称。具有柔软、膨松、不易染、色泽鲜艳、耐光、抗菌、不怕虫蛀等优点。1.白色的聚丙烯腈变成黑色的碳纤维2.碳纤维软性板材在一定的压力和温度下，将热塑性纺织纤维转化成极其细长的碳纤维丝线，其中每条碳纤维的直径仅有0.007毫米，根据需要纺织成各种各样的结构和样式；冲压完成碳纤维软性板材（类似坐垫、地毯）的制造。通过各种加工机械，碳纤维板材被切割成各种不同的大小和形状，然后再利用热处理或塑料粉末高压粘合技术，把这些板件加工出立体构型。2.3宝马i3：从碳纤维到成品的全过程树脂传递成型前的剪裁处理2.3宝马i3：从碳纤维到成品的全过程RTM起始于50年代，是手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术。将玻璃纤维铺放到闭模的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透玻纤，然后固化，脱模成型制品。2.3宝马i3：从碳纤维到成品的全过程3.Al-Si-Mg复合材料发动机缸套的制备技术3.1气缸套材料及制备技术的研究现状（1）传统气缸套的制备技术：合金铸铁离心铸造法、钢质毛坯拉伸法、双金属合金，铝合金整体气缸体（用于小功率发动机）。（2）陶瓷气缸套：日本80年代最先研究，并已应用于高档赛车，优点：工作温度高达1300-1500℃，不需水冷，节能减重，提高效率；（3）碳（C）基复合材料气缸套：美国人研究开发，目前还处于实验室研究阶段。其优点是节能减重，提高效率；（4）Al基复合材料气缸套：德、英等国，增强体主要有SiC、Al2O3等，制备工艺主要有喷射沉积、粉末冶金等，目前处于研究阶段。（5）过共晶Al-Si合金气缸套：德国，以Al-25Si合金为原料，喷射沉积制备高档发动机气缸套，强度高达400MPa以上，有利于提高发动机效率；德国人以Al-Si共晶合金为基体，通过激光熔覆得到一层厚度约0.8mm左右的高Si层，然后磨削成气缸套零件。谢谢大家！