汽车用碳纤维复合材料研发方向讨论

Page12015年银宝山新科技股份有限公司技术中心版权所有融汇尖端科技雕琢世界品牌深圳市银宝山新科技股份有限公司技术中心，成立于2008年。本中心拥有一支专业、创新的技术队伍,由研发部、先进制造技术研究所、标准化部、数字化部、知识产权部组成，负责开展产业技术研发、创造运用知识产权、建立技术标准体系、构建协同创新网络、凝聚培养创新人才、推进技术创新全过程实施，组织实施自动化数字化技术改造，以解放技术生产力为使命，以保障公司技术竞争力和技术领先为目的，为公司的战略和竞争优势保驾护航。深圳市银宝山新科技股份有限公司技术中心汽车用碳纤维复合材料研发方向讨论2018.3.15Page22汇报内容Page33一、纤维类型及关键技术碳纤维短切纤维由碳纤维长丝经纤维切断机短切而成。一般长度在1mm-100mm范围。该纤维一般不能直接使用，会与树脂含浸制成半成品待后道工艺使用。比如：SMC、LFT-G等碳纤维编织物由碳纤维长丝经织机织造而成。一般分为机织物（平纹、斜纹、缎纹）、经编织物和立体编织物（立体编织、立体机织、铺缝）。适合做外观。织物可以做成预浸料使用，或是直接使用，但一般需要进行裁剪和预定型。比如：WCM和RTM。碳纤维碳纤维预浸料由碳纤维长丝经预浸机与树脂复合而成。一般分为单向预浸布和织物预浸料。预浸料直接使用铺覆在模具上。由于预浸料本身的特性，会更有设计性。比如：PCM碳纤维毡由碳纤维长丝制成的毡。碳纤维毡一般会作为补强或是特殊功能用。可以与树脂复合制成GMT使用。Page44非连续纤维连续纤维VS1.材料制造简单。2.可使用边角料、废料或回收材料，成本低是其最大的优点。3.纤维分散，容易用树脂浸润。4.后续成型工艺简单，流动性好包括所有短切纤维和碳纤维毡，但主要使用短切纤维。包括所有预浸料和织物。1.成型后，无法发挥纤维性能。2.对应成型工艺中均无法保证树脂含量。1.力学性能保留率高。2.可设计性强。3.一般成型过程中树脂含量可控。1.后续材料成本高。2.成型设备和工艺成本高。3.成型过程中需要考虑纤维浸润。Page55关键技术纤维种类关键技术连续纤维1.高速纤维浸润技术开发；2.低成本制造技术开发；3.高表面质量制件制造技术开发。非连续纤维1.稳定树脂含量控制技术开发；2.高纤维体积含量制造技术开发；3.大尺寸纤维制造技术开发；4.纤维均匀分布控制技术开发；5.嵌入件或补强件连接技术开发。Page662.1HP-RTMHP-RTM（HighpressionResionTransformMolding，高压树脂传递模塑），是通过增大注射压力提升注射速度的有效方法。高压意味着混合头中的压力高达150bar（约15MPa），模内压力高达30~120bar（3~12MPa），具体多少取决于部件的尺寸和形状。1.充模快、浸润效果好，显著减少了气泡，降低了孔隙率；2.使用高活性树脂，缩短了生产周期，工艺稳定性和可重复性高；3.使用内脱模剂和自清洁系统，制件表面效果优秀，厚度和形状偏差小。可实现低成本、短周期（大批量）、高质量生产。4.具有很高的工艺稳定性和重复性。二、各成型工艺对比Page77HP-RTM过程中的关键技术①纤维增强材料的预定型技术②高精度树脂计量、混合及注射技术③成型模具温度场均匀性和密封性设计④高精度液压机及其控制技术RTM自动化生产线3D编织HP-RTM的预定型技术模具压制定型Page882.2WCMWCM（WetCompressionMolding，湿法模压）是将树脂浸渍的碳纤维编织物在润湿的状态下置入三维压模中，然后进行压型和硬化处理。优点：成型快，可批量化生产，成本低。缺点：性能略差，树脂含量控制和树脂浸润存在难点。Page992.3PCMPCM（PrepegCompressionMolding，预浸料模压）工艺是将已经用树脂预浸处理好的预浸料放入模压机中进行直接成型。是目前为止最为普及的成型工艺之一。预浸料后视镜模压机Page1010各成型工艺对比表2.4各成型工艺对比Page1111基础材料成本对比（HP-RTM＞PCM＞WCM＞GMT＞LFT-D＞SMC）HP-RTM•树脂：快速固化环氧液体树脂，价格估计50~60RMB/kg。•纤维：碳纤维织物，价格估计250~400RMB/kg。若购买编织预制体，则价格估计1000RMB/kg以上。WCM•树脂：快速固化环氧液体树脂，价格估计50~60RMB/kg。•纤维：碳纤维织物，价格估计250~400RMB/kg。PCM•树脂：快速固化环氧固体树脂，价格估计50~60RMB/kg。•纤维：碳纤维织物，价格估计250~400RMB/kg。或使用纤维束，价格估计150~280RMB/kg。•成型材料：预浸料。价格估计600~1200RMB/kgSMC•树脂：不饱和聚酯树脂，价格估计10~30RMB/kg。•纤维：短切碳纤维。价格估计50~150RMB/kg。LFT-D•树脂：热塑树脂（PA、PPS、PP），价格估计10~30RMB/kg。•纤维：碳纤维束，价格估计150~280RMB/kg（T700纤维）。GMT•树脂：热塑树脂（PA、PPS、PP），价格估计10~30RMB/kg。•纤维：碳纤维毡，价格估计500~1000RMB/kg。如果使用回收纤维，价格估计200~500RMB/kg。Page1212HP-RTM•设备：一台模压机、一台高精密高压注胶机、一台预制体定型压机。WCM•设备：一台模压机。PCM•设备：一台模压机。SMC•设备：一台模压机。LFT-D•设备：一台模压机、双螺杆注射机。GMT•设备：一台模压机。设备成本对比（HP-RTM＞LFT-D＞GMT≈WCM≈PCM≈SMC）HP-RTM•目前处于试验开发中，未有批量化生产。•技术难点较多，还需开发预制体技术。•无数据库，但可参考预浸料数据库。WCM•目前处于试验开发中，未有批量化生产。•技术难点较少。•无数据库，但可参考预浸料数据库。PCM•有批量化生产，技术成熟。•技术难点少。•有数据库。SMC•有批量化生产，技术成熟。•技术难点少。•有数据库。LFT-D•国内无批量化生产，但国外技术成熟。•技术难点少。•无数据库。GMT•国内无批量化生产，但国外技术成熟。•技术难点少。•无数据库。工艺开发成本对比（HP-RTM＞WCM＞GMT≈LFT-D＞PCM＞SMC）Page1313材料性能对比（PCM＞HP-RTM＞WCM＞LFT-D＞SMC＞GMT）HP-RTM•制件质量好，孔隙少。•可设计性强。•使用连续碳纤维织物，制件强度高。WCM•使用连续碳纤维织物，制件强度相对高。•制件质量较差，孔隙较多，会一定程度上降低制件的性能。•可设计性强。PCM•制件质量好，孔隙少。•可设计性强，特别是单向预浸料。•使用连续纤维，制件强度高。SMC•使用短切纤维，性能不高，较难发挥碳纤维的力学优势。LFT-D•使用切断的纤维，性能不高，较难发挥碳纤维的力学优势。•由于纤维尺寸相对较长，可以通过工艺弥补。GMT•使用纤维毡，性能不高，非常难发挥碳纤维的力学优势。•如果使用回收纤维，性能更差Page1414从各方面来综合分析，我认为银宝山新的研究方向需要以热塑性树脂的LFT-D成型工艺为主，辅助研究PCM工艺或WCM工艺。基于以下几方面的原因：GMT需向其它供应商购买原材料，其制品种类与LFT-D类似，没有必要消耗时间去进行研究。同时其它供应商不一定具备生产能力。HP-RTM设备成本和研发成本太大。若无稳定的客户需求和资金来源以及有能力合作的研究院所投入与回报可能在短时间内无法平衡。1.LFT-D目前能够满足热塑性零部件的客户需求，能应对复杂形状和对力学性能要求不高的零部件。1.PCM（或WCM）工艺能满足热固性制品的客户需求，可以制造具有高力学性能的承力结构件和次承力结构件，比如汽车底盘。Page1515客户输入原材料供应商制件工况要求成型工艺要求制件外形及重量要求材料模具设计结构设计制造工艺设计测试材料性能数据（库）制件材料要求制件选材设计结构优化强度校核模具设计标准研发寻求科研院所&公司合作测试标准收集和建立测试结果汇总及分析试样及制件测试测试方法设计制造工艺研发制造设备优化制造工艺标准化模具优化研发流程三、研发团队配置及资源配置3.1研发团队配置及工作Page1616复合材料研发团队1.筛选合适的材料和供应商。包括对树脂和纤维。并进行管理。2.建立完善的材料数据库。依托于不同材料、不同工艺下的试样测试数据。3.材料选型设计。依托于材料性能要求对现有材料进行合理的设计，对新材料进行选型。01材料工程师1.收集并建立测试标准，确保试验结果的符合性与可对比性。2.需求科研院所和企业合作，减少试验成本。3.对于没有标准的测试项目，需自行进行测试方法，并取得客户认可。4.及时汇总和分析测试数据，并反馈给材料人员。05检测工程师1.根据客户给出的工况要求和制件尺寸，反推出材料性能，并配合工艺工程师制定工艺方案。2.根据材料性能，对制件结构进行模拟验证，保证计算结果符合客户要求。02结构工程师1.按照设计好的结构及成型工艺设计合适的模具，包括各种工装设计。2.根据试验结果持续对模具进行优化。03模具工程师1.根据客户的材料和制件要求制定合理试验方案，并进行工艺试验。2.负责对制造设备进行相应的改造，持续优化。3.将制造工艺标准化，方便批量化生产。04工艺工程师Page1717例1现有材料性能可以满足客户需求LFT-D制件研发流程（例1）材料工程师客户结构工程师模具工程师工艺工程师测试工程师阶段客户提供需求根据客户要求，提供基础材料数据根据数据和客户要求，进行结构设计和优化输入优化结果设计制造模具编写制造方案制造试验制件完成制件检测编写检测方案是否有检验模具Yes配合编制设计检测模具No客户验收Page1818例2现有材料性能不能满足客户需求LFT-D制件研发流程（例2）材料工程师客户结构工程师模具工程师工艺工程师测试工程师阶段客户提供需求根据客户要求，提供基础材料数据根据数据和客户要求，进行结构设计和优化设计制造模具编写制造方案制造试验制件完成制件检测是否有检验模具Yes设计检测模具客户验收根据设计要求，重新设计材料根据新数据重新结构验证核对数据，确认材料制造要求和方案编写制件检测方案检测，建立设计用数据NoPage1919材料热塑性树脂/热固性树脂碳纤维/玻纤目前已拥有PP和PA树脂。3.2实物需求（针对碳纤维LFT-D）暂时缺少碳纤维。研究过程中纤维的来源主要以高校合作、企业合作或购买的方式进行。为了尽可能加强LFT制件的性能，碳纤维以TorayT700SC为主。1.树脂与纤维复合可能浸润性差；2.纤维表面上浆剂的耐温性问题。风险点研究过程中树脂的来源主要以高校合作、企业合作或购买的方式进行。热塑性树脂以PP、PA和PPS为主，其中PA和PPS性能优异。1.缺少客户对材料性能要求的输入，无法对合作高校或厂商提出要求，无法确认材料种类和规格。2.没有详细材料数据库，目前仅能在项目进行的同时，对国内外现有树脂进行试验积累。风险点纤维树脂Page2020设备制造设备测试设备原材料测试设备试样测试设备制件测试设备目前已拥有LFT-D注塑机和电子显微镜。设备配置1.由于汽车用热塑性复合材料在国内处于起步阶段，部分测试项目需要自行建立测试方法。测试设备无法确定。2.所有测试设备必须符合测试标准要求，否则测试无效。风险点1.研究过程中的制造设备以公司购买为主。2.测试设备需要配置一些常规的设备。拉伸试验机（需夹具）、冲击强度试验机、天平、电子显微镜。3.非常规测试项目以高校合作或测试中心付费测试的方式进行。4.制件测试设备以客户要求或标准为主。制造设备专用注塑机+模压机测试设备推荐自购：密度天平、烘箱、电子显微镜、拉伸试验机、冲击试验机。需高校合作：SEM、DSC、DMAPage2121□制造模具主要为制造最终产品、零部件或测试试样的模具；□检测模具主要是为检测最终制件的翘曲等模具尺寸要求用的模具。□检验工装主要是在