碳纤维复合材料（CFRP）的应用——电池篇

 

查尔默斯理工大学的研究人员已经生产出一种结构电池，其性能比以前的所有版本都要好十倍。它将碳纤维用于电极、导体和承重材料。他们的最新研究突破为在车辆和其他技术中实现 “无质量”的能量存储铺平了道路。

 

在新能源汽车中，电池部分占据了车辆重量的很大一部分，但却没有实现任何承重功能。另一方面，结构电池既可以作为电源，也可以作为结构的一部分——例如，在车身中。这被称为“无质量”能量存储，因为本质上，当电池成为承载结构的一部分时，电池的重量就会消失。计算表明，这种多功能电池可以大大减轻电动汽车的重量。

图1 结构电池的用途

 

查尔默斯理工大学的研究人员已经从事结构电池方面开发多年，包括以前发现的涉及某些类型的碳纤维。除了坚硬和坚固，它们还具有良好的化学储存电能的能力。这项工作被《物理世界》评为2018年十大科学突破之一。

 

早在2007年就首次尝试制造结构电池，但迄今为止，很难制造出兼具良好电气和机械性能的电池。查尔默斯理工大学的研究人员与斯德哥尔摩的KTH皇家技术研究所合作，推出了一种结构电池，其性能在电能存储、刚度和强度方面远远超过了目前所见的任何性能。它的多功能性能比以前的结构电池原型高十倍。KTH开发了电池电解液。该项目涉及五个不同学科的研究人员：材料力学、材料工程、轻量化结构、应用电化学以及纤维和聚合物技术。

 

结构电池使用碳纤维作为负极，磷酸铁锂涂层铝箔作为正极。碳纤维充当锂的宿主，从而储存能量。由于碳纤维也传导电子，因此也避免了对铜和银导体的需求，从而进一步减轻了重量。碳纤维和铝箔都有助于结构电池的机械性能。两种电极材料通过结构电解质基质中的玻璃纤维织物保持分离。电解质的任务是在电池的两个电极之间传输锂离子，但也在碳纤维和其他部件之间传递机械负载。

 

该电池的能量密度为24Wh/kg，与目前可用的锂离子电池相比，其容量约为20%。但是，由于车辆的重量可以大大减轻，例如，驾驶电动汽车所需的能量将减少，而较低的能量密度也会提高安全性。结构电池具有25GPa的刚度，可以与许多其他常用的建筑材料相媲美。

 

“先前制造结构电池的尝试已经制作了具有良好机械性能或良好电性能的电池。但在这里，使用碳纤维，我们成功地设计出了一种具有竞争力的储能能力和刚性的结构电池。” 查尔默斯理工大学教授、该项目负责人Leif Asp说。

 

超轻电动自行车和消费电子产品可能很快成为现实。新电池的负极由碳纤维制成，正极由磷酸铁锂涂层铝箔制成，它们由电解质基质中的玻璃纤维织物隔开。尽管他们成功地制造出了比以往所有电池好十倍的结构电池，但研究人员希望进一步调查和了解材料结构和隔板厚度的影响。

图2 新型结构电池

 

现在，由瑞典国家航天局资助的一个新项目正在进行中，结构电池的性能将进一步提高。铝箔将被碳纤维取代，作为正极的承重材料，从而提高了刚度和能量密度。

 

玻璃纤维隔板将替换为超薄型隔板，这将产生更大的效果——以及更快的充电周期。新项目预计在两年内完成。这种电池的能量密度可达75Wh/kg，硬度可达75GPa。这将使电池与铝一样坚固，但重量相对较轻。项目负责人莱夫·阿斯普说：“下一代结构电池具有巨大的潜力。如果你看看消费技术，在几年内制造重量只有现在一半、体积更紧凑的智能手机、笔记本电脑或电动自行车是很有可能的。”

 

从长远来看，电动汽车、电动飞机和卫星将采用结构电池进行设计和供电，这是完全可以想象的。莱夫·阿斯普说：“我们真的只受想象力的限制。我们在该领域发表科学文章时受到了许多不同类型公司的关注。人们对这些轻质、多功能材料的极大兴趣是可以理解的。”

图3 新型结构电池的制作过程

 

参考文献

 

• Arnes Biogradlija，‘Massless’energy storage solution comes from Sweden，2021
•  

碳纤维复合材料（CFRP）的应用——汽车篇

 

01

概要

 

欧洲汽车制造商厂正在加速CFRP（碳纤维复合材料）在量产车上的普及。BMW发售的i8首次在量产车上使用了CFRP单壳体车身，而且在2016年上市的主打车型宝马7系的基础骨架上，不仅采用了铝合金，还采用了CFRP。梅赛德斯奔驰、奥迪也将之作为今后轻量化技术的主要材料，面向量产车进行了研发。本篇文章以德系车为例，介绍碳纤维复合材料如何在汽领域大显身手。

 

• BMW 系列的CFRP单壳体车身

 

在BMW的车身构造中、驾驶舱部分的活动模块为CFRP制的单壳体构造。另一个包含动力总成、底盘、电池的驱动模块为铝制，这2个模块结合构成了革命性的新型车身构造。

 

碳纤维的素材由三菱Rayon生产。在此之前，只有超跑将CFRP用于车架骨格构造部位，像BMW这样在量产车上大量使用CFRP是划时代的。

 

该车身构造的材料明细如图所示，碳纤维强化塑料为68.5kg占全体的一半，再加上热可塑性树脂13.3kg、粘着剂、填充材料等19.5kg，总重量不到101.3kg，构成了驾驶舱的CFRP制单壳体结构部分。

 

剩余36.8kg集中于下层的驱动模块除底盘、动力总成、电池以外的车身构造部分。下层部分的明细为铝板15.9kg、铝挤出材5.4kg、铝锻造材5.4kg、钢材10.1kg，共计36.8kg。

 

• CFRP材料车身重量比钢材料车身重量轻39%

 

为了比较BMW的车身重量，在这里用Mazda 2的车身作为参照。Mazda 2是没有使用铝及CFRP等新材料，而只使用钢材来彻底考虑如何进行轻量化从而开发出的一款具有出众轻型车身的车型。增加了超高张力钢板、高张力钢板，并且分析了高张力钢板的薄板特性，为了使薄板化也能保持强度而在表面形状上下了功夫，比之前车型减重10.2kg。考虑到车辆尺寸及配置提升所增加的25.4kg，所以实际实现了35.6kg的轻量化。车辆性能的评价也很高，十分适合作为比较对象。比较车辆尺寸两者长度几乎相同，对车重影响较大的轴距尺寸一致。但是，由于在车宽和车高方面BMW略大，因此为了使Mazda 2在车辆尺寸方面在比较时与BMW处于相同条件，加上了相当于长 x 宽 x 高的差值重量后的总重量为228.1kg。

 

与此相对，BMW的车身重量为138.1kg。这与以Mazda 2为基础计算的钢制同尺寸的车辆相比减轻了39%的90kg。这与集结了Mazda 2的最新技术的钢材所进行轻量化开发的结果35.6kg相比，采用CFRP和铝合金作为主体的车身构造的轻量化效果显而易见。

• CFRP活动模块成型技术

 

此次，能将CFRP成功用于BMW量产车上的最大的理由是生产技术。以往的超跑上所使用的高温法1次成型需要数小时。BMW的驾驶舱部分的CFRP活动模块所使用的，高压树脂传递模塑（RTM）法可将时间缩短到数分。RTM是将纤维方向不同的碳纤维积层板所重叠成的“堆栈"，按产品形状进行切割，将这个堆栈加热从而做出稳定的立体形状。把预成型的“毛坯”安装在磨具上，在其中注入高压树脂、使纤维和树脂相结合。作为最后的工序、在加热的同时进行冲压使之硬化，从而做出高刚度的制品。

 

BMW的CFRP复合零件，由许多个CFRP部材相粘合，从而构成驾驶舱部分的活动模块的单壳体构造。通过100%自动化的最新粘合技术，能准确的粘合各个零件粘合面的间隙，通过追加热处理缩短了的硬化时间。BMW的粘合面的总长度为每1台宽20mm，长达160m。

 

• 高压树脂传递模塑成型（RTM）法的最新技术

 

BMW的CFRP零件的生产工序除了导入了德国大型成型机厂家Dieffenbacher和KraussMaffei之外，还引进了Fraunhofer ICT的研究机构进行技术合作并联合开发的最新设备。此次驾驶舱周围的CFRP车身骨架部分是通过树脂注入成型（RTM）法的热硬化成型件，最新的RTM法有着许多改进，变化也日新月异。BMW采用了以下3种成型法。

 

• HP-RTM成型（High-Pressure Resin Transfer Molding）

 

此次的BMW有13个零件是通过HP-RTM做成的。

 

其生产工序是：将由CFRP编成的编织物材料卷曲材中切出，进行冲压成型的预处理（原材料）。将原材料放入RTM成型机中，进行真空处理后，用高压将树脂射出。在模具中进行热硬化最后切下制品。

• 湿法成型（Wet Molding）

 

此次BMW有19个零件采用Wet Molding制成。湿法成型作为HP-RTM的发展形，可缩短循环时间。

 

工序上，到切出卷材这一步为止是一样的，将树脂的注入的工序提前到模具安装之前进行。把CFRP材料里注入了树脂的编织物移动到RTM加工中心，将模具密闭加压使树脂渗透在纤维里面，进行热硬化。也可使用再生纤维薄板。

• HP-RTM Braided/W Core成型

 

此次BMW有2个零件采用HP-RTM Braided/W Core制成。

 

HP-RTM Braided像编加入了纤维的橡胶管那样，在圆周上加入碳纤维后编成管状后，通过RTM成型射出树脂进行热硬化，是管状CFRP制品的成型方法。适用于管状的骨架和加强筋。

 

02

欧洲轻量化成型技术的趋势

 

德国Dieffenbacher公司从树脂注入成型(RTM) 开始，还开发了其他各种各样的成型技术，如图所示还和其他公司共同进行研究开发。

 

• 第一个是树脂注入成型（RTM），如前所述，正在开发从HP-RTM延展的湿法成型技术。
• 第二个是SMC（Sheet Molding Compound）， 将包含不连续的碳纤维等材料的板状热硬化性树脂放入模具中进行冲压成型、热硬化的方法。与之对应的最新技术，为降低成本及提升品质在直接将材料投入相同生产线的成型机内，制作板状素材的D-SMC正在开发中。
• 第三个是LFT-D（Long Fiber Thermoplastics Direct process）, 使用长纤维复合材料的热可塑性树脂成型。与之对应的最新技术是将追加的强化材料同时成型的Tailored LFT-D正在开发中。
• 第四个是GMT（Glass Mat Re inforced Thermoplastics），将玻璃纤维的不织垫在可塑树脂内浸润成型的方法。与之对应的最新技术，正在向在以往的玻璃纤维上叠加碳纤维强化材料进行成型的LWRT ( Lightweight Reinforced Thermoplastics)技术方向发展。

 

无论哪种技术的开发，都是与Fraunhofer ICT共同开发的，说Fraunhofer ICT的存在是不可或缺的存在也不为过。

• 热硬化性树脂成型和热可塑性树脂成型的发展

 

整理了使用了高性能冲压成型的复合材料成型技术后，得到如上图的分类。以往，虽然以使用CFRP产品的热硬化性树脂为主，但使用热可塑性树脂的产品正在扩大。作为最终工序，即使是热硬化性树脂成型的HP-RTM产品，也有在前工序使用CFRP的原材料成型时，通过使用了热可塑性树脂HP-T-RTM来成型的例子，RTM也不断的在开发新的成型技术。

 

• 德国汽车轻量化技术开发的优势

 

在德国正在大力推进整车厂、供应商、设备厂商等民间企业和大学、研究机关相互协作。产、官、学与新技术相结合的计划已经确立，通过各自的经验和知识技术相结合从而推进开发。参加此项目的大学，研究机关的人材又能进入民间企业，从人材培养的观点来看也是十分优秀的。

 

前述的Fraunhofer是德国十分有实力的研究机关，在德国国内有60以上研究据点，有约2万人的员工从事研究工作。研究课题主要以3-5年后为中心的实用化应用技术。

 

其中之一的Fraunhofer ICT以轻量化技术开发为主、与各整车厂及设备厂商等就CFRP的产品技术进行了许多共同开发。每年的研究预算约4000万欧元十分庞大。有550名员工，安防相关的员工约为300名，汽车和一般产业相关的研究人员150名。

• 新型BMW 7系上CFRP的普及

 

2016年上市的新型BMW 7系上采用了CFRP，生产技术方面，车身各部位将采用树脂注入成型（RTM）法的CFRP加强配件。新型7系如BMW i系列一样，驾驶舱部分并非全都使用CFRP单壳体构造，而是在钢制车身的基础上，部分使用铝合金和CFRP以达到轻量化的目的。不仅BMW、奥迪、梅赛德斯奔驰与预定在新型车型上采用CFRP，在欧洲CFRP于零售车辆上的应用技术开发正在迅速推进。

碳纤维复合材料（CFRP）的应用——轮毂篇

 

新能源汽车正在逐步替代传统的燃油车。新能源汽车的续航里程成为最大的发展障碍，轻量化显得尤为重要。随着环保和节能减排需求的不断增加，全球汽车行业正在寻求多样化的轻量化解决方案。簧下质量的减重需求尤为突出，而作为簧下质量的重要组成部分，车轮在汽车整体质量中占据很大比重，减重的有效途径之一就是采用碳纤维轮毂。随着原材料和制造成本的下降，原本造价高昂、仅用于豪华或超豪华车型的碳纤维轮毂正在逐步“下探”。

图1 碳纤维轮毂

02

CFRP在汽车领域的应用前景

 

碳纤维是一种高强度高模量的轻质纤维材料，其密度比金属轻，强度却是钢铁的16倍，杨氏模量是传统玻璃纤维的2-3倍，同时兼具了纤维的柔软性。

 

一般铝合金轮毂重量为15千克左右，而碳纤维轮毂重量可以减少至8千克，碳纤维轮毂成了地地道道的“减重神器”。

 

碳纤维由于轻质和高强特性，一直是汽车制造热衷的优选材料。除了应用在轮毂，在汽车的传动轴、板簧、构架、车身都有使用碳纤维，不但保证汽车足够的强度和刚度，而且汽车的重量得以降低，能耗也相对降低。根据MarketaaWatch数据分析机构发布的《2021年汽车碳纤维市场研究报告》，2020年全球仅汽车碳纤维市场规模接近1.6亿美元；2021～2027年，全球汽车碳纤维市场预计将以超过5％的年均复合增长率保持增长。

 

碳纤维材料在汽车的应用，不仅是轻量化、降能耗，更是汽车安全性能提升的需求。碳纤维轮毂与传统的铝合金轮毂相比，质量更轻、强度更高、没有金属疲劳、降噪明显。我国汽车碳纤维拥有巨大的市场潜力,碳纤维轮毂没有大面积推开，主要是基于碳纤维成本的考虑。

 

图2 汽车领域碳纤维需求前景预测

 

但随着碳纤维生产技术的不断完善和规模化生产，碳纤维成本在逐步下降。碳纤维原丝主要是采用聚丙烯腈原料，成本一直居高不下；随着采用沥青基、聚乙烯等原料制备原丝，碳纤维成本可以下降30%以上。根据澳大利亚的Carbon Revolution公司的碳纤维轮毂，由碳纤维与树脂后粘合而成，实现了规模化生产，可以将碳纤维轮毂的成本降至接近铝轮毂。

 

国家出台了相关政策，大力扶持国产高性能碳纤维的广泛应用。2021年3月《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出要加强碳纤维等高性能纤维及其复合材料的研发应用，为未来碳纤维行业的技术进步提供了良好的政策环境。

 

新能源汽车的发展势不可挡，碳纤维轮毂或将成为新能源汽车的标配。

 

03

CFRP轮毂与金属轮毂的比较

 

汽车自1886年发明出来，距今已经有100多年的历史，汽车轮毂也从以往的木头材质发展到如今的金属材质。现代汽车较为常用的轮毂材质有钢制轮毂、铝合金轮毂、和镁合金轮毂，近几年在超跑上出现了碳纤维轮毂。

 

（1）钢制轮毂：成分是铁和其他提升韧性的金属元素，优势在于韧性更强、耐冲击性能突出、承重能力较好，另外还有一个优势就是价格便宜。当然钢制轮毂也存在一些缺点，比如铁容易生 锈，散热能力较差，重量较重，不利于制动和操控等。

 

（2）铝合金轮毂：铝是主要成分，同事还有锑、硅、镁等其他元素，用来提高整体的性能。铝合金轮毂的加工工艺相对钢制轮毂更复杂，加工工序也更多，整体性能高于钢制轮毂，而且重量下降明显。得益于铝合金的密度较低，提速更快，散热能力更强，适合在城市道路形式。缺点则是韧性相对较低，抗冲击性和抗疲劳能力较低，不能再恶劣环境中使用，如越野等。

 

（3）镁铝合金轮毂：相对于铝来说，密度耕地，与碳纤维复合材料相似，镁合金轮毂中除了镁意外，还加入了铝、锌、锰等。弹性更好，散热更快，消震能力更强，同时再韧性上比铝合金更好，可以说是铝合金的加强版。不过镁合金轮毂容易氧化，耐腐蚀性较差。

 

（4）碳纤维轮毂：碳纤维轮毂是近几年才开始出现的新型轮毂，外观纯黑色，带有纹路，颜值高端大气。碳纤维轮毂的性能强大，重量跟镁差不多，韧性强，耐冲击性好，还耐腐蚀耐氧化。目前摩托车、山地车、公路自行车和汽车上都有应用。

 

04

碳纤维复合材料轮毂的优越性

 

汽车轮毂和轮胎承载了汽车所有的重量，同时在传动轴的作用下起到驱动汽车的作用。碳纤维汽车轮毂作为核心的骨架部分，具备较好的承压能力和抗冲击性，汽车加速时和载重时的表现非常出色。另外碳纤维轮毂因为自重下降，可以有效降低惯性，可以实现汽车的更快启停和转向。

 

（1）重量更轻，强度更高

 

众所周知，碳纤维复合材料是公认的汽车“轻量化”减重的最好方法。碳纤维也被誉为黑色黄金，它的重量比铝轻，但是他的强度缺高于钢铁，具有耐腐蚀、高模量的特性，它不仅可以使汽车轻量化，同时还能强化汽车强度。有资料显示，20英寸的碳纤维轮毂总重量约为7.5kg，与同尺寸铝合金轮毂相比，重量轻了约25%以上，在强度方面，相比铝合金轮毂，整体也提升了约30%。

 

（2）更强的性能与操控性

 

澳大利亚Carbon Revolution轮圈品牌的工程师曾经说过，在非簧载质量下，轮毂的重量减低1kg，就相当于整车质量降低15kg，而车辆每减重10%，加速性能就可提升约8%，这也说明轻量化轮毂可以为汽车动力性能带更好的反应力。碳纤维轮毂还具有很好的减震效果，舒适度更高，操控性更强。

 

（3）节能减排

 

使用碳纤维复合材料轮毂减轻1kg的簧下质量，其效果可以等同于减轻15kg的整车质量，而车辆每减重10%，在油耗方面便可降低6%-8%，汽车排放也可降低5%。 使用碳纤维轮毂，是同尺寸的锻造铝合金轮辋重量的60%，所以车身减重，对环保也有重大的意义。

 

（4）更好的操控性和更优的制动性

 

使用碳纤维轮毂，因为碳纤维的弹性模量可以达到200GPa，弹性率越高，受力之后弹性形变性越小，它的舒适性也就越好，操控性也就得到提高。汽车更换轻量化碳纤维轮毂之后，车的悬挂响应速度也就有了明显的提升，加速也就越快越轻松，制动性也就得到提高。

 

05

碳纤维复合材料轮毂的应用事例

 

成立于2007年Carbon Revolution公司，是一家全球性技术公司和一级 OEM 供应商，已成功为全球汽车行业创新、商业化和工业化高性能、技术先进的轻质碳纤维车轮/轮毂制造商。它除了豪华车轮毂，还宣布开发23英寸和24英寸碳纤维车轮，目标是用于电动卡车和SUV市场。该公司正在为波音公司CH-47奇努克直升机轮子进行概念和验证项目。

图3 Carbon Revolution公司超轻系列碳纤维轮毂

 

碳纤维轮毂的制造需要高精度的碳纤维铺放和高压成型技术，Carbon Revolution司拥有约50项与碳纤维车轮产品及制造工艺相关的专利，并希望通过改进制造工艺，提高效率。为此，该公司不仅开发了高度自动化的生产线，还广泛使用机器学习和人工智能技术来优化生产制造流程。轮毂平均比市场上的标准铝制轮毂轻40%到50%。此外，轮毂可以设计成符合空气动力学的形状，在不增加重量的情况下减少阻力并增加航程。

 

意大利Bucci复合材料公司推出了首款20英寸碳纤维轮辋，专门用于运动/超级跑车领域。它允许以传统方式将车轮固定到轮毂上，从而消除了螺栓扭矩松动的风险。这保证了超轻碳纤维车轮与传统车轮一样易于组装和维护。为了应对特别是使用碳陶瓷刹车时出现的高温，在轮辋内侧涂有陶瓷涂层，即使在最极端的温度下也能保护碳纤维，使轮辋可以在最极端的温度下使用。

图4 Carbon Revolutio

 

Bucci 复合材料公司还为自己配备了该行业最前沿的Cannon公司生产技术工艺（高压 RTM-HP-RTM），这是意大利唯一获得将用于继续在为汽车行业开发更多车轮模型。

图5 Cannon公司的HP-RTM工艺设备

 

Cannon公司的解决方案包括使用环氧树脂为基体和碳纤维增强的HP-RTM工艺制造复合材料所需的设备：

 

（1）一个用于环氧树脂配方的三组分E系统高压加药装置，带有一个LN10三组分混合头和输出·比例的闭环控制。

 

（2）一台短行程模压机，具有25000 kN的夹紧力、3.6×2.4m的压板和非常精确的平行度主动控制，以保证成型零件的平面度。

图6 Bucci 复合材料公司20”碳纤维轮毂

 

著名的英国汽车制造商Bentley宾利最近几天为其Bentayga SUV推出了创新型全碳纤维轮毂，该车轮轮毂由Bucci Composites开发。22英寸碳纤维轮毂成为有史以来最大的碳纤维车轮，保证了创新设计和卓越性能，以及每个车轮实现了6kg重量的轻量化。

图7 Bucci为宾利汽车开发的22”轮毂

 

美国Vision Wheel推出了新的碳纤维轮毂，该轮毂是与美国IDI Composites International和复合材料编织专家A&P Technology合作开发的，每个车轮的成本为2000美元甚至更低。

 

另外一家美国ESE Carbon公司将其E2一体式碳纤维复合材料轮毂投放到售后市场，为特斯拉Model S、特斯拉Model 3和斯巴鲁WRX STI车辆提供服务。

图8 ESE公司开发的一体式碳纤维复合材料轮毂

 

E2车轮采用先进的创新定制纤维铺设（TFP）和高压树脂灌注技术，将性能、耐用性、效率和创新与碳纤维的美丽结合在一起，提供了一流的售后市场车轮。

图9 ESE公司为特斯拉Model S开发的碳纤维轮毂

图10 ESE公司为特斯拉Model S开发的碳纤维轮毂

 

车轮越轻，转动惯量就越低，从而使车轮向前移动所需的力就越小。作为一款优质碳纤维复合材料车轮，E2与铝制和钢制车轮相比，可显著减轻重量。测试表明，每个车轮可以节省10磅的重量，从而使圈速加快5.3%。

 

简单地说，较轻的物体需要较少的工作来减速和停止。E2碳纤维车轮比同等的钢制或铝制车轮轻45%。测试表明，E2车轮可以将制动和滑行距离从每小时60到1英里减少3.6%。

 

减少簧下重量可以最大限度地减少悬架使车轮牢牢地保持在路面上的作用力。每个E2碳纤维车轮可从系统中减少高达10磅的簧下重量，使悬架性能更好。由此产生的轮胎接触的改善导致转向响应增强和操控更灵敏。无论是在公路还是赛道，E2碳纤维车轮都将使您的驾驶体验达到一个全新的水平。

 

• 道路试验

 

经过多年的原型测试，开发出了有史以来技术最先进的汽车轮毂E2。通过使用有限元分析进行高度先进的建模，ESE的复合材料工程团队能够预测车轮在大量现实场景中的反应。有了这些丰富的数据，ESE的车轮将在实验室和现场进行测试，测试结果将在强度、安全性和性能方面得到验证。

 

• 径向冲击测试

 

径向冲击测试评估车轮在穿过坑洞或大型障碍物时的稳定性，以防严重损坏或故障。由于了解街道和高速公路并不总是良好的路况，E2车轮经过严格测试，能够承受典型的道路危险，并被证明优于同等的钢制和铝制车轮。

 

• 路缘石撞击试验

 

路缘石撞击试验是一项关键试验，用于评估对静态表面的重复撞击的影响，模拟车辆以预定速度撞击路缘石或其他固定物体。即使在低速行驶时，路缘石和车轮的接触也会产生较大的冲击力。E2碳纤维车轮经过设计和全面测试，可在路缘石撞击等破坏性情况下抵抗故障。

 

• SAE J3204测试

 

E2经过了全面测试，并正在等待SAE J3204的认证，这是一种新的复合材料轮毂生产工艺。ESE正与美国汽车工程师协会密切合作，帮助制定复合材料轮毂的标准和基准。ESE的E2碳纤维车轮实际上超过了SAE的最低建议值。

 

与金属车轮类似，美国汽车工程师协会对复合材料车轮的建议通过各种疲劳和冲击试验来解决耐久性问题。SAE还增加了新的要求，以说明复合材料所特有的环境影响。

图11 被世界各大汽车制造商采用得E2碳纤维轮毂

 

E2碳纤维车轮采用最新的订制纤维铺设（Tailored Fiber Placement）技术进行设计。碳纤维叠层传统上是一个非常耗时的手工过程，包括在树脂模具上切割和手工成型碳纤维布。这导致了过度浪费，而体力劳动可能会在生产中造成瓶颈。

图12 订制纤维铺设（TFP）

 

TFP通过使用机器将碳纤维排列和缝合到精确的位置来实现最佳的结构性能。这减少了50%的铺层时间和 80%的材料浪费。它还允许ESE通过精确的纤维放置和定向来优化设计，以适应碳纤维车轮的曲率和辐条。这提高了E2碳纤维车轮的强度和耐用性，使其能够更有效地管理载荷和应力。

 

E2还使用专有的压缩树脂传递模塑（RTM）工艺和环氧树脂系统来制造轮毂，使轮毂具有更高的轮辋强度和抗疲劳性。ESE使用最高质量、最快固化的树脂，在高达212°C的行业领先Tg（玻璃化转变）温度下提供无与伦比的产品。ESE的纤维与树脂的含量为60%，空隙率仅为2%，是业内最好的。再加上ESE能够在不到2分钟的时间内完全注入轮毂。

图13 RTM工艺制造CFRP轮毂

 

06

结束语

 

通过使用碳纤维轮毂，车轮重量大幅减轻，跑车得以实现更加优异的操控性能。由于碳纤维车轮惯性更小，汽车转向感和牵引力都会得到改进，无论是加速还是制动，反应都更快。

 

此外，里程焦虑是很多潜在消费者对于购买电动汽车较为犹豫的重要因素之一，虽然电动汽车的续驶里程主要取决于电池，但其他因素也会对此产生影响。而轻量化的碳纤维轮毂能够大幅减少汽车每次加速或减速时车轮旋转带来的能耗，也在最大限度延长了电动汽车的续驶里程。

碳纤维复合材料（CFRP）的应用——高速轴承篇

轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。轴承的基本结构通常由内圈、外圈、滚动体、保持架、密封件和油脂组成，内圈和外圈统称为轴承套圈，是具有滚道的环形零件。

 

随着国家“工业4.0”战略的提出，关键设备零部件的国产替代已刻不容缓，国产品牌尤其是头部企业是为来实现轴承全面国产化的希望，国家陆续出台各项产业政策，引导轴承行业发展方向，千亿级市场规模，国产轴承成长空间大。

 

轴承行业制造企业将加大研发投入，引进国外先进设备，不断提高研发设计能力和制造水平，提升轴承产品的精度、性能、寿命等关键技术指标，缩小与国外先进汽车轴承制造厂商技术水平之间的差距，逐步实现高端产品的进口替代。

 

本文介绍一种采用高耐热性碳纤维复合材料（350°C）保持器，可用于新能源汽车电机的高速轴承，实现dmn200万以上。

01

产品研发背景

随着温室效应、尾气排放等引起的一系列环境问题日益加剧，普及更加环保的电动车成为社会的普遍期待。对于电动车普及，目前面临的一个重要课题是为提高续航里程，寻求能搭载更大电池的车辆空间。

 

近年来，随着电动车驱动系统的小型化、轻量化，以及驱动电机高效率化的市场需求不断加大，对驱动电机支撑用球轴承提出了更高转速的要求。球轴承在高转速旋转工况下，由于发热的影响，会发生润滑不良导致咬粘；另外，由于离心力的影响，保持架变形而发生破损也是亟待解决的课题。

02

高速轴承的特点

 

采用最佳设计，实现了低发热性。主体采用SHX材料，提高了抗咬粘性，而且，滚子采用陶瓷材料，提高了可靠性。保持器采用碳纤维复合材料，实现了高速化。抑制超高速运转时保持架变形、实现超高速旋转下的耐久性的提高。

 

• 采用碳纤维增强PEEK保持器

 

为了抑制大直径轴承高速旋转产生的大离心力所导致的变形，汽车用轴承首次采用碳纤维强化PEEK作为保持器用材料，实现了高速稳定旋转，大幅提高了保持器的耐久性。

 

• 采用内圈引导

 

滚珠引导冠形保持器，内圈的外径部作为引导面使用，可有效抑制伴随保持器的振动引起的损伤，飞跃性的提高了超高速旋转下轴承的耐久性。

 

• 内部设计及提高使用寿命技术

 

通过优化轴承内部的槽尺寸和滚珠直径、滚珠数量、间隙等，即使在超高速旋转下，也能防止摩擦和发热引起的烧结。另外，内外圈通过使用尺寸稳定性优异的材料和热处理技术，抑制了使用时的尺寸和径向间隙的经时变化，提高了耐久性。

03

产品测试条件

产品测试条件表

04

产品测试结果

05

结论

 

该高速轴承是目前全世界极限转速最高的球轴承。本产品的成功开发，为电动车驱动电机转速的大幅提升提供了可能。同时，通过提高驱动电机的效率，可实现驱动电机小型化、轻量化，为降低电动车能耗、延长续航里程、提高驾驶舒适度做出贡献。

在保持与传统碳纤维增强复合材料高强度级同等的加工性的同时，提高了机械特性和耐疲劳性。在以高流动性为特征的基础上配合碳纤维。适用于密封圈和轴承的保持器等组装工序中产生大变形的零件。

碳纤维复合材料（CFRP）的应用——汽车底盘篇

1. 从零出发

参与世界首台CFRTP汽车底盘研制工作的研究人员（名古屋大学）

 

2013年宝马汽车生产的电动车i3车身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工艺热固性CFRP时，给汽车行业带来了巨大的冲击，该公司的在2015年款7系车上虽然采用了多材料化，但是CFRP的应用仅停留在作为铝、钢铁等增强材料。关于碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，2014年丰田汽车将其应用在燃料电池车MIRAI的堆栈框架上，这也是首次在量产车上的应用。关于CFRTP其他的应用事例目前仍在研究阶段还没有达到实用化（图1）。

图1.CFRP成型技术与力学特性之间关系的路线图

 

日本5家汽车制造商为了寻求适用于量产车生产的CFRP制造技术，将目光着眼于LFT-D（长纤维增强热塑性复合材料工艺）工艺技术（图2），并于2012年在日本经济产业省的支持下成立了研发团队，由名古屋大学国家复合材料中心石川隆司教授担任项目负责人，之后该项目在2014年并入NEDO(日本新能源技术开发机构) 的“创新新结构材料研发”项目。

图2.LFT-D生产概念图

 

LFT-D是德国弗劳恩霍夫物流研究院提出的一种纤维强化塑料的制造方法，最初是将玻璃纤维和热塑性树脂（聚丙烯）混合而成的材料通过高速冲压成型。本项目为了提高力学性能，原料中使用了碳纤维和热塑性树脂（聚酰胺）。热塑性塑料与热固性塑料相比，具有材料价格便宜，成型时间短的优势。另外，作为热塑性塑料的特性，可以在接合中应用熔接和焊接技术，所以不需要粘合剂和铆钉，可应用于目前现行的汽车生产线，这对汽车制造企业来说具有极大的魅力。

 

本项目的主要特点之一是采取了大学与11家企业共同参与的联合体方式。各企业根据各自的经验，从零开始开发一种新的工艺，通过5年不断反复的改良，才取得了今天这样与企业诉求充分吻合的重大成果。

图3.经过改良后螺旋推进器的混炼·挤出机

图4.保温搬送装置中挤出的原料

 

2. 不断进取、不断改良、追求完美

 

截至目前，本项目最主要的成果首先是以最佳条件形成LFT-D挤出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型设备及系统（图5）。从原料的投入到成型品的完成只需5分钟左右，冲压成型所需的时间缩短到1~2分钟，能保障实现年产10万台规模的量产。其中系统设备研发中最难的一点是将碳纤维和热塑性树脂混炼的工序，这一点可以说是永远的课题。虽然混炼螺杆推进器的设计在多次改良积累了丰富的经验和诀窍，但在螺杆推进器中到底发生什么，仍然还有很多未解之谜。即使利用计算机模拟技术也不能完全揭开其真实的机理，仍然是将来需要解决的课题。

图5.大型LFT-D高速成型设备

 

在整个研发过程中，物料搬送技术的开发也相当艰辛。挤出材料接触空气后会因氧气而劣化，因此需要阻断氧气。另外，冷却后马上就会凝固，影响在冲压机中的流动，所以需要在保持温度的同时，如何高速向冲压机送料是关键，如何将它控制在分毫不差，是物料搬送技术的核心。

 

与混炼工序相反，冲压成型中的物料移动非常清晰。通过开发流动模拟CAE技术，并在成型试件的水准设定和模具设计中得以充分灵活的运用（图6）。

图6.CAE流动分析

 

关于材料的检测评估技术，申请了两项专利。其中一项专利是关于预填充物的制作方法，开发了多阶段稀释法的纤维长度分布测定法，实现了排除试样采集位置特异性的精度提高和效率化（图5）。另一项专利是测量纤维方向的方法，开发了X射线衍射法的纤维取向测定法，确立了平均取向角和取向顺序参数的计算顺序（图6）。

图7.多阶段稀释测定纤维长度分布

图8.根据X射线衍射测量纤维取向

图9.物料搬送技术的应用

 

3. “产学官”联合研发的样板工程

 

日本的“产学官合作”是指通过企业（产）与具有高端技术、高级专业知识的大学（学）以及政府（官）合作，谋求新产品的开发和新工程的创建，积极推进科技创新及其成果的转化。“产学官联合”是日本科技立国政策的重要举措，是在政府的支持下，充分利用大学强大的科研队伍和企业的经济实力，开发新兴技术产品，增强日本企业国际竞争力的机制。

 

本项目试制所选择的车辆标准是比钢铁轻的铝制车辆，而且是本次共同研发企业之外的车型。项目组购买了一辆莲花爱丽舍二手车，在拆解前测量了其扭转刚度（指汽车车架的扭转刚度），并以与之同等的刚度为本项目的设计目标。

 

从大尺寸平板的成型开始，取得基础数据，找出问题点。由于当初高质量的平板成型比较困难，经历了多次反复的试验。对于强度不足的部分，同时开展了作为增强材料使用织物（热塑性连续纤维CFRP）的混合成型的开发。在完成技术上最难的底盘平板后，逐步完成了包括侧梁等与实车完全一样的其他结构部件的开发。

图10.LFT-D汽车底盘的结构设计

 

关于接合，开发了与钢铁材料接合中使用的焊缝焊接同等水平的高速接合技术。虽然实现了解超声波熔接是有效的，但本项目中也实验了电磁感应和激光熔接。电磁感应对连续纤维有效但对不连续纤维不起作用，激光熔接虽然可以接合，但有专利等壁垒，仅限于研究范围。最终选择了超声波熔接，现状不能熔接的部分也并用了一部分，不过，为了发挥LFT-D的特性，从构造设计上下功夫，实现了全部熔接接合。不仅是LFT-D成型材料之间，也可与铝材料通过超声波熔接进行接合。同样也可以与钢材的接合，但是存在表面处理等未解决的问题，目前其研究仍在进行。

 

本项目中接合技术，有一部分在校学生获得了这次宝贵的机会并参与了研发工作。作为“产学官”合作的示范案例，获得日本内阁府颁发的“产学官联合功劳者选拔委员会特别奖“。同年2月，为了表彰该技术对汽车轻量化的贡献，获得“nano tech大奖”。

 

本次完成的热塑性CFRP底盘重量40kg，实现了与原车相同的强度和刚性要求。相对于铝制底盘由100个零部件组成，热塑性CFRP底盘仅仅有10个零部件，成本也可与铝制底盘相竞争。

图11.参加本项目的“产学官”大学及企业

 

4. 参考文献

 

• ISMA Report, June 2021

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来源：新材料平台复合材料行业中心，复材网整理

随着复合材料工艺制造水平的提高，生产规模的不断扩大和自动化程度的巨大进步，复合材料被更广泛地应用于航空航天、汽车、轨道交通等领域，其应用水平已经成为衡量新一代装备先进性的重要标志。我国复合材料在全球约占30%的市场份额，因此前瞻性、适时性地对复合材料行业的发展背景、产销情况、市场规模、竞争格局等行业现状进行分析，并结合多年来复合材料行业发展轨迹及实践经验，对复合材料行业的未来进行探索，有着极为重要的意义。

 

HP-RTM工艺是近年来推出的一种应对大批量生产高性能热固性复合材料零件的新型RTM工艺技术，采用配套预成型技术，通过在密闭抽真空模腔内高压混合注射完成树脂对纤维的浸渍和固化，可实现低成本、短周期（大批量）、高质量生产。

 

会议由复材网、天津市天锻压力机有限公司主办，廊坊市飞泽复合材料科技有限公司、湖南精正设备制造有限公司协办，将于8月3-5日在天津市举办“2023第一届复合材料HP-RTM工艺技术交流会暨自动化成型装备演示培训会”。会议期间，还将安排参观天津市天锻压力机有限公司、廊坊市飞泽复合材料科技有限公司，观摩成型装备及生产现场操作演示，在实践中学习高效、低成本、定制化的轻量化解决方案，共同探讨复合材料新技术、新应用和新发展，助力企业顶层设计及战略规划，在市场竞争中占据领先优势。

 

诚邀国内外复合材料生产企业、产业链上下游企业、专家学者和行业同仁莅临本次大会，进行学术交流和商务合作！

 

1

会 议 日 程

Meeting schedule

 

会议报到

2023年8月3日

下午-大会报到，对接交流

下午-闭门会议（仅限受邀）

产业链生态构建对接交流会

晚上-自助晚餐

大会当天

2023年8月4日

上午-航空航天、汽车、轨道交通等行业复合材料市场趋势及HP-RTM工艺应用分析

中午-自助午餐

下午-HP-RTM、Surface-RTM、C-RTM、PCM新工艺 新材料 新技术 新应用相关报告

晚上-欢迎晚宴，对接交流

参观企业

2023年8月5日

上午-天津市天锻压力机有限公司

参观地址：天津市北辰区小淀镇津围公路东

下午-廊坊市飞泽复合材料科技有限公司

参观地址：廊坊安次区河北廊坊高新技术产业开发区凤翔路255号

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参 观 企 业

Visiting enterprises

天津市天锻压力机有限公司

始建于1956年，是我国第一台液压机诞生地，坐落于中国北方经济中心、环渤海经济中心和国际港口城市—天津。历经60多年的积累、创新与发展，始终保持行业领军地位。公司以研发、生产、制造和装备液压机产线为主，研制航空航天和汽车轻量化等领域高端零部件及先进工艺为辅，集科研、生产、贸易、服务于一体的国家级高新技术企业。

 

作为国内液压机行业领跑者，国家制造业单项冠军示范企业，全国200家创建世界一流专精特新示范企业，经过数代人努力拼搏，“天锻”品牌液压机在国内外享有良好的口碑和市场美誉度。目前，公司紧紧围绕战略性新兴产业的发展，以工艺为中心，逐步做全做强产品产业链，可设计生产87种系列、1800余种规格的压力机及成套自动化产线，产品规格从10吨-70000吨，广泛应用于航空航天、新兴能源、汽车制造、船舶运输、轨道交通、石油化工、轻工家电等领域，不仅为国内重点项目、重大工程提供重型成形装备，且产品出口欧洲、美洲、东南亚等40余个国家和地区。

 

2022年8月天锻正式加入中国通用技术集团，站在新起点，依托央企平台赋能，服务国家重大战略，持续不断在卓越管理、科技创新、市场营销、机制改革、资源统筹等方面发力，把握历史机遇，奋进新征程。

 

廊坊市飞泽复合材料科技有限公司

成立于2019年2月，位于河北廊坊高新技术产业开发区内，注册资金1.8亿元人民币，最大股东是中国石化资本公司，通过股东资源的协同，促进公司跨越式发展。飞泽复材2021年底通过战略投资控股廊坊万泰复合材料有限责任公司。公司秉承“用 XIN SHI 干”的核心价值观，立足于复合材料轻量化核心业务，坚持“应用性、产业性、关键性、前瞻性”技术主导，兼顾“质量、成本、效率”三个维度，全面推进“新材料、新结构、新装备、新工艺、新方法”和“研发与量产”应用，专注为汽车、风电、轨道交通、航空航天等领域客户提供“结构设计、模拟分析、材料研发、工艺试制、试验验证、量产交付”的全流程解决方案。

飞泽复材是国内率先实现汽车领域碳纤维复合材料零部件大批量生产的高科技企业，公司拥有VARI、RTM、预浸料袋压（OOA）、预浸料模压、热压罐、拉挤等传统工艺，以及湿法模压、HP-RTM、Surface-RTM等新型工艺的研发、试制及量产能力，通过多个项目的量产交付，实现了碳纤维复合材料在汽车领域的规模化、快速化、自动化生产。

 

参观名额有限，先到先得！