材料制造商正努力寻找新的方法，将复合材料的优势与汽车行业所需求的大批量生产相结合。本文报告了汽车领域的这些新发展。
一些复合材料供应商已经开发出满足汽车工业需求的新材料，这些材料的重量轻、结构坚固，而且可以在大批量制造的情况下满足商业化生产。陶氏汽车系统开发了VORAFUSE环氧复合材料系统，其将环氧树脂与DowAksa碳纤维结合在一起，改进了处理和快速固化时间，用于结构应用的复合材料部件的压缩成型。该公司表示，其设计目的是满足汽车行业对轻型材料日益增长的需求，这些材料适用于商业化的批量生产。
VORAFUSE设计用于压缩成型等工艺，实现快速循环时间。它可以在2-5分钟内固化，适用于大批量生产，并可以应用在自动生产解决方案。环氧纤维复合材料在低密度下具有很强的强度和刚度，能够在混合结构中生产出与传统金属部件相配合的部件。VORAFUSE的潜在应用是需要强度、刚度和轻型结构的结构应用，如门内罩板、发动机罩，A、B、C柱和车顶盖支架（图1）。
图1，VORAFUSE 可用于结构应用的复合材料零件的压缩成型。
“OEM排放和燃油效率要求预计会持续增加，轻质材料应用也会如此。”陶氏汽车系统业务部NAFTA复合材料市场部经理Allan James表示道：“VORAFUSE环氧树脂中间体支持高强度汽车零部件大规模生产。就像其他陶氏汽车材料一样，它可以量身定制，以满足多样化应用中的不同生产和性能需要。”
VORAFUSE有两种规格和多种织物配置：VORAFUSE P6300和VORAFUSE P6100。VORAFUSE P6300树脂系统设计用于大批量生产，不需要机器人处理2D和3D层压模塑。VORAFUSE P6100旨在应用高压等多种生产进程解决方案，在中低产应用方面成本更低。两种规格的织物配置包括单向带以及一定范围的织物、编织或非卷曲织物。
表1. VORAFUSE 的性能
VORAFUSE P6300预浸料技术现在应用于全球范围内没有限制（表1）。“我们的这一发展成果始于与福特汽车公司(Ford Motor Company)的合作，我们非常感谢双方的合作，这次合作带来了VORAFUSE P6300的开发。”Allan James补充道：“随着汽车制造商将继续使用碳纤维复合材料来替代金属，我们能够提供压缩成型材料VORAFUSE P6300预浸料，以及各种规格适用于RTM和湿法模压工艺的材料，特别是VORAFORCE?环氧树脂系统，如VORAFORCE 5300。”（图2）。、
图2，汽车供应商 Faurecia 以VORAFORCE 5300 环氧树脂通过RTM 工艺制造的阿斯顿马丁的后部 结构。
陶氏汽车系统认为，现在可以大幅提高生产速度。“在预浸料技术领域，基于化学和温度循环的高压釜工艺的生产速率从7到20分钟不等。”Allan James解释说：“其中一个更大的挑战是以可接受的方式将预浸料放置在模具中，这样可以增加整个循环时间。VORAFUSE预浸料的开发专注于更快的化学成分，以及克服自动预成型生产中的铺层挑战。预成形工序可以控制在一分钟，同时化学设计为在150℃下2分钟固化，从而实现总的3分钟最大循环时间。允许机器人放置网形预成型和模具移动，以及机器人移除部分，周期时间为3分钟。这意味着一套模具每年可以生产10万到12万个零件，而对于下一个最好的预浸料技术每年可以生产1万到4万件。生产速度的增长比同类技术快三倍。”
此外，通过使用VORAFUSE技术，能够显著节省制造车辆的重量。James补充道：“除开发的特定组件之外，很难衡量节省的百分比。一般来说，碳纤维复合材料与钢材料相比可节省60%的重量；与铝合金相比可节省40%的重量。由于其工艺为压缩成型与冲压的过程，因此有机会通过设计来减少零件的总数，从而提供进一步的重量节省以及部件整合，增加了碳纤维复合材料的价值。就我们与福特的合作而言，通过用碳纤维复合材料代替B柱钢插件，我们能够实现每辆车节省6公斤。因此，有很大的机会通过转换到碳纤维组件以减少车辆的重量。确定哪些应用将最受益于碳纤维复合材料的强度是关键。”（图3）。
图3，VORAFUSE 技术可广泛应用于汽车结构应用领域。
VORAFUSE技术还具有足够的灵活性，允许定制以匹配不同的制造和性能要求。 “关键创新在于VORAFUSE所使用的基础树脂具有无粘性的特点，可室温存储、快速固化和自动化友好系统。”James总结说，“它是为了简单的压缩成型而设计的，以便利用现有的资本，而不需要大量的资本支出。该树脂可与多种纤维和纤维取向相结合。在为福特的开发应用中，我们使用了DowAksa生产的碳纤维，其中包括A＆P 技术和DowAksa的NCF（非卷曲织物），来制作B型原型。在Multimatic工厂制造的福特GT，我们采用了来自DowAksa的380 gsm编织碳纤维制成车顶和车头底部。我们正在测试玻璃纤维，以及玻璃纤维与碳纤维的混合材料，并且在使用替代纤维和织物时，几乎没有任何限制。不同的纤维和格式可以根据我们的客户所确定的具体性能需求定制。”
大批量
在其他创新发展中，索尔维（Solvay）推出了热固性预浸料树脂系统SolvaLite?730，也是专为大批量汽车应用开发的。该材料采用Reichhold ADVALITE?树脂调配，提供无与伦比的性能及优势：60秒内快干能力，是车结构部件大规模生产的理想材料(每年15辆车)；性能达到汽车高压釜固化高性能系统的标准水平；与其他快干系统相比硬度独一无二，韧性好；低粘性，设计可用于自动化生产；室温中储存性质稳定，免除冷库和温控运输等。索尔维表示，该预浸料树脂系统在加工过程中提供了很高的灵活性，并能够高效率地制造不同类型的组件。
“SolvaLite?的快干性能，加上索尔维在处理方式上的创新，使结构件的生产效率和成本达到汽车OEM企业的目标。”索尔维汽车生产线项目管理总监Gerald Perrin这样说。“在这个创新材料的开发中Reichhold是一个重要的合作伙伴，他们帮助索尔维创造了一种生产汽车组合结构件的新方式。”
Reichhold先进材料商业开发经理John Ilkka补充说：“Reichhold与索尔维有合作协议，共同开发了用于调制SolvaLite? 730的Advalite?创新树脂系统。我们为这种创新产品的上线而感到兴奋，我们相信它能让汽车业有个巨大的进步。”
固瑞特（Gurit）推出了Smartcure?环氧预浸料压制成型系统，专门用于满足汽车行业高品质批量生产的需求。旨在加快生产过程，同时确保零件质量，其5分钟固化预浸料允许自动铺设，在室温下预成型，并在高使用温度下快速热加热生产方法。固瑞特表示，Smartcure适用于广泛的结构和非结构应用，并已成功通过各种汽车制造商和一级供应商的Beta测试。
固瑞特还开发了Prime?180，它是一种双组分低压RTM系统，旨在实现高温性能和良好的表面透明度，适用于结构和美观应用。树脂系统的低环境粘度和宽的注射窗口允许快速填充，从而实现快速的加工周期和提高生产率。
赛车
瑞士North Thin Ply Technology（NTPT）公司推出了ThinPreg?TP135预浸料，用于高负载应用，包括赛车结构件。该公司表示，ThinpregTP135是一种环氧预浸料系统，可提供以前在这种超低纤维重量的预浸料材料（低至30 gsm纤维重量）中无法使用的复合材料。该产品是与瑞士洛桑联邦理工学院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne）合作开发的，专门用于生产具有最高抗冲击性能（CAI）的高压缩性材料，并具有最大的第一层拉伸强度。对于UD ThinPreg TP135准各向同性层压板（IM纤维），ThinPreg?TP135能够提供第一层拉伸破坏＞900 MPa，以及为UD ThinPreg TP135准各向同性层板（IM纤维）提供约300 MPa的CAI性能。ThinPreg?TP135预浸料可以提供各种碳纤维，高模量（370-410 GPa）和超高模量（≈410GPa）纤维是本产品的重点。
TP135正在被F1和LMP1赛车队使用，是结构部件和车身应用的选择。其中包括保时捷车队919混合动力LMP1-H汽车，其高负荷结构和大面积车身为ThinPreg材料提供了显著的减重机会。基于NTPT薄层技术的层压板也被认为具有良好的表面光洁度，这意味着不需要增加重量的整理解决方案。
该公司补充说，ThinPreg TP135也提供了更高的设计灵活性和超低的重量，允许“高清晰度”的纤维定向工程。纤维取向定制的TP135层预制件，可以使用NTPT的自动胶带铺设（ATL）技术来制造，从而减少铺设时间。高压釜固化的ThinPreg TP135块可用于生产高强度插件，或加工成精确生产的成品。
NTPT公司认为，使用新的预浸料可以显著降低重量。首席执行官James Austin说：“TP135预浸料具有高强度和超强韧性。这意味着它可以承载更多的负载，更耐冲击负载——树脂基体更难损坏。我们预计TP135重要应用是被用于高强度和抗损伤方面。它也可以在炎热的环境中使用。机翼、整流罩、悬挂部件和结构上重要的部件，如底盘部件和轮毂，将是典型的应用范例。设计者还可以使用额外的强度和损伤容限来提高这些部件的可靠性，而不是增加重量。”
“我们还有一种厚度很薄的这种材料，可以制成低至30个gsm的纤维类型。与典型的标准120 gsm和150 gsm材料相比，这是一个更轻的产品。在工程设计允许的地方，可以预期实现更高多的重量节省，我们的材料是标准材料重量的四分之一。”
该公司表示，其ATL技术也大大减少了铺层时间。“NTPT提供了一种预先设计好的预格式化选项，它可以通过使用ATL技术自动格式化，这也可以用于汽车客户端。”James Austin补充道。“这些预成型被切割成形状，并包含零件设计者指定的所有层和纤维角度。这些可以在模具中放置一到两个零件制造，而不是放置所有的单个零件。铺设时间可以明显减少70%或更多——这取决于零件的几何形状、尺寸和大小。”
“对于汽车应用ATL技术是非常重要的。压缩成型正被工业界认为是低成本、中高容量汽车零部件生产的最佳途径。我们的大型ATL机器能够制造高效的压缩成型预成型件，其允许相对复杂的结构设计，可在几分钟内以成本有效的方式制造部件。与此同时，我们将很快推出用于汽车零件生产的超快固化化学品，将具有很短时间的固化周期时间。”
再生碳纤维
ELG碳纤维公司与艾达索高新材料芜湖有限公司已达成了一项合作谅解备忘录。此备忘录的内容是，使用ELG公司的回收碳纤维材料，合作开发用于汽车工业领域的轻量化碳纤维复合材料部件。这项合作的主要任务集中在调查研究碳纤维材料在奇瑞新能源汽车技术有限公司的奇瑞eQ1电动车辆上的应用。使已经大规模使用铝材技术的eQ1电动车，通过有选择的使用碳纤维复合材料，达到进一步减轻车身重量的目标。长期目标是希望将此次项目所获得的知识技术应用到奇瑞公司的常规车辆上。（图4）
图4，奇瑞eQ1 电动车
随着机械科学研究总院先进制造技术研究中心范广宏研究员团队对于ELG公司材料的初始评估完成，奇瑞公司也建议了在奇瑞新能源汽车先开发的应用零部件产品目标。预计在产品开发结果显示在技术指标和商务成本方面均达到目标后，ELG 公司、艾达索公司与奇瑞公司计划签定一项具体的协议以开始在芜湖进行这些碳纤维复合材料汽车部件的生产。当回收碳纤维材料的需求量足够大的时候，ELG 公司将会在中国建立一条碳纤维回收生产线。
ELG公司的董事总经理FrazerBarnes先生说：“奇瑞新能源eQ1电动汽车大量使用铝材代表了中国汽车工业在轻量化方面向前迈出了一大步。我们很高兴能和艾达索与奇瑞的创新工程师团队合作，将我们的碳纤维复合材料应用到他们的汽车上，帮助他们向更高的目标迈进。”
艾达索公司的董事长梁波博士说：“通过这个项目的合作，那就是通过使用回收碳纤维材料降低成本，与欧洲领先的有经验的伙伴合作解决复合材料设计和制造难题，我们就能解决目前碳纤维复合材料在汽车上无法大量使用的材料和生产成本障碍。我们的目标是在芜湖合作建立一个汽车碳纤维复合材料的中心。同时这也展开了我们对中国碳纤维复合材料行业可持续发展的不懈努力。”
奇瑞汽车股份有限公司副总经理和奇瑞新能源汽车技术有限公司总经理高立新先生说：“新能源汽车和常规汽车都迫切需要降低车身重量，以达到环境和性能方面的目标。我们相信碳纤维复合材料一定会在这方面发挥重要的作用。通过此次与ELG公司和艾达索公司在eQ1 项目上的合作，相信我们会获得重要的经验。通过这个学习曲线优势未来我们将可以应用在常规汽车上。” (图5)
图5，切碎的再生碳纤维。
根据Frazer Barnes的说法，典型的应用可能包括闭合罩（汽车发动机罩车厢后挡板）、电池盒和座椅等内部结构。他补充说，增强的热塑性化合物旨在替代铝铸件和玻璃增强聚合物。
图6，ELG 用再生碳纤维制成的非织造垫。
虽然在车辆中使用再循环碳纤维的程度虽然取决于OEM的设计理念。“我们看到大多数OEM厂商都在寻求采用一种多材料的方法，即碳纤维将在整个汽车结构质量中占相当低的比例，而使用碳纤维的应用会带来最大的好处。这项工作已经开始，使用回收碳纤维的汽车将首先面向中国市场，但奇瑞是中国最大的汽车出口商之一。计划最初每年将生产约10,000辆车，进一步的产量提升取决于经济与重量节省之间的平衡。”（图6）。
