文章来源：CompositesWorld；编译整理：赛奥碳纤维
在燃油经济性和排放法规的推动下，汽车行业继续开发用于轻型车辆的复合材料：
· 当前的美国公司平均燃油经济性（CAFE）标准要求到2025年的平均车辆平均油耗为54.5 mpg（23.2公里/升）。（注：特朗普总统已提议缩减这些标准，但截至2019年11月初，这一缩减尚未实施。）
· 中国企业平均燃油消耗量（CAFC）设定了到2020年达到20公里/升的车辆目标；
中国是全球第一大汽车市场，2018年生产2780万辆汽车，其中包括所有乘用车，轻型商用车，卡车，公共汽车和长途汽车。相比之下：
因此，毫不奇怪的是，实际批量生产车辆中使用的复合结构（不仅是高端选件或概念/原型模型）是由亚洲和欧洲领导的。中国最近发布的复合材料发展公告包括：
· CSP VICTALL（中国唐山）宣布，江铃汽车公司（JMC）将在其新的域虎3号和域虎5号皮卡的皮卡箱中使用先进的复合材料，这是中国汽车行业首次使用这种复合材料。
· 金发（中国广州）与系统供应商Brose Fahrzeugteile（德国科堡）合作开发了一种门模块，该模块使用三种类型的KingPly有机薄板和KingStrong单向带，并用拉挤PP-LGF注塑材料增强肋骨和复杂表面，福特福克斯与PP-LGF 30车门模块托架相比，重量减轻了35%（1千克）。
康德集团（香港）与北汽汽车签署协议，在常州建立工业4.0智能工厂，从2019年开始生产CFRP车身和其他零部件，并将扩大至年产600万个零件-年产66,000吨的碳纤维工厂将于2023年在荣成开始生产；
· HRC（中国上海）委托Carbures（西班牙El Puerto de SantaMaría）生产了第一条快速多孔注入压缩成型量产技术（RMCP）自动复合材料生产线。
通用汽车（美国密歇根州底特律，GM）于2018年推出了业内首个碳纤维复合皮卡箱。通用汽车实际上是在2001年建造了首个用于全尺寸卡车的复合箱，但是Silverado和Sierra Pro-Tec箱式选件的使用率仅为通用汽车预期的10％。因此，它等待了15年以上才被再次尝试。 CarbonPro皮卡箱也是一个选择，而2019年GMCSierra，是与帝人汽车公司（日本东京）共同开发的，该公司于2017年收购了大陆结构塑料公司（CSP，美国密歇根州奥本山）。拥有为本田Ridgeline和Toyota Tacoma卡车制造复合材料箱的经验，这两种材料箱均由短切玻璃纤维片状模塑料（SMC）制成。第一代本田车箱于2005年首次亮相时，其重量比钢轻30％，但其2017年的更新在两个部件上均不采用SMC，而是为侧壁和床头板选择了直接长纤维热塑性塑料（D-LFT）以及用于备用轮胎托盘的短纤维混合物，均使用玻璃纤维和聚丙烯（PP）注塑成型。2019年的GMC CarbonPro包装箱还采用了帝人的Sereebo热塑性复合材料制造工艺，该工艺将20毫米长的碳纤维毡与尼龙6结合在一起，并进行模压成型，零件循环时间为60-80秒。
这种在汽车复合材料中使用热塑性塑料的增长趋势得益于二次成型等工艺，在这种工艺中，由热塑性基体中的编织纤维或单向纤维制成的坯料（称为有机片材）被压缩成型为三维形状，而增强塑料则在顶部和周围注塑成型，形成复杂的几何结构加强筋、凸台、插入件和连接点。正在开发或生产的部件包括座椅靠背、座椅靠板、安全气囊壳、A柱和B柱、车门横梁、保险杠横梁和大型地板部件。尽管二次成型通常都是热塑性的，但由德国亚琛大学亚琛综合光结构中心（AZL）管理的Opto-Light项目，演示了热固性碳纤维/环氧树脂外壳上的热塑性二次成型，以2分钟的循环时间在全自动单元中生成宝马i3地板的三维结构部分。该项目还展示了通过Netzsch Gerätebau（德国塞布尔）模内传感器进行固化状态监测的能力，以实现热塑性到热固性连接，而无需作为中间步骤进行激光烧蚀。第二步在优化时间停止高性能、低蠕变热固性壳体的压缩成型，以在环氧树脂中留下足够的反应性，从而实现共价键合、氢键和/或与二次成型的PA6热塑性塑料的半互穿网络。
值得注意的是，Opto-Light演示部分从单向（UD）带开始。与机织或非卷曲织物（NCF）增强材料相比，使用UD带以减少浪费的趋势持续增长。因为可以精确地切割和放置纤维带，所以几乎不会产生废料，并且可以更精确地对齐纤维以匹配负载。一个经典的例子是奥迪A8豪华轿车的CFRP后壁，这是由福伊特复合材料公司（德国加兴）在全自动的工业4.0生产线上生产的。与三到五个焊接铝制零件相比，它可以减轻50％的重量，并可以将驱动单元的扭转刚度降低33％。后壁从Zoltek（美国密苏里州圣路易斯）的35K碳纤维着手，将碳纤维铺展成50毫米宽的粘合UD带，将其切割并以指定的角度放置以在一个单一的中形成定制的坯料机—the Voith Roving Applicator。该毛坯在FILL（奥地利古尔滕）提供的热压机中成型为3D预制件，当压模形成由ALPEX Technologies（奥地利Mils bei Hall）的成型工具夹紧的与预制件的各个区域时，该胚料可适应施加的压力。然后，将完成的预制件注入树脂，并使用奥迪开发的Ultra RTM工艺进行压模，该工艺使用的压力小于15巴，而高压RTM（HP-RTM）通常为140巴。因此，与HP-RTM的2500千牛顿相比，只需要350千牛顿的压力。尽管VORAFORCE 5300环氧树脂需要在120℃下固化90-120秒，但总的部分循环时间为5分钟。
HP-RTM的另一种替代方法是湿法压缩成型（也称为液体压缩成型），它也的确使用了快速固化树脂和NCF，但压力也较低。自动化设备无需将树脂注入预成型件中，而是将树脂分布在织物上，然后将其转移到热成型压机中。宝马公司预测，无需进行预成型步骤，就可以提供不到90秒的生产周期，并且设备成本更低，因此，预计湿法压缩成型零件的使用量将大大增加。亨斯迈先进材料公司（瑞士巴塞尔）已开发出一种称为动态流体压缩成型（DFCM）的下一代工艺，该工艺据称纤维体积可达65％，并且能够成型更复杂的几何形状。
在外饰件方面，超轻量SMC持续往1.0g/cc以下的方向发展，碳纤维也在逐渐普及，Polynt Composites（意大利Scanzorosciate）、Aliancy（瑞士Schaffhausen）和CSP在过去几年都增加了新的SMC生产线，这些生产线都有能力生产碳纤维SMC。Polynt还将Polynt-RE再生碳纤维SMC引入其产品，以及分别具有单向和织物增强功能的UDCarbon和TXTCarbon复合材料。从麦格纳国际（加拿大安大略省，奥罗拉市）和福特汽车公司（美国密歇根州，迪尔伯恩市）完成的前副车架开发项目中就看出这些产品的潜力，前者使用局部增强和共模压的短切碳纤维SMC，其补片由碳纤维0度/90度NCF制成。该SMC结构副车架必须承受巨大的负载，支撑发动机和底盘部件，包括转向机和固定车轮的下控制臂。虽然只是一个开发部分，但它实现了82%的零件减少，用两个压缩模压复合材料组件和六个二次模压不锈钢插件替换了54个冲压钢零件，同时将重量减少了34%。
福特汽车全球研究与高级工程小组与其在英国的底盘工程小组合作，将SMC与预浸料混合使用，以重新设计C级车辆的生产钢制悬架转向节。通过将碳纤维织物预浸料坯层与切碎的碳纤维SMC共模制，可生产出一种复杂形状的高性能悬架转向节，其循环时间少于5分钟，重量减轻了50％。其他发展包括Saint Jean Industries（法国Saint Jean D'Ardières）和Hexcel（美国康涅狄格州，斯坦福德）开发的混合碳纤维/铝合金版本的高性能汽车悬架转向节，与全部相比，与全铝转向节相比，其刚度增加了26%。同时，威廉姆斯先进工程公司（英国牛津郡，格罗夫市）开发了一种CFRP横臂，该横臂使用单向碳纤维和再生碳纤维非织造毡（重量占复合材料零件的80％）与传统铝版本相比可减少40％的重量，但其成本可与铝锻件媲美。使用名为RACETRAK的HP-RTM工艺，可在90秒内完成零件成型，整个过程包括叠层在内的总循环时间为5分钟。
拉挤成形是另一种发展趋势。2018年，L＆LProducts推出了其连续复合系统（CCS）拉挤成型产品，该产品使用聚氨酯树脂和玻璃，碳或混合纤维增强材料制成，用于汽车应用，如侧梁和碰撞结构。 CCS拉挤成型工艺旨在取代要求隔板具有必要的刚度的传统金属结构，该工艺重量轻，比钢轻75%，比铝轻30%，且价格经济。 2019年， 2020款雪佛兰Corvette Stingray发布了汽车行业的首个弯曲、多空心拉挤碳纤维保险杠横梁。自2016年以来一直在研发中，该零件由Shape Corp.（美国密歇根州Grand Haven）使用Scott Bader（英国北安普敦郡），Crestapol氨基甲酸酯丙烯酸酯树脂和Thomas Technik＆Innovation（德国TTI，Bremervoerde）的Radius-Pultrusion系统生产。拉挤成型再次成为MAI Skelett项目的重中之重，该项目通过两步，75秒的过程对UD碳纤维热塑性拉挤成型进行热成型和包覆成型，从而生产出BMW i3结构性车顶部件的演示器。该零件超出了所有先前版本的要求，集成了用于固定装置的夹子，并将碰撞行为从脆性转变为韧性破坏模式，以提高白车身（BIW）的剩余强度。
最后一个趋势是走向混合金属复合结构。该系统集成了“电动汽车用多材料、一体化、轻量化设计”项目（SMiLE）的多种材料轻量化设计，将复合材料和有色金属结合在一起，以降低电池电动汽车整个白车身结构的质量和成本。后部装载地板模块使用八层60％重量百分比的UD玻璃纤维增强的PA6 Ultratape和40％重量百分比的玻璃纤维/PA6 Ultramid直接长纤维热塑性塑料（D-LFT），均来自巴斯夫（德国路德维希港）。SMiLE开发了一种新工艺，采用预先固化的纤维带层压板，并在需要加强肋部和复杂几何结构的地方用D-LFT进行选择性强化。然后，将其与两个铝型材和几个金属嵌件一起放入压模压力机中，并快速循环以形成1.3×1.3米的零件。该后模块与第二个混杂/热固性复合前向荷载地板进行了粘合和机械连接，使用RTM和碳纤维增强环氧树脂制成，带有集成金属嵌件和包含聚氨酯泡沫芯的局部夹层结构。
在由Verbundwerkstoffe研究所（德国凯瑟斯劳滕，IVW）管理的FlexHyJoin项目中，通过对金属支架进行激光预处理并将其连接在复合车顶弓架上，实现了一种自动化的过程，该过程使热塑性复合材料屋顶结构可以组装成金属BIW。通过感应和激光连接。这是在具有集成过程控制和在线无损检测（NDT）的单个自动化生产单元中实现的，周期为140秒。
本文封面图来源于图虫创意
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