祝颖丹-汽车工业碳纤维复合材料智能制造及装备技术

汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 连续纤维复合材料成型技术-拉挤成型
各种材料比强度对比
汽车用主要材料比强度、比刚度下减重对比
第二次汽车革命
碳纤维复合材料是汽车工业轻量化技术主流趋势
研究背景
国内外发展状况
德 国
宝马I3
全球首款全碳纤维车身量产车型(100辆/日) 碳纤维车身151kg(10min/套)，整车1250千克 上百个零件车体改由34个碳纤维零部件组成 主要通过RTM工艺成形，大量采用胶粘技术 碳纤维产能扩充到9000吨，为目前的三倍
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 非连续纤维复合材料成型技术- SMC工艺
用树脂糊浸渍短切纤维形成的 片状模压成型材料，将SMC片材按 制品尺寸形状及厚度等要求裁剪， 然后将多层片材叠合后放入金属模 具中进行加热加压成型成制品。
汽车制造商 美国ห้องสมุดไป่ตู้M公司 Ford公司 上海大众 北京吉普 一汽集团 二汽集团 车型 Camaro、Fiebird、EV1 Mustang车 Lincoln continental车 Tourareq、Polo、GT1、Lupo 切诺基 重型平头车 中型平头车 汽车零部件 车顶、后门和侧门 发动机罩 盖板、发动机罩和前防护板 上、中扰流板 后举开门总成和前散热器罩(GOP) 前保险杆 翼子板
提升产品竞争力
加速性能：整备质量每 减重100kg，0-100km/h加 速性提升8-10%； 制动性能：整备质量每 减重100kg，制动距离缩 短2～7m。 安全性…
轻量化是最有效的技术手段之一
轻量化技术已经成为世界汽车发展的潮流和趋势
研究背景
1.4 1.2 重量 CFRP 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.50 0.39 0.32
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 连续纤维复合材料成型技术-拉挤成型
拉挤成型是将浸渍树脂胶液的连续纤维束、带或布等，在牵 引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产 长度不限的型材，主要适合于生产各种断面形状的型材，如 棒、管、实体型材（工字形、槽型、方形型材）和空腹型材 （门窗型材、叶片等）。
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 非连续纤维复合材料成型技术-LFT工艺
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 非连续纤维复合材料成型技术-LFT工艺
Krauss-Maffei/Dieffenbacher公司 长纤维增强热塑性复合材料（LFT）注塑和模压设备
福建海源机械 国内首条具有自主知识产权的LFT模压线
研究背景
国内外发展状况
跨国公司已形成“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局
日产/本田 东丽
福特 陶氏
丰田 自动织机
戴姆勒 东丽
大众 西格里
通用 帝人
中国碳纤维及复合材料产业发展联盟
组织单位：工信部引导、中国建材集团牵头，汽车轻量化由长安牵头 参与单位：近50家碳纤维上下游企业和科研院所 项目目标：共同开发中国“宝马I3”碳纤维汽车产业链
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 连续纤维复合材料成型技术-缠绕成型
缠绕成型主要适合于制备汽车传动轴和驱动轴等管材类的部件。
BMW M3用碳纤维复合材料传动轴 比纯钢结构轻了40%
田86汽车的PST传动轴 重量为6.3kg，减轻4.64kg
三菱VO X用TORQLine碳纤维传动轴 经过高转（9000-10000转）及高扭矩（4000Nm）的测试
研究背景 碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用
车用碳纤维复合材料的应用分类
应用领域 装饰件 覆盖件 结构件 车身本体 应用系统 内外饰系统 车身外覆盖件 底盘系统 动力系统 保险杠系统及附件 仪表板 副仪表板 具体零部件 车门内装饰板 顶棚内板 座椅 扰流板等 四车门 引擎盖+后备箱盖 顶棚 侧围 翼子板等 车身框架 地板 纵梁 保险杠骨架 车门防撞梁 传动轴等 多系统集成 多系统/全车 整车
各种材料比刚度对比
等强度 等刚度
福特生产流水线
碳纤维+新能源
1403钢 镁铝合金 CFRP (普通型)CFRP (结构型)
• 独特的轻量化效果（等刚度或等强度下比钢材和铝合金分别减重50%和30%） • 结构整体化设计（大幅减小零件和紧固件数量，实现材料/功能/结构一体化设计） • 抗冲击性能强（能量吸收能力比金属材料高4-5倍） • 优异的抗疲劳、耐腐蚀性能 • 优良的减震性能 第一次汽车革命 • ……
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术
国产汽车上的SMC零部件
重型载货车典型应用
梅德赛斯－奔驰Coupe车型后尾门
Volvo FH/FM用发动机油底壳
汽车轻量化用碳纤维复合材料量产技术 连续纤维复合材料成型技术-缠绕成型
缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱） 按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品
美 国
特斯拉Roadster
全球首款纯电动跑车(1500辆/年) 整车重1200千克，电池重450kg 碳纤维车身成型周期20min/套，40套/周
日 本
东丽TEEWAVE 整车846kg，碳纤维160kg AR1
复合材料车身达量产水平 自动化生产水平全球领跑
车身构造采用热固性CFRP，部分零部件采 用热塑性CFRP 碳纤维车身仅3个部件(10min/套),为钢制 车体1/20
2015年先进复合材料工业应用国际论坛
汽车工业用碳纤维复合材料 智能制造及装备技术
祝颖丹 中科院宁波材料技术与工程研究所 2015.11.29
www.nimte.ac.cn
研究背景
新能源汽车
航空航天
海洋工程
轨道交通
机器人
电缆芯
电缆芯
“轻量化中国”对“轻量化材料”提出更高要求
医学
高端农机
桥梁
测量
建筑
风机叶片
体育运动
碳纤维复合材料是”中国制造2025”十大领域不可或缺的战略性轻量化材料 碳纤维复合材料可大力推进”中国制造2025”五大工程的智能化制造 新能源汽车碳纤维复合材料轻量化技术是世界各国的共同发展战略目标
研究背景
全球人口与日俱增 汽车年增长速度~20%
发展战略 2020年CO2排放 95g/km
燃料占石油的35% 尾气占PM2.5来源24%
严格法规 2020年油4.32L/100km
能源危机
环境污染
节能减排
实际油耗：整备质量每 减重100kg，油耗降低约 0.4L/100km； 尾气排放：整备质量每 减重100kg，尾气减少7%； 新能源汽车的发展……
节能 汽车发展主题 舒适
环保 安全
研究背景
国内外发展状况
上汽荣威E50三明治结构 碳纤维引擎盖8kg-3kg
哈弗H6碳纤维改装车 （前罩、前后保险杠）
北汽Concept 900 碳纤维鸥翼式车门
奇瑞某新车型碳纤维 复合材料前罩
材料所与奇瑞合作CFRP样车 材料所与IAC合作CFRP样车
上汽、长安、奇瑞、长城、北汽、东风、比亚迪等汽车主机厂都在进行碳纤维 复合材料研究，但是集中在零部件的轻量化，尚未形成车身量产技术