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[材料应用] 车用复合材料的技术进展 |
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2010年9月15-16日，美国塑料工程师学会(SPE)在美国密歇根州特洛伊市(Troy)举办的第十届ACCE展充满商业气息，但气氛非常融洽。 大约有397位代表聆听了51位演讲者的7组主题演讲，并参与了一场专题讨论会。2008年最严重的经济低迷期已经过去，随之而来的是一系列商业规划和项目进展报告。 大多数文章都阐述了复合材料生产工艺和模拟技术的提高，同时也讨论了新型的绿色产品和材料。主题演讲者首先介绍了经济复苏的基本情况，特别是汽车行业，然后集中讨论了碳纤维和模拟技术的进展。专题讨论会非常有意思，引发了一场围绕复合材料性能模拟的主题辩论。 IHS汽车公司的Mike Jackson是第一位主题演讲者，他指出，商业模式正在转变，过去20年，美国和欧洲经济体是在不断累积的债务基础上建立起来的，而今后的经济体则是建立在需求之上的。未来五年的经济增长将由巴西、印度和中国引领，而美国、日本和欧盟的增长将会变慢。汽车工业在2008年之前经历了长达15年的增长。他预测，目前我们所经历的经济紧缩将会持续一段时间。他指出，全球平台和系统通用性是新的驱动力，市场将被中小汽车和跨界车主导。电动汽车仍将是一个很小的市场。他观察到福特公司已经超过了2007年的销售水平，也看到其在亚洲四国的良好销售业绩。 关于模拟的讨论 有许多关于模拟技术的文章，几个主题演讲也对此进行了阐述，当此话题出现在主题讨论会时，讨论会立刻就变成了一场关于复合材料模拟技术现状的研讨会。 在主题讨论会期间，有人提出了下面的问题：如果我们使用现有的工具进行虚拟原型制造，我们可以有效地设计出汽车吗？如果不行，我们需要什么样的突破？一位专题小组成员指出，不论对错，对于复合材料模型精确性的怀疑仍然会一直存在。   宾利汽车公司的Antony Dodworth补充说：“使用钢铁，我们可以肯定地知道自己将会得到什么，而使用复合材料模型，直到我们制造出来的那一刻才能肯定它是什么样子的。”公司总经理Mark Voss补充说，无论是SMC、碳纤维还是玻纤增强的热塑性或热固性塑料制成的产品都是不同的，因此所需要的模拟参数也是不同的，这加重了人们对这种模拟技术质量的怀疑。 Plasan碳纤维复合材料公司（Plasan Carbon Composites）的Gary Lownsdale说，他们正与橡树岭国家实验室（ORNL：Oak Ridge National Labs)合作为复合材料行业提供所需的模型。Lownsdale继续说道，模拟技术的问题是，目前所有汽车商业软件模型都假定准各向同性，而情况并非如此，特别是在防撞测试中。航空工业采用的是一套汽车行业所不具备的模拟工具。例如，汽车行业没有关于编织材料的模拟软件。航空业可以制备出一致性极高的碳纤维材料，易于模拟，而汽车工业不可能做到这一点。 麦克拉伦汽车公司（McLaren Automotive）的Claudio Santoni表示赞同，并补充说，他们在采用复合材料做设计时，需要一种不同于金属的工艺。这一系列表述令许多人表示惊讶。2006年在一场类似的研讨会上，专题小组对赛车和航空领域之外缺少高质量的模拟技术表示遗憾。Vistagy公司的Olivier Guillermin说，F1赛车大量使用复合材料，由于从概念到生产之间的时间表非常短，没有精确的预测模型是不可能的。此外，波音公司的James Griffing重申，预测试值之间是非常接近的。他说，飞机机翼要经过三次寿命测试，然后进一步进行测试直到失效，在优异的预测工具帮助下，留下小幅的安全边际量。   2008年麦克拉伦、美洲杯和Trek自行车所作的演讲都指出，这些技术都高度依赖于模拟技术，因为开发时间被大大缩短了，即使是一个部件的故障都可能使多年的工作付之东流。2009年，主题演讲者光明汽车公司（Bright Automotive）的Hadrian Rori指出，光明公司进行的货车气动设计都是通过计算机完成的，没有使用过粘土或比例模型，第一个原型与计算机预测的结果完全一致。 e-Xstream工程公司（e-Xstream Engineering）的Roger Assaker在2009年和2010年都作了主题演讲。2010年是在专题讨论会后进行的演讲，从而有机会阐述他们的观点。e-Xstream是非线性多尺寸模拟技术DIGIMAT的创造者。他说所有的材料都必须涵盖其中：橡胶、弹性体、热塑性塑料、热固性塑料、玻璃纤维等。集成化的工具必须能够模拟多种多样的基体和纤维组合，以及他们的相互作用和所有的制造工艺等。 DIGIMAT是一套采用微观力学各向异性方法预测力学性能以及化学、热学、电子和其他性能的一套工具。并给出了一系列实例。结构载荷和失效模式都可以精确预测出来。碳纤维热塑性塑料制造过程所需的成型条件也可以模拟出来。 Assaker指出了复合材料设计中的几个挑战。微观力学分析会增加开发过程的成本和时间。没有一种通用的解决方案适用于所有的应用。而且，基础的材料数据库并不完整，针对这方面的工作正稳步进行着。最后他指出，对于模型的精通可以获得最好的结果。 那天的晚些时候，达索公司（Dassault）的Rani Richardson和Etienne Ardouin阐述了如何利用航空领域的技术加速复合材料在量产汽车中的应用。他们所讲的基本上与Assaker的观点一致。他们首先指出，问题在于设计和制造之间缺乏协作。当设计人员习惯于使用模拟工具时，一些制造部门的人员却仍然在进行着反复试验。复杂的形状让制造变得困难，但有模拟工具存在，这些工具是建立在微观力学设计和分析的基础上的：优化的模拟循环以简化的模型开始，做快速的初期分类；然后进行复杂的分析获得精确的制造规格。它们可以预测性能以及失效模式，例如弯曲后的断裂传递和应力。两家公司在模拟工作方面都具有一定的既得利益，但是几乎所有关于产品的文章都指出，他们广泛采用了模拟技术。 康迪泰克振动控制系统公司（Conti Tech Vibration and Control）的Hans-Juergen Karkosch和巴斯夫公司的Holger Klink介绍了重载轻量复合材料发动机架和底梁。大多数发动机架是用铝制成的。这些发动机架正被轻质的材料所取代：50%的玻纤和橡胶改性的聚酰胺（PA）。发动机架的重量更轻了，前端轴载荷更小，设备的复杂度降低了，噪音也更小。它们在从开发到制造的整个过程中采用ULTRASIM模拟程序，“非常精确地预测什么样的部件性能更好”，甚至可以预测断裂的起点。使用相同的开发工艺和材料制成的一个传动轴元件重量减轻了50%。到2010年底，将有30种复合材料发动机架和200万个部件在德国、中国和墨西哥制成。 巴斯夫公司获得SPE创新奖的新型热塑性油盘就是借助模拟技术用复合材料替代其他材料的一个例子。在这个案例中，华夫形状的设计使得新型油盘的性能超出了铝质油盘。早期的复合材料油盘使用希牲片吸收石头或阻止岩石的破坏。但新型油盘在岩石上运转时遭到的破坏确实比铝质油盘更小。在新型的克莱斯勒5.7L吉普车上，油箱需要承受高达60摄氏度的高温，标准的油盘做不到这一点，而设计自由度更大的聚合复合材料制成的油盘可以。巴斯夫公司的Marianne Morgan说，巴斯夫的ULTRASIM高速材料表征程序可以进行纤维定向，并可以提供碰撞结果之间的极佳的相关性。 另一个受益于模拟技术的实例是美国汽车研究协会（USCAR）所发表的六篇论文。代表们展示了一个新型复合材料车身底部结构件的研究工作。这个团队的任务是设计一个能够被所有会员采纳的部件和制造程序，包括通用、福特和克莱斯勒。采用这项技术的关键是能够利用正在开发的模型，为任何尺寸和用途的车辆设计和制造这一部件。  USCAR呈献的六篇论文概括了在复合材料车身底部的开发和制造过程中所做的工作。他们开展了大量的工作模拟碰撞，确定驱动力为40 mph时速下前端撞击路障所抵消的力。这一信息传达出来的意思即需要更大的强度而非硬度，因此可以采用玻纤，而不是碳纤。既然玻纤和碳纤之间的强度差别不是很大，而玻纤更便宜，因此玻纤得以选用。在车身底板与主车架的连接方法的选择及其制造工艺的选择上，都广泛采用了模拟技术。这个车身底板部件将要替代焊接在一起的14-16钢质部件，因此需要进行大量的工作来研究成型工艺以及成型工艺对复合材料玻纤板的影响。此外，循环时间确定为2.5分钟。 通用公司的Lib Berger提交了一篇综述性文章，并展示了今年早期制成的一个模塑成型的复合材料车身底部结构件。 由于这种部件还非常少，这一领域还需要大量的研究工作，但是所有迹象都表明这将是一个成功的项目，其中的关键组成部分就是它所依赖的精密模拟程序。 在研讨会结尾，Gary Lownsdale仍然持怀疑态度，他再次重申，采用碳纤维的问题之一就是分析工具的不完整。他说，波音拥有这样的工具但是它不想与别人分享，汽车公司需要自行开发他们自己的模拟工具。网络对话模拟公司指出，与汽车行业经历的阻力相似，飞机和跑车制造商也曾经对此表示过怀疑，直到几年前他们做出了改变。他们认为时机很快就要到来了，汽车行业的信心正在增长，也将全面接受复合材料模拟程序。关于模拟技术完整性的讨论当然没有结束。 碳纤维 碳纤维的应用主要是在高端汽车上。Paolo Feraboli代表华盛顿大学和兰博基尼介绍了他们与波音和其他公司组成的合资公司所做的一些工作。过去10多年，兰博基尼不断增加碳纤维的用量，以便获得高性能、低燃油消耗和制造上的多样性。兰博基尼认为“客户在轻量汽车中更好的体验”可以在60mph减速到0以及从0加速到60mph的过程中反映出来。低产高价的汽车促使兰博基尼采用碳纤维复合材料。更加复杂的发动机罩和尾端设计可以使用复合材料来实现，设计者们已经将其发挥到了极致。  各个行业之间的合作正推进碳纤维技术的发展。兰博基尼和另一家高端制造商卡拉威高尔夫（Callaway Golf）正进行合作，以简化制造工艺，消除高温高压过程。兰博基尼、UofW和波音正采用先进的模拟程序验证防撞性能。兰博基尼、英特尔、波音和UofW正在开发嵌有电池和太阳能电池的自发电部件。 另一个主题演讲《T35跑车的诞生》是由Antony Dodworth带来的。他介绍了碳纤维复合材料在宾利车型中应用的增多，并介绍了一种在碳纤维复合材料中添加钴的方法，以便让它带有磁性，从而使得树脂在模具中利用磁性结合，缩短循环时间。 麦克拉伦的Claudio Santoni阐述了MP4-12C跑车的碳纤维MonoCell的开发。MP4-12C标价低于25万美元，产量限制大约为4000台/年。从1981年开始，F1赛车开始采用碳纤维，驾驶着的安全性大大提高。MP4-12C借助MonoCell继续发扬这一传统。MonoCell为一片式的RTM结构，循环时间为4小时，内部宽敞，外部简洁。它完全是由碳纤维复合材料制成的，如果你问铝制MonoCell的成本和重量如何，是没有这样的参照物的，因为在设计之初，该部件就不能用铝来制造。这一难题已经困扰了复合材料工程师很多年。 Gary Lownsdale表明，Plasan正投入其销售额的20%进行碳纤维复合材料的研究和开发。他介绍了一些不足之处，例如由于采用手糊和高压釜而导致的制造过程缓慢，原材料价格昂贵和分析工具的不完整。他的公司已经将循环时间从88分钟缩短到了20分钟，他们预计很快就可以实现10分钟的目标。他们正在研究环氧树脂的化学性能，他们觉得其性能必须改变才能实现汽车工业所需要的循环时间。Plasan正与复合材料制造商ORNL和Dassault系统公司紧密合作，计划在2015年使碳纤维的降格降低50%。 新工艺 新改良过的工艺获得了广泛的赞赏。在技术研讨会期间，Vantage技术公司的Jack Van Ert首先介绍了用于制造大型模塑部件的低压轻量模具。LOMOLD公司的Werner du Toit介绍了一种与传统的注射成型相似度达90%的成型方法，只是增加了一个低剪切螺丝和一个计量活塞，用一个大的通道取代了热流道系统。用这种方法可以加工长玻纤和不同的聚合物。它还允许大型部件的完全填充，并允许使用PET和PA时不会有吸水问题。一个用玻纤增强聚丙烯成型的一片式托盘，展示了这一制造工艺，而且在两倍于所需重量的情况下通过了变形试验。 迪芬巴赫（Dieffenbacher）提交了一份关于高压树脂传递成型（RTM）的文章。Acrolab的Joseph Ouellette介绍了一种热导管，可以在复合材料成型过程中充当芯轴。热导管的关键是，其内部的设计要确保整个芯轴即使在外界热量不能均匀是施加时，可以均匀受热。该公司是热力学方面的专家，但不是复合材料专家，因此他们正在寻找应用领域。福禄远东股份有限公司（Flow International Corp）的Duane Snider介绍了精密水喷射切割技术领域的研究成果。在机器人的操作下，压强为94000psi的水可以精确切割复合材料。这种方法比机械方法既快且干净，已被波音公司广泛使用。 热固性复合材料 有几篇文章是关于片状模塑料的。新的填料、一种新型异氰酸酯基树脂，还有直接配混和防止粘结层的变形都成为讨论的话题。所有文章都表明他们可以生产出A级表面的片状模塑料（SMC），可以直接涂覆最终的涂层。美国瀚森化公司[Hexion Specialty Chemicals，现在改名为迈图（Momentive）]介绍了一种新型的环氧树脂系统，不仅固化时间更快，而且没有通常的放热和收缩问题。可用于弹簧片和碳纤维车顶的制备。 P.R. Lewis Consulting公司指出，Kevlar纤维填充的部件可以进行机加工，可用来生产长寿命的泵磨损环。 绿色工程 针对环境友好型产品的研究一直在进行。这些文章都寻求优异的性能，而不是因为产品环保而简单地使用它们。 椰壳纤维（椰子的纤维）价格低廉，而且很容易得到，具有复合材料所具备的优良性能。较大的纤维直径和较高的木质素含量，使得椰壳纤维在相同的应用中比其他天然纤维和合成纤维具有更大的竞争优势。但作为天然纤维，其缺点就是吸收性较大。西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Labs，PNNL）公司正研制化学添加剂以减轻许多天然纤维的吸水问题。弗吉亚公司（Faurecia）的Matt Barr展示了一个用天然纤维制成的汽车内饰件，其中的天然纤维在碰撞试验中发生了变形但没有断裂，说明了它的安全优势，而玻纤却被撕裂了，形成了尖锐的边缘。 热塑性复合材料 加拿大国家研究委员会（National Research Council Canada）的Martin McLeod宣称，长玻纤热塑性塑料还没有完全发挥出它们的潜能，因为生产力还不够高，而且在表面处理过程中缺乏热稳定性/尺寸稳定性。在线配混(ILC)可以解决这些问题。他将在线配混注射成型和压塑成型进行了对比，结果表明两者之间存在许多差别，在线配混压塑成型保留了更长的纤维。 Addcomp北美公司的Lewis Martin提到了采用新型添加剂技术的烯烃复合材料中越来越低的VOC排放量。欧洲和目前加利福尼亚的新立法都要求降低聚合物添加剂和脱模剂中的VOC。 流行正当时 ACCE的主席Cedric Ball在会议结束时总结说，他在整个研讨会上听到的鼓励着他，特别是ITECS Innovative Consulting的Susan Ward指出：复合材料行业再次吸引了年轻人的注意，对于奖学金的关注和优秀的竞赛海报验证了这一观点。复合材料似乎重新回到令人兴奋的状态，并再次开始流行。 | |
发表于 2015-11-11 01:26:19
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