新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)

王邦延 黃新月 呂應(yīng)歡

摘 要：我公司在自主研發(fā)的同時，依托梅啟林教授在輕質(zhì)復(fù)合材料設(shè)計、研發(fā)與成型領(lǐng)域取得的研究成果作為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合萬盛實業(yè)有限公司開發(fā)中高端乘用車箱體結(jié)構(gòu)用材料的現(xiàn)實需求，開展“基于新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”創(chuàng)新項目研究。

關(guān)鍵詞：高性能復(fù)合材料;房車;研發(fā)

中圖分類號：U463.84 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

房車，與其他乘用車最顯著的外觀差異，就是房車都擁有一個車廂廂體。車廂廂板的整體質(zhì)量對于房車具有重要影響，其質(zhì)量越輕越好，以免出現(xiàn)小馬拉大車的情況，不僅費油還會磨損發(fā)動機(jī)。從安全角度講，還會增加剎車距離，同時還要還考慮到熱量傳導(dǎo)、韌性和承重力、隔音效果等等。

開發(fā)車用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料新技術(shù)、新工藝，解決高端車型用低密度、高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計與生產(chǎn)加工過程中遇到的技術(shù)瓶頸和工藝難題。該項目主要任務(wù)是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新主要是設(shè)計開發(fā)具有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高比強(qiáng)度、高比剛度和抗疲勞等高性能指標(biāo)的車用復(fù)合材料系列產(chǎn)品，滿足乘用車領(lǐng)域的高端需求。工藝創(chuàng)新則是實現(xiàn)新型輕量化高性能復(fù)合材料車身部件的綠色工業(yè)化生產(chǎn)和精密制造。

1 研發(fā)工作主要目標(biāo)及其意義

1.1 擬達(dá)到的主要目標(biāo)

①產(chǎn)品目標(biāo)：開發(fā)出車箱用新型輕量化高性能復(fù)合材料板材系列產(chǎn)品。

②主要技術(shù)目標(biāo)：新型車用復(fù)合材料板材總體質(zhì)量減輕5%;拉伸強(qiáng)度≥70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)≤0.3 W/m·K。

1.2 項目實施意義

將梅啟林教授在復(fù)合材料輕量化設(shè)計與成型領(lǐng)域取得的先進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，突破低密度、高性能、低成本復(fù)合材料制造技術(shù)，打破國外企業(yè)在高端乘用車用輕量化高性能復(fù)合材料領(lǐng)域的壟斷，解決了企業(yè)長期以來在車用高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計和成型的難題，擴(kuò)大本土企業(yè)在乘用車用復(fù)合材料領(lǐng)域的市場份額，促進(jìn)了高新技術(shù)企業(yè)的快速成長和可持續(xù)發(fā)展。

2 研發(fā)工作具體內(nèi)容

相對于國外車用高性能復(fù)合材料設(shè)計技術(shù)與成型工藝技術(shù)成熟、我國技術(shù)相對落后，還需要在低密度、高性能、低成本復(fù)合材料的材料設(shè)計、成型工藝與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行提升。本創(chuàng)新項目依托梅啟林教授在輕量化復(fù)合材料設(shè)計與成型領(lǐng)域取得的研究成果。因此萬盛實業(yè)有限公司引進(jìn)梅啟林教授共同開發(fā)“基于新型輕量化高性能復(fù)合材料的房車車廂板研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目。

在車用復(fù)合材料生產(chǎn)過程中存在的主要問題是需要在限定的成本空間內(nèi)進(jìn)一步降低復(fù)合材料的重量、降低導(dǎo)熱系數(shù)、提高力學(xué)性能和其它綜合性能。本項目擬采取碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維與玻璃纖維混雜、協(xié)同使用低密度空心微珠的方式制備輕量化高性能復(fù)合材料。項目主要工作內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

2.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計

復(fù)合材料是一種多組分多相材料，不同的材料組合和不同的配方設(shè)計可以設(shè)計出無數(shù)種性能迥異的材料。車用復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計包括基體材料、增強(qiáng)材料、功能助劑及填充材料的遴選和配方優(yōu)化設(shè)計。

2.2 復(fù)合材料板材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

針對中高端車型對復(fù)合材料板材低密度和高性能的要求，在材料優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)混合規(guī)律對復(fù)合材料單層進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而通過鋪層序列優(yōu)化設(shè)計滿足要求的復(fù)合材料層合板。

2.3 輕量化高性能復(fù)合材料的成型工藝研究

輕量化高性能復(fù)合材料的連續(xù)成型工藝設(shè)計及成型工藝參數(shù)的優(yōu)化。重點解決低密度填料的分散、填料與纖維與樹脂的浸漬、連續(xù)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性與厚度精密控制、工藝制度的在線監(jiān)測等問題。

2.4 復(fù)合材料與制品的性能評估與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)建立

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料的理化性能進(jìn)行檢測，采用復(fù)合材料成型數(shù)值模擬軟件對成型中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測和檢驗，并用于改進(jìn)。建立高端乘用車用新型輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 研發(fā)工作關(guān)鍵技術(shù)

本項目成功實施需解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：多組分混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計;多組分、多形態(tài)復(fù)合材料成型過程中填料級配、團(tuán)聚及界面相容性解決技術(shù)。

3.1 技術(shù)路線

3.1.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化設(shè)計

采用碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維與玻璃纖維混雜在降低密度的前提下提高復(fù)合材料的力學(xué)性能;采用在復(fù)合材料體系中添加低密度無機(jī)或有機(jī)空心微珠進(jìn)一步降低復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。

按照最密實堆積理論確定空心微珠的級配和含量。

3.1.2 復(fù)合材料板材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

針對中高端車型對復(fù)合材料板材低密度和高性能的要求，根據(jù)混合規(guī)律對復(fù)合材料單層進(jìn)行設(shè)計，采用ANSYS、

COSMOS等有限元數(shù)值化建模設(shè)計技術(shù)和實驗驗證相結(jié)合的方法對復(fù)合材料層合板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1.3 輕量化高性能復(fù)合材料的成型

以公司自行設(shè)計的連續(xù)板材生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，對現(xiàn)有設(shè)備的運動機(jī)構(gòu)、投料機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等進(jìn)行合理的改造，用于新型輕量化復(fù)合材料板材的生產(chǎn)。通過實驗確定成型壓力、溫度、固化時間等成型工藝參數(shù)。

針對多相復(fù)合材料體系物化性能差異大、難以均勻混和的工程難題。優(yōu)選并配制具有協(xié)同作用的偶聯(lián)劑、分散劑、消泡劑組合體系，改善分散性并增強(qiáng)與聚合物的界面相容性，解決復(fù)合材料成型固化過程中填料的沉降、團(tuán)聚、攜裹氣泡、上下不均一、結(jié)合強(qiáng)度不高、抗沖擊性能差等問題。

采用熱電偶、傳感裝置和計算機(jī)采集技術(shù)對成型工藝制度進(jìn)行優(yōu)化和在線監(jiān)控。

3.1.4 性能評估與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料的理化性能進(jìn)行檢測，采用復(fù)合材料成型數(shù)值模擬軟件對成型中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測和檢驗，并用于改進(jìn)。建立高端乘用車用新型輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 技術(shù)的先進(jìn)性

（1）采用碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維與玻璃纖維混雜在降低密度的前提下提高復(fù)合材料的力學(xué)性能;采用在復(fù)合材料體系中添加低密度無機(jī)或有機(jī)空心微珠進(jìn)一步降低復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。新型車用復(fù)合材料板材總體質(zhì)量減輕5%;拉伸強(qiáng)度≥70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)≤0.3 W/m·K。

（2）針對多相復(fù)合材料體系物化性能差異大、難以均勻混和的工程難題。優(yōu)選并配制協(xié)同作用的組合體系，實現(xiàn)無機(jī)顆粒的均勻分散及其與聚合物界面的緊密結(jié)合，解決復(fù)合材料成型固化過程中的系列關(guān)鍵難題，如填料的分散性與沉降問題、界面相容性、浸潤性等。

（3）采用ANSYS、COSMOS等有限元數(shù)值化建模設(shè)計技術(shù)和實驗驗證相結(jié)合的方法對復(fù)合材料層合板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有效降低冗余厚度和強(qiáng)度。

（4）采用PLAT-FORM 復(fù)合材料成型模擬軟件對復(fù)合材料成型過程的缺陷進(jìn)行有效預(yù)測，進(jìn)而縮短試驗周期，減少實驗消耗，提高生產(chǎn)效率。

3.3 技術(shù)的重點與難點

3.3.1 輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

輕量化高性能復(fù)合材料的材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是本項目的重點，也是難點。本項目擬采取碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維與玻璃纖維混雜、協(xié)同使用低密度空心微珠的方式制備輕量化高性能復(fù)合材料。項目工作難點在于：一是多組分混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的配方優(yōu)化設(shè)計;二是多組分、多形態(tài)復(fù)合材料成型過程中填料級配、團(tuán)聚及界面相容性解決技術(shù);三是復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

3.3.2 輕量化高性能復(fù)合材料的綠色制造與批量生產(chǎn)

產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的生命，采用PLAT-FORM 復(fù)合材料成型數(shù)值模擬技術(shù)對復(fù)合材料成型過程的缺陷進(jìn)行有效預(yù)測，并對制品質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測是降低殘次品率和提高生產(chǎn)效率的重要手段。

3.3.3 輕量化高性能復(fù)合材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的建立

對標(biāo)國際同行先進(jìn)企業(yè)，建立乘用車用輕量化高性能復(fù)合材料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要保障。

4 創(chuàng)新成果的形式與水平

本項目創(chuàng)新產(chǎn)品主要是車用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件;通過應(yīng)用創(chuàng)新成果，使車用復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量在國內(nèi)同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上減輕5%;拉伸強(qiáng)度由60 MPa左右提高到70 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)由≥0.4 W/m·K降低到0.3 W/m·K。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。主體制造生產(chǎn)線和生產(chǎn)車間初步具備智能化自動生產(chǎn)。企業(yè)生產(chǎn)ERP 普及率達(dá)100%，設(shè)計研發(fā)部門使用CAD/CAE 普及率達(dá)100%。企業(yè)綠色化、智能化水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

與國內(nèi)同類產(chǎn)品詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)對比分析如下：

本項目的實施，將大力推動公司在乘用車箱體結(jié)構(gòu)用新型輕量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研發(fā)與成型技術(shù)的發(fā)展，提升企業(yè)在行業(yè)中的影響力。本項目產(chǎn)品的研發(fā)成功，將增加企業(yè)的核心競爭力，縮小與國外企業(yè)在車用復(fù)合材料設(shè)計與制造方面的差距，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，社會效益顯著。