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复合材料在汽车领域使用的技术等问题分析
来源:互联网 发表时间:2013-01-10 人气:
先进复合材料在汽车领域的应用之所以远滞后于航空航天领域,其他工业领域以至体育休闲用品领域的应用,其主要原因还是成本高,高成本成了多年来在汽车上应用的主要障碍,当然还有一系列的具体技术问题,开发中应予重点克服和扫除。
    1.注意开发低成本的材料体系,核心是低成本的碳纤维。使之降到$11/kg以下,这一目标目前尚难达到,碳纤维生产中2~2.5kg原丝才出1kg碳丝,PAN原丝要占成本的50~60%,继续降低成本难度很大。国内T700量级12K的产品成本约在150元\kg左右,降到100元/kg以下也有难度。但世界上已开始向该方向努力,如前述德国SGL和美国、日本的行动,他们主要就是集中在低成本原丝技术的开发。其次要注意低温快速固化、流动性好的树脂体系的配套研发和热塑性树脂体系及预浸料制造技术的研发。
    2.更为重要的是要注意低成本制造技术的研发。人们往往有误解,复合材料成本高是高在碳纤维等材料上。其实不然,其成本高关键是制造成本高。据知复合材料制件的总成本中,制造成本占了70~80%,材料成本只占20%左右。因此低成本技术的核心是低成本的制造技术。所以欲扫除先进复合材料在汽车工业上应用的障碍,关键是研发低成本,快速成形技术,共中RTM技术占有重要地位。应该指出RTM只是该项技术的一个总称,共中可有许多分支,适应汽车工业的需要,在上述已有技术的基础上要注意进行快速,低温成型的技术研发和改造。其次是大规模整体成型技术的研发和运用。所谓大规模整体成型,即采用共胶接/共固化技术,大量减少零件数、紧固件数,将众多零件做成一个整体件的技术方法。大规模整体成型乃是复合材料的优点和特点之一,对减轻结构重量、减少装配时间、降低成本收效甚大,目前在航空工业飞机结构制造中已大量应用。总之,低成本制造技术的研发是克服低生产效率高成本障碍最重要的方面之一。
    3.复合材料技术需要设计、材料和工艺三方面密切结合,缺一不可。但这三方面中设计是牵头的,起主导作用。故要十分注意设计技术,包括计算技术的研究发展。先进复合材料历经40多年的研究、应用和发展,已取得了长足的进步并逐步走向了成熟化、规范化,只是汽车领域还是该方面的新军。急需进一步学习、研究、借鉴和提高,从而建立起有汽车工业特色的设计、分析、制造和试验验证与鉴定验收的一整套相关技术和相应规范。
从世界上看,目前该项课题还存在一些认识和技术上的问题,主要的问题可有:
    1.思想认识和理念上的问题:虽然世界上对先进复合材料在汽车上的应用近来认识上已有提高,有了一批先知先觉者,并已积极行动起来,但多数还在观望,亦不乏反对和抵制者,阻力还是相当大的。汽车工业是一个发展多年,从设计、选材到制造有其一套成熟和稳定的东西,骤然改变之绝非易事。为此复合材料界要和汽车领域的OEM建立起良好的互信关系,合作共赢,才有可为。
    2.在汽车领域大规模应用复合材料无论从设计、材料到制造均严重地缺乏经验和数据,熟悉金属结构的汽车设计师,不大熟悉复合材料甚至不懂复合材料设计,致使如何发挥汽车上应用复合材料获取最大效益成了问题。因此特别要注意学习、借鉴,积累经验,建立数据库(Data Base),在应用的实践中总结提高 ,且不能操之过急,可能要有一个发展的过程。
    3.我们已经知道,复合材料的生产制造几乎完全不同于金属。这就存在一个原有设备更新和改造,新设备添置和引进的问题,这对已发展成熟的汽车工业而言可能是一个长期而痛苦的过程。如原用于金属生产制造的车铣刨磨钳锻铸焊等工序复合材料基本不用,甚至程控数控机床等近代设备亦无用武之地,产业链将发生巨大的变化。这一切在已初步实现飞机结构复合材料化的航空工业正在发生并积极进行中,欧美等一些先进国家正在扬弃和关闭一些用于金属机身机翼等的制造车间和设备,转而大规模投资兴建复合材料的工厂和设备,大规模发展复合材料机械化、自动化制造技术和相关设备,由生产金属零部件向生产复合材料制件转进,一场革命性的变革正在悄然发生,汽车工业恐怕也要早点看到这个问题,并在思想上有所准备。
    4.还有一个重要的问题就是到期报废产品的回收再利用的问题。汽车的寿命比飞机和风扇叶片等要短,一般10~15年,到寿命的汽车零部件的回收再利用在西方先进国家有严格的规定,如欧美日等规定到2015年汽车上报废的零部件要有95%以上可回收再利用。这对复合材料在汽车上的扩大应用是一个很大的制约条件,因复合材料的回收再利用较金属难度大,特别是热固性复合材料。过去的办法是粉碎、焚烧和掩埋,现在应研发更科学的办法。有鉴于此,西方发达国家已着手研究解决这一问题,并已建起了多个专门的企业从事该项产业。目前较科学的办法有高温裂解,溶剂淬取等,使纤维和树脂分离,回收再利用。相信随人们认识的提高,重视程度的增加,科学技术的发展,此问题会逐步得到解决。www.sassyash.com
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