碳纖維復合材料（CFRP）的應用——電池篇

 

查爾默斯理工大學的研究人員已經生產出一種結構電池，其性能比以前的所有版本都要好十倍。它將碳纖維用于電極、導體和承重材料。他們的最新研究突破為在車輛和其他技術中實現 “無質量”的能量存儲鋪平了道路。

 

在新能源汽車中，電池部分占據了車輛重量的很大一部分，但卻沒有實現任何承重功能。另一方面，結構電池既可以作為電源，也可以作為結構的一部分——例如，在車身中。這被稱為“無質量”能量存儲，因為本質上，當電池成為承載結構的一部分時，電池的重量就會消失。計算表明，這種多功能電池可以大大減輕電動汽車的重量。

圖1 結構電池的用途

 

查爾默斯理工大學的研究人員已經從事結構電池方面開發多年，包括以前發現的涉及某些類型的碳纖維。除了堅硬和堅固，它們還具有良好的化學儲存電能的能力。這項工作被《物理世界》評為2018年十大科學突破之一。

 

早在2007年就首次嘗試制造結構電池，但迄今為止，很難制造出兼具良好電氣和機械性能的電池。查爾默斯理工大學的研究人員與斯德哥爾摩的KTH皇家技術研究所合作，推出了一種結構電池，其性能在電能存儲、剛度和強度方面遠遠超過了目前所見的任何性能。它的多功能性能比以前的結構電池原型高十倍。KTH開發了電池電解液。該項目涉及五個不同學科的研究人員：材料力學、材料工程、輕量化結構、應用電化學以及纖維和聚合物技術。

 

結構電池使用碳纖維作為負極，磷酸鐵鋰涂層鋁箔作為正極。碳纖維充當鋰的宿主，從而儲存能量。由于碳纖維也傳導電子，因此也避免了對銅和銀導體的需求，從而進一步減輕了重量。碳纖維和鋁箔都有助于結構電池的機械性能。兩種電極材料通過結構電解質基質中的玻璃纖維織物保持分離。電解質的任務是在電池的兩個電極之間傳輸鋰離子，但也在碳纖維和其他部件之間傳遞機械負載。

 

該電池的能量密度為24Wh/kg，與目前可用的鋰離子電池相比，其容量約為20%。但是，由于車輛的重量可以大大減輕，例如，駕駛電動汽車所需的能量將減少，而較低的能量密度也會提高安全性。結構電池具有25GPa的剛度，可以與許多其他常用的建筑材料相媲美。

 

“先前制造結構電池的嘗試已經制作了具有良好機械性能或良好電性能的電池。但在這里，使用碳纖維，我們成功地設計出了一種具有競爭力的儲能能力和剛性的結構電池。” 查爾默斯理工大學教授、該項目負責人Leif Asp說。

 

超輕電動自行車和消費電子產品可能很快成為現實。新電池的負極由碳纖維制成，正極由磷酸鐵鋰涂層鋁箔制成，它們由電解質基質中的玻璃纖維織物隔開。盡管他們成功地制造出了比以往所有電池好十倍的結構電池，但研究人員希望進一步調查和了解材料結構和隔板厚度的影響。

圖2 新型結構電池

 

現在，由瑞典國家航天局資助的一個新項目正在進行中，結構電池的性能將進一步提高。鋁箔將被碳纖維取代，作為正極的承重材料，從而提高了剛度和能量密度。

 

玻璃纖維隔板將替換為超薄型隔板，這將產生更大的效果——以及更快的充電周期。新項目預計在兩年內完成。這種電池的能量密度可達75Wh/kg，硬度可達75GPa。這將使電池與鋁一樣堅固，但重量相對較輕。項目負責人萊夫·阿斯普說：“下一代結構電池具有巨大的潛力。如果你看看消費技術，在幾年內制造重量只有現在一半、體積更緊湊的智能手機、筆記本電腦或電動自行車是很有可能的。”

 

從長遠來看，電動汽車、電動飛機和衛星將采用結構電池進行設計和供電，這是完全可以想象的。萊夫·阿斯普說：“我們真的只受想象力的限制。我們在該領域發表科學文章時受到了許多不同類型公司的關注。人們對這些輕質、多功能材料的極大興趣是可以理解的。”

圖3 新型結構電池的制作過程

 

參考文獻

 

• Arnes Biogradlija，‘Massless’energy storage solution comes from Sweden，2021
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碳纖維復合材料（CFRP）的應用——汽車篇

 

01

概要

 

歐洲汽車制造商廠正在加速CFRP（碳纖維復合材料）在量產車上的普及。BMW發售的i8首次在量產車上使用了CFRP單殼體車身，而且在2016年上市的主打車型寶馬7系的基礎骨架上，不僅采用了鋁合金，還采用了CFRP。梅賽德斯奔馳、奧迪也將之作為今后輕量化技術的主要材料，面向量產車進行了研發。本篇文章以德系車為例，介紹碳纖維復合材料如何在汽領域大顯身手。

 

• BMW 系列的CFRP單殼體車身

 

在BMW的車身構造中、駕駛艙部分的活動模塊為CFRP制的單殼體構造。另一個包含動力總成、底盤、電池的驅動模塊為鋁制，這2個模塊結合構成了革命性的新型車身構造。

 

碳纖維的素材由三菱Rayon生產。在此之前，只有超跑將CFRP用于車架骨格構造部位，像BMW這樣在量產車上大量使用CFRP是劃時代的。

 

該車身構造的材料明細如圖所示，碳纖維強化塑料為68.5kg占全體的一半，再加上熱可塑性樹脂13.3kg、粘著劑、填充材料等19.5kg，總重量不到101.3kg，構成了駕駛艙的CFRP制單殼體結構部分。

 

剩余36.8kg集中于下層的驅動模塊除底盤、動力總成、電池以外的車身構造部分。下層部分的明細為鋁板15.9kg、鋁擠出材5.4kg、鋁鍛造材5.4kg、鋼材10.1kg，共計36.8kg。

 

• CFRP材料車身重量比鋼材料車身重量輕39%

 

為了比較BMW的車身重量，在這里用Mazda 2的車身作為參照。Mazda 2是沒有使用鋁及CFRP等新材料，而只使用鋼材來徹底考慮如何進行輕量化從而開發出的一款具有出眾輕型車身的車型。增加了超高張力鋼板、高張力鋼板，并且分析了高張力鋼板的薄板特性，為了使薄板化也能保持強度而在表面形狀上下了功夫，比之前車型減重10.2kg?？紤]到車輛尺寸及配置提升所增加的25.4kg，所以實際實現了35.6kg的輕量化。車輛性能的評價也很高，十分適合作為比較對象。比較車輛尺寸兩者長度幾乎相同，對車重影響較大的軸距尺寸一致。但是，由于在車寬和車高方面BMW略大，因此為了使Mazda 2在車輛尺寸方面在比較時與BMW處于相同條件，加上了相當于長 x 寬 x 高的差值重量后的總重量為228.1kg。

 

與此相對，BMW的車身重量為138.1kg。這與以Mazda 2為基礎計算的鋼制同尺寸的車輛相比減輕了39%的90kg。這與集結了Mazda 2的最新技術的鋼材所進行輕量化開發的結果35.6kg相比，采用CFRP和鋁合金作為主體的車身構造的輕量化效果顯而易見。

• CFRP活動模塊成型技術

 

此次，能將CFRP成功用于BMW量產車上的最大的理由是生產技術。以往的超跑上所使用的高溫法1次成型需要數小時。BMW的駕駛艙部分的CFRP活動模塊所使用的，高壓樹脂傳遞模塑（RTM）法可將時間縮短到數分。RTM是將纖維方向不同的碳纖維積層板所重疊成的“堆棧"，按產品形狀進行切割，將這個堆棧加熱從而做出穩定的立體形狀。把預成型的“毛坯”安裝在磨具上，在其中注入高壓樹脂、使纖維和樹脂相結合。作為最后的工序、在加熱的同時進行沖壓使之硬化，從而做出高剛度的制品。

 

BMW的CFRP復合零件，由許多個CFRP部材相粘合，從而構成駕駛艙部分的活動模塊的單殼體構造。通過100%自動化的最新粘合技術，能準確的粘合各個零件粘合面的間隙，通過追加熱處理縮短了的硬化時間。BMW的粘合面的總長度為每1臺寬20mm，長達160m。

 

• 高壓樹脂傳遞模塑成型（RTM）法的最新技術

 

BMW的CFRP零件的生產工序除了導入了德國大型成型機廠家Dieffenbacher和KraussMaffei之外，還引進了Fraunhofer ICT的研究機構進行技術合作并聯合開發的最新設備。此次駕駛艙周圍的CFRP車身骨架部分是通過樹脂注入成型（RTM）法的熱硬化成型件，最新的RTM法有著許多改進，變化也日新月異。BMW采用了以下3種成型法。

 

• HP-RTM成型（High-Pressure Resin Transfer Molding）

 

此次的BMW有13個零件是通過HP-RTM做成的。

 

其生產工序是：將由CFRP編成的編織物材料卷曲材中切出，進行沖壓成型的預處理（原材料）。將原材料放入RTM成型機中，進行真空處理后，用高壓將樹脂射出。在模具中進行熱硬化最后切下制品。

• 濕法成型（Wet Molding）

 

此次BMW有19個零件采用Wet Molding制成。濕法成型作為HP-RTM的發展形，可縮短循環時間。

 

工序上，到切出卷材這一步為止是一樣的，將樹脂的注入的工序提前到模具安裝之前進行。把CFRP材料里注入了樹脂的編織物移動到RTM加工中心，將模具密閉加壓使樹脂滲透在纖維里面，進行熱硬化。也可使用再生纖維薄板。

• HP-RTM Braided/W Core成型

 

此次BMW有2個零件采用HP-RTM Braided/W Core制成。

 

HP-RTM Braided像編加入了纖維的橡膠管那樣，在圓周上加入碳纖維后編成管狀后，通過RTM成型射出樹脂進行熱硬化，是管狀CFRP制品的成型方法。適用于管狀的骨架和加強筋。

 

02

歐洲輕量化成型技術的趨勢

 

德國Dieffenbacher公司從樹脂注入成型(RTM) 開始，還開發了其他各種各樣的成型技術，如圖所示還和其他公司共同進行研究開發。

 

• 第一個是樹脂注入成型（RTM），如前所述，正在開發從HP-RTM延展的濕法成型技術。
• 第二個是SMC（Sheet Molding Compound）， 將包含不連續的碳纖維等材料的板狀熱硬化性樹脂放入模具中進行沖壓成型、熱硬化的方法。與之對應的最新技術，為降低成本及提升品質在直接將材料投入相同生產線的成型機內，制作板狀素材的D-SMC正在開發中。
• 第三個是LFT-D（Long Fiber Thermoplastics Direct process）, 使用長纖維復合材料的熱可塑性樹脂成型。與之對應的最新技術是將追加的強化材料同時成型的Tailored LFT-D正在開發中。
• 第四個是GMT（Glass Mat Re inforced Thermoplastics），將玻璃纖維的不織墊在可塑樹脂內浸潤成型的方法。與之對應的最新技術，正在向在以往的玻璃纖維上疊加碳纖維強化材料進行成型的LWRT ( Lightweight Reinforced Thermoplastics)技術方向發展。

 

無論哪種技術的開發，都是與Fraunhofer ICT共同開發的，說Fraunhofer ICT的存在是不可或缺的存在也不為過。

• 熱硬化性樹脂成型和熱可塑性樹脂成型的發展

 

整理了使用了高性能沖壓成型的復合材料成型技術后，得到如上圖的分類。以往，雖然以使用CFRP產品的熱硬化性樹脂為主，但使用熱可塑性樹脂的產品正在擴大。作為最終工序，即使是熱硬化性樹脂成型的HP-RTM產品，也有在前工序使用CFRP的原材料成型時，通過使用了熱可塑性樹脂HP-T-RTM來成型的例子，RTM也不斷的在開發新的成型技術。

 

• 德國汽車輕量化技術開發的優勢

 

在德國正在大力推進整車廠、供應商、設備廠商等民間企業和大學、研究機關相互協作。產、官、學與新技術相結合的計劃已經確立，通過各自的經驗和知識技術相結合從而推進開發。參加此項目的大學，研究機關的人材又能進入民間企業，從人材培養的觀點來看也是十分優秀的。

 

前述的Fraunhofer是德國十分有實力的研究機關，在德國國內有60以上研究據點，有約2萬人的員工從事研究工作。研究課題主要以3-5年后為中心的實用化應用技術。

 

其中之一的Fraunhofer ICT以輕量化技術開發為主、與各整車廠及設備廠商等就CFRP的產品技術進行了許多共同開發。每年的研究預算約4000萬歐元十分龐大。有550名員工，安防相關的員工約為300名，汽車和一般產業相關的研究人員150名。

• 新型BMW 7系上CFRP的普及

 

2016年上市的新型BMW 7系上采用了CFRP，生產技術方面，車身各部位將采用樹脂注入成型（RTM）法的CFRP加強配件。新型7系如BMW i系列一樣，駕駛艙部分并非全都使用CFRP單殼體構造，而是在鋼制車身的基礎上，部分使用鋁合金和CFRP以達到輕量化的目的。不僅BMW、奧迪、梅賽德斯奔馳與預定在新型車型上采用CFRP，在歐洲CFRP于零售車輛上的應用技術開發正在迅速推進。

碳纖維復合材料（CFRP）的應用——輪轂篇

 

新能源汽車正在逐步替代傳統的燃油車。新能源汽車的續航里程成為最大的發展障礙，輕量化顯得尤為重要。隨著環保和節能減排需求的不斷增加，全球汽車行業正在尋求多樣化的輕量化解決方案。簧下質量的減重需求尤為突出，而作為簧下質量的重要組成部分，車輪在汽車整體質量中占據很大比重，減重的有效途徑之一就是采用碳纖維輪轂。隨著原材料和制造成本的下降，原本造價高昂、僅用于豪華或超豪華車型的碳纖維輪轂正在逐步“下探”。

圖1 碳纖維輪轂

02

CFRP在汽車領域的應用前景

 

碳纖維是一種高強度高模量的輕質纖維材料，其密度比金屬輕，強度卻是鋼鐵的16倍，楊氏模量是傳統玻璃纖維的2-3倍，同時兼具了纖維的柔軟性。

 

一般鋁合金輪轂重量為15千克左右，而碳纖維輪轂重量可以減少至8千克，碳纖維輪轂成了地地道道的“減重神器”。

 

碳纖維由于輕質和高強特性，一直是汽車制造熱衷的優選材料。除了應用在輪轂，在汽車的傳動軸、板簧、構架、車身都有使用碳纖維，不但保證汽車足夠的強度和剛度，而且汽車的重量得以降低，能耗也相對降低。根據MarketaaWatch數據分析機構發布的《2021年汽車碳纖維市場研究報告》，2020年全球僅汽車碳纖維市場規模接近1.6億美元；2021～2027年，全球汽車碳纖維市場預計將以超過5％的年均復合增長率保持增長。

 

碳纖維材料在汽車的應用，不僅是輕量化、降能耗，更是汽車安全性能提升的需求。碳纖維輪轂與傳統的鋁合金輪轂相比，質量更輕、強度更高、沒有金屬疲勞、降噪明顯。我國汽車碳纖維擁有巨大的市場潛力,碳纖維輪轂沒有大面積推開，主要是基于碳纖維成本的考慮。

 

圖2 汽車領域碳纖維需求前景預測

 

但隨著碳纖維生產技術的不斷完善和規模化生產，碳纖維成本在逐步下降。碳纖維原絲主要是采用聚丙烯腈原料，成本一直居高不下；隨著采用瀝青基、聚乙烯等原料制備原絲，碳纖維成本可以下降30%以上。根據澳大利亞的Carbon Revolution公司的碳纖維輪轂，由碳纖維與樹脂后粘合而成，實現了規?；a，可以將碳纖維輪轂的成本降至接近鋁輪轂。

 

國家出臺了相關政策，大力扶持國產高性能碳纖維的廣泛應用。2021年3月《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出要加強碳纖維等高性能纖維及其復合材料的研發應用，為未來碳纖維行業的技術進步提供了良好的政策環境。

 

新能源汽車的發展勢不可擋，碳纖維輪轂或將成為新能源汽車的標配。

 

03

CFRP輪轂與金屬輪轂的比較

 

汽車自1886年發明出來，距今已經有100多年的歷史，汽車輪轂也從以往的木頭材質發展到如今的金屬材質?，F代汽車較為常用的輪轂材質有鋼制輪轂、鋁合金輪轂、和鎂合金輪轂，近幾年在超跑上出現了碳纖維輪轂。

 

（1）鋼制輪轂：成分是鐵和其他提升韌性的金屬元素，優勢在于韌性更強、耐沖擊性能突出、承重能力較好，另外還有一個優勢就是價格便宜。當然鋼制輪轂也存在一些缺點，比如鐵容易生 銹，散熱能力較差，重量較重，不利于制動和操控等。

 

（2）鋁合金輪轂：鋁是主要成分，同事還有銻、硅、鎂等其他元素，用來提高整體的性能。鋁合金輪轂的加工工藝相對鋼制輪轂更復雜，加工工序也更多，整體性能高于鋼制輪轂，而且重量下降明顯。得益于鋁合金的密度較低，提速更快，散熱能力更強，適合在城市道路形式。缺點則是韌性相對較低，抗沖擊性和抗疲勞能力較低，不能再惡劣環境中使用，如越野等。

 

（3）鎂鋁合金輪轂：相對于鋁來說，密度耕地，與碳纖維復合材料相似，鎂合金輪轂中除了鎂意外，還加入了鋁、鋅、錳等。彈性更好，散熱更快，消震能力更強，同時再韌性上比鋁合金更好，可以說是鋁合金的加強版。不過鎂合金輪轂容易氧化，耐腐蝕性較差。

 

（4）碳纖維輪轂：碳纖維輪轂是近幾年才開始出現的新型輪轂，外觀純黑色，帶有紋路，顏值高端大氣。碳纖維輪轂的性能強大，重量跟鎂差不多，韌性強，耐沖擊性好，還耐腐蝕耐氧化。目前摩托車、山地車、公路自行車和汽車上都有應用。

 

04

碳纖維復合材料輪轂的優越性

 

汽車輪轂和輪胎承載了汽車所有的重量，同時在傳動軸的作用下起到驅動汽車的作用。碳纖維汽車輪轂作為核心的骨架部分，具備較好的承壓能力和抗沖擊性，汽車加速時和載重時的表現非常出色。另外碳纖維輪轂因為自重下降，可以有效降低慣性，可以實現汽車的更快啟停和轉向。

 

（1）重量更輕，強度更高

 

眾所周知，碳纖維復合材料是公認的汽車“輕量化”減重的最好方法。碳纖維也被譽為黑色黃金，它的重量比鋁輕，但是他的強度缺高于鋼鐵，具有耐腐蝕、高模量的特性，它不僅可以使汽車輕量化，同時還能強化汽車強度。有資料顯示，20英寸的碳纖維輪轂總重量約為7.5kg，與同尺寸鋁合金輪轂相比，重量輕了約25%以上，在強度方面，相比鋁合金輪轂，整體也提升了約30%。

 

（2）更強的性能與操控性

 

澳大利亞Carbon Revolution輪圈品牌的工程師曾經說過，在非簧載質量下，輪轂的重量減低1kg，就相當于整車質量降低15kg，而車輛每減重10%，加速性能就可提升約8%，這也說明輕量化輪轂可以為汽車動力性能帶更好的反應力。碳纖維輪轂還具有很好的減震效果，舒適度更高，操控性更強。

 

（3）節能減排

 

使用碳纖維復合材料輪轂減輕1kg的簧下質量，其效果可以等同于減輕15kg的整車質量，而車輛每減重10%，在油耗方面便可降低6%-8%，汽車排放也可降低5%。 使用碳纖維輪轂，是同尺寸的鍛造鋁合金輪輞重量的60%，所以車身減重，對環保也有重大的意義。

 

（4）更好的操控性和更優的制動性

 

使用碳纖維輪轂，因為碳纖維的彈性模量可以達到200GPa，彈性率越高，受力之后彈性形變性越小，它的舒適性也就越好，操控性也就得到提高。汽車更換輕量化碳纖維輪轂之后，車的懸掛響應速度也就有了明顯的提升，加速也就越快越輕松，制動性也就得到提高。

 

05

碳纖維復合材料輪轂的應用事例

 

成立于2007年Carbon Revolution公司，是一家全球性技術公司和一級 OEM 供應商，已成功為全球汽車行業創新、商業化和工業化高性能、技術先進的輕質碳纖維車輪/輪轂制造商。它除了豪華車輪轂，還宣布開發23英寸和24英寸碳纖維車輪，目標是用于電動卡車和SUV市場。該公司正在為波音公司CH-47奇努克直升機輪子進行概念和驗證項目。

圖3 Carbon Revolution公司超輕系列碳纖維輪轂

 

碳纖維輪轂的制造需要高精度的碳纖維鋪放和高壓成型技術，Carbon Revolution司擁有約50項與碳纖維車輪產品及制造工藝相關的專利，并希望通過改進制造工藝，提高效率。為此，該公司不僅開發了高度自動化的生產線，還廣泛使用機器學習和人工智能技術來優化生產制造流程。輪轂平均比市場上的標準鋁制輪轂輕40%到50%。此外，輪轂可以設計成符合空氣動力學的形狀，在不增加重量的情況下減少阻力并增加航程。

 

意大利Bucci復合材料公司推出了首款20英寸碳纖維輪輞，專門用于運動/超級跑車領域。它允許以傳統方式將車輪固定到輪轂上，從而消除了螺栓扭矩松動的風險。這保證了超輕碳纖維車輪與傳統車輪一樣易于組裝和維護。為了應對特別是使用碳陶瓷剎車時出現的高溫，在輪輞內側涂有陶瓷涂層，即使在最極端的溫度下也能保護碳纖維，使輪輞可以在最極端的溫度下使用。

圖4 Carbon Revolutio

 

Bucci 復合材料公司還為自己配備了該行業最前沿的Cannon公司生產技術工藝（高壓 RTM-HP-RTM），這是意大利唯一獲得將用于繼續在為汽車行業開發更多車輪模型。

圖5 Cannon公司的HP-RTM工藝設備

 

Cannon公司的解決方案包括使用環氧樹脂為基體和碳纖維增強的HP-RTM工藝制造復合材料所需的設備：

 

（1）一個用于環氧樹脂配方的三組分E系統高壓加藥裝置，帶有一個LN10三組分混合頭和輸出·比例的閉環控制。

 

（2）一臺短行程模壓機，具有25000 kN的夾緊力、3.6×2.4m的壓板和非常精確的平行度主動控制，以保證成型零件的平面度。

圖6 Bucci 復合材料公司20”碳纖維輪轂

 

著名的英國汽車制造商Bentley賓利最近幾天為其Bentayga SUV推出了創新型全碳纖維輪轂，該車輪輪轂由Bucci Composites開發。22英寸碳纖維輪轂成為有史以來最大的碳纖維車輪，保證了創新設計和卓越性能，以及每個車輪實現了6kg重量的輕量化。

圖7 Bucci為賓利汽車開發的22”輪轂

 

美國Vision Wheel推出了新的碳纖維輪轂，該輪轂是與美國IDI Composites International和復合材料編織專家A&P Technology合作開發的，每個車輪的成本為2000美元甚至更低。

 

另外一家美國ESE Carbon公司將其E2一體式碳纖維復合材料輪轂投放到售后市場，為特斯拉Model S、特斯拉Model 3和斯巴魯WRX STI車輛提供服務。

圖8 ESE公司開發的一體式碳纖維復合材料輪轂

 

E2車輪采用先進的創新定制纖維鋪設（TFP）和高壓樹脂灌注技術，將性能、耐用性、效率和創新與碳纖維的美麗結合在一起，提供了一流的售后市場車輪。

圖9 ESE公司為特斯拉Model S開發的碳纖維輪轂

圖10 ESE公司為特斯拉Model S開發的碳纖維輪轂

 

車輪越輕，轉動慣量就越低，從而使車輪向前移動所需的力就越小。作為一款優質碳纖維復合材料車輪，E2與鋁制和鋼制車輪相比，可顯著減輕重量。測試表明，每個車輪可以節省10磅的重量，從而使圈速加快5.3%。

 

簡單地說，較輕的物體需要較少的工作來減速和停止。E2碳纖維車輪比同等的鋼制或鋁制車輪輕45%。測試表明，E2車輪可以將制動和滑行距離從每小時60到1英里減少3.6%。

 

減少簧下重量可以最大限度地減少懸架使車輪牢牢地保持在路面上的作用力。每個E2碳纖維車輪可從系統中減少高達10磅的簧下重量，使懸架性能更好。由此產生的輪胎接觸的改善導致轉向響應增強和操控更靈敏。無論是在公路還是賽道，E2碳纖維車輪都將使您的駕駛體驗達到一個全新的水平。

 

• 道路試驗

 

經過多年的原型測試，開發出了有史以來技術最先進的汽車輪轂E2。通過使用有限元分析進行高度先進的建模，ESE的復合材料工程團隊能夠預測車輪在大量現實場景中的反應。有了這些豐富的數據，ESE的車輪將在實驗室和現場進行測試，測試結果將在強度、安全性和性能方面得到驗證。

 

• 徑向沖擊測試

 

徑向沖擊測試評估車輪在穿過坑洞或大型障礙物時的穩定性，以防嚴重損壞或故障。由于了解街道和高速公路并不總是良好的路況，E2車輪經過嚴格測試，能夠承受典型的道路危險，并被證明優于同等的鋼制和鋁制車輪。

 

• 路緣石撞擊試驗

 

路緣石撞擊試驗是一項關鍵試驗，用于評估對靜態表面的重復撞擊的影響，模擬車輛以預定速度撞擊路緣石或其他固定物體。即使在低速行駛時，路緣石和車輪的接觸也會產生較大的沖擊力。E2碳纖維車輪經過設計和全面測試，可在路緣石撞擊等破壞性情況下抵抗故障。

 

• SAE J3204測試

 

E2經過了全面測試，并正在等待SAE J3204的認證，這是一種新的復合材料輪轂生產工藝。ESE正與美國汽車工程師協會密切合作，幫助制定復合材料輪轂的標準和基準。ESE的E2碳纖維車輪實際上超過了SAE的最低建議值。

 

與金屬車輪類似，美國汽車工程師協會對復合材料車輪的建議通過各種疲勞和沖擊試驗來解決耐久性問題。SAE還增加了新的要求，以說明復合材料所特有的環境影響。

圖11 被世界各大汽車制造商采用得E2碳纖維輪轂

 

E2碳纖維車輪采用最新的訂制纖維鋪設（Tailored Fiber Placement）技術進行設計。碳纖維疊層傳統上是一個非常耗時的手工過程，包括在樹脂模具上切割和手工成型碳纖維布。這導致了過度浪費，而體力勞動可能會在生產中造成瓶頸。

圖12 訂制纖維鋪設（TFP）

 

TFP通過使用機器將碳纖維排列和縫合到精確的位置來實現最佳的結構性能。這減少了50%的鋪層時間和 80%的材料浪費。它還允許ESE通過精確的纖維放置和定向來優化設計，以適應碳纖維車輪的曲率和輻條。這提高了E2碳纖維車輪的強度和耐用性，使其能夠更有效地管理載荷和應力。

 

E2還使用專有的壓縮樹脂傳遞模塑（RTM）工藝和環氧樹脂系統來制造輪轂，使輪轂具有更高的輪輞強度和抗疲勞性。ESE使用最高質量、最快固化的樹脂，在高達212°C的行業領先Tg（玻璃化轉變）溫度下提供無與倫比的產品。ESE的纖維與樹脂的含量為60%，空隙率僅為2%，是業內最好的。再加上ESE能夠在不到2分鐘的時間內完全注入輪轂。

圖13 RTM工藝制造CFRP輪轂

 

06

結束語

 

通過使用碳纖維輪轂，車輪重量大幅減輕，跑車得以實現更加優異的操控性能。由于碳纖維車輪慣性更小，汽車轉向感和牽引力都會得到改進，無論是加速還是制動，反應都更快。

 

此外，里程焦慮是很多潛在消費者對于購買電動汽車較為猶豫的重要因素之一，雖然電動汽車的續駛里程主要取決于電池，但其他因素也會對此產生影響。而輕量化的碳纖維輪轂能夠大幅減少汽車每次加速或減速時車輪旋轉帶來的能耗，也在最大限度延長了電動汽車的續駛里程。

碳纖維復合材料（CFRP）的應用——高速軸承篇

軸承是當代機械設備中一種重要零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數，并保證其回轉精度。軸承的基本結構通常由內圈、外圈、滾動體、保持架、密封件和油脂組成，內圈和外圈統稱為軸承套圈，是具有滾道的環形零件。

 

隨著國家“工業4.0”戰略的提出，關鍵設備零部件的國產替代已刻不容緩，國產品牌尤其是頭部企業是為來實現軸承全面國產化的希望，國家陸續出臺各項產業政策，引導軸承行業發展方向，千億級市場規模，國產軸承成長空間大。

 

軸承行業制造企業將加大研發投入，引進國外先進設備，不斷提高研發設計能力和制造水平，提升軸承產品的精度、性能、壽命等關鍵技術指標，縮小與國外先進汽車軸承制造廠商技術水平之間的差距，逐步實現高端產品的進口替代。

 

本文介紹一種采用高耐熱性碳纖維復合材料（350°C）保持器，可用于新能源汽車電機的高速軸承，實現dmn200萬以上。

01

產品研發背景

隨著溫室效應、尾氣排放等引起的一系列環境問題日益加劇，普及更加環保的電動車成為社會的普遍期待。對于電動車普及，目前面臨的一個重要課題是為提高續航里程，尋求能搭載更大電池的車輛空間。

 

近年來，隨著電動車驅動系統的小型化、輕量化，以及驅動電機高效率化的市場需求不斷加大，對驅動電機支撐用球軸承提出了更高轉速的要求。球軸承在高轉速旋轉工況下，由于發熱的影響，會發生潤滑不良導致咬粘；另外，由于離心力的影響，保持架變形而發生破損也是亟待解決的課題。

02

高速軸承的特點

 

采用最佳設計，實現了低發熱性。主體采用SHX材料，提高了抗咬粘性，而且，滾子采用陶瓷材料，提高了可靠性。保持器采用碳纖維復合材料，實現了高速化。抑制超高速運轉時保持架變形、實現超高速旋轉下的耐久性的提高。

 

• 采用碳纖維增強PEEK保持器

 

為了抑制大直徑軸承高速旋轉產生的大離心力所導致的變形，汽車用軸承首次采用碳纖維強化PEEK作為保持器用材料，實現了高速穩定旋轉，大幅提高了保持器的耐久性。

 

• 采用內圈引導

 

滾珠引導冠形保持器，內圈的外徑部作為引導面使用，可有效抑制伴隨保持器的振動引起的損傷，飛躍性的提高了超高速旋轉下軸承的耐久性。

 

• 內部設計及提高使用壽命技術

 

通過優化軸承內部的槽尺寸和滾珠直徑、滾珠數量、間隙等，即使在超高速旋轉下，也能防止摩擦和發熱引起的燒結。另外，內外圈通過使用尺寸穩定性優異的材料和熱處理技術，抑制了使用時的尺寸和徑向間隙的經時變化，提高了耐久性。

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產品測試條件

產品測試條件表

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產品測試結果

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結論

 

該高速軸承是目前全世界極限轉速最高的球軸承。本產品的成功開發，為電動車驅動電機轉速的大幅提升提供了可能。同時，通過提高驅動電機的效率，可實現驅動電機小型化、輕量化，為降低電動車能耗、延長續航里程、提高駕駛舒適度做出貢獻。

在保持與傳統碳纖維增強復合材料高強度級同等的加工性的同時，提高了機械特性和耐疲勞性。在以高流動性為特征的基礎上配合碳纖維。適用于密封圈和軸承的保持器等組裝工序中產生大變形的零件。

碳纖維復合材料（CFRP）的應用——汽車底盤篇

1. 從零出發

參與世界首臺CFRTP汽車底盤研制工作的研究人員（名古屋大學）

 

2013年寶馬汽車生產的電動車i3車身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工藝熱固性CFRP時，給汽車行業帶來了巨大的沖擊，該公司的在2015年款7系車上雖然采用了多材料化，但是CFRP的應用僅停留在作為鋁、鋼鐵等增強材料。關于碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)，2014年豐田汽車將其應用在燃料電池車MIRAI的堆?？蚣苌?，這也是首次在量產車上的應用。關于CFRTP其他的應用事例目前仍在研究階段還沒有達到實用化（圖1）。

圖1.CFRP成型技術與力學特性之間關系的路線圖

 

日本5家汽車制造商為了尋求適用于量產車生產的CFRP制造技術，將目光著眼于LFT-D（長纖維增強熱塑性復合材料工藝）工藝技術（圖2），并于2012年在日本經濟產業省的支持下成立了研發團隊，由名古屋大學國家復合材料中心石川隆司教授擔任項目負責人，之后該項目在2014年并入NEDO(日本新能源技術開發機構) 的“創新新結構材料研發”項目。

圖2.LFT-D生產概念圖

 

LFT-D是德國弗勞恩霍夫物流研究院提出的一種纖維強化塑料的制造方法，最初是將玻璃纖維和熱塑性樹脂（聚丙烯）混合而成的材料通過高速沖壓成型。本項目為了提高力學性能，原料中使用了碳纖維和熱塑性樹脂（聚酰胺）。熱塑性塑料與熱固性塑料相比，具有材料價格便宜，成型時間短的優勢。另外，作為熱塑性塑料的特性，可以在接合中應用熔接和焊接技術，所以不需要粘合劑和鉚釘，可應用于目前現行的汽車生產線，這對汽車制造企業來說具有極大的魅力。

 

本項目的主要特點之一是采取了大學與11家企業共同參與的聯合體方式。各企業根據各自的經驗，從零開始開發一種新的工藝，通過5年不斷反復的改良，才取得了今天這樣與企業訴求充分吻合的重大成果。

圖3.經過改良后螺旋推進器的混煉·擠出機

圖4.保溫搬送裝置中擠出的原料

 

2. 不斷進取、不斷改良、追求完美

 

截至目前，本項目最主要的成果首先是以最佳條件形成LFT-D擠出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型設備及系統（圖5）。從原料的投入到成型品的完成只需5分鐘左右，沖壓成型所需的時間縮短到1~2分鐘，能保障實現年產10萬臺規模的量產。其中系統設備研發中最難的一點是將碳纖維和熱塑性樹脂混煉的工序，這一點可以說是永遠的課題。雖然混煉螺桿推進器的設計在多次改良積累了豐富的經驗和訣竅，但在螺桿推進器中到底發生什么，仍然還有很多未解之謎。即使利用計算機模擬技術也不能完全揭開其真實的機理，仍然是將來需要解決的課題。

圖5.大型LFT-D高速成型設備

 

在整個研發過程中，物料搬送技術的開發也相當艱辛。擠出材料接觸空氣后會因氧氣而劣化，因此需要阻斷氧氣。另外，冷卻后馬上就會凝固，影響在沖壓機中的流動，所以需要在保持溫度的同時，如何高速向沖壓機送料是關鍵，如何將它控制在分毫不差，是物料搬送技術的核心。

 

與混煉工序相反，沖壓成型中的物料移動非常清晰。通過開發流動模擬CAE技術，并在成型試件的水準設定和模具設計中得以充分靈活的運用（圖6）。

圖6.CAE流動分析

 

關于材料的檢測評估技術，申請了兩項專利。其中一項專利是關于預填充物的制作方法，開發了多階段稀釋法的纖維長度分布測定法，實現了排除試樣采集位置特異性的精度提高和效率化（圖5）。另一項專利是測量纖維方向的方法，開發了X射線衍射法的纖維取向測定法，確立了平均取向角和取向順序參數的計算順序（圖6）。

圖7.多階段稀釋測定纖維長度分布

圖8.根據X射線衍射測量纖維取向

圖9.物料搬送技術的應用

 

3. “產學官”聯合研發的樣板工程

 

日本的“產學官合作”是指通過企業（產）與具有高端技術、高級專業知識的大學（學）以及政府（官）合作，謀求新產品的開發和新工程的創建，積極推進科技創新及其成果的轉化。“產學官聯合”是日本科技立國政策的重要舉措，是在政府的支持下，充分利用大學強大的科研隊伍和企業的經濟實力，開發新興技術產品，增強日本企業國際競爭力的機制。

 

本項目試制所選擇的車輛標準是比鋼鐵輕的鋁制車輛，而且是本次共同研發企業之外的車型。項目組購買了一輛蓮花愛麗舍二手車，在拆解前測量了其扭轉剛度（指汽車車架的扭轉剛度），并以與之同等的剛度為本項目的設計目標。

 

從大尺寸平板的成型開始，取得基礎數據，找出問題點。由于當初高質量的平板成型比較困難，經歷了多次反復的試驗。對于強度不足的部分，同時開展了作為增強材料使用織物（熱塑性連續纖維CFRP）的混合成型的開發。在完成技術上最難的底盤平板后，逐步完成了包括側梁等與實車完全一樣的其他結構部件的開發。

圖10.LFT-D汽車底盤的結構設計

 

關于接合，開發了與鋼鐵材料接合中使用的焊縫焊接同等水平的高速接合技術。雖然實現了解超聲波熔接是有效的，但本項目中也實驗了電磁感應和激光熔接。電磁感應對連續纖維有效但對不連續纖維不起作用，激光熔接雖然可以接合，但有專利等壁壘，僅限于研究范圍。最終選擇了超聲波熔接，現狀不能熔接的部分也并用了一部分，不過，為了發揮LFT-D的特性，從構造設計上下功夫，實現了全部熔接接合。不僅是LFT-D成型材料之間，也可與鋁材料通過超聲波熔接進行接合。同樣也可以與鋼材的接合，但是存在表面處理等未解決的問題，目前其研究仍在進行。

 

本項目中接合技術，有一部分在校學生獲得了這次寶貴的機會并參與了研發工作。作為“產學官”合作的示范案例，獲得日本內閣府頒發的“產學官聯合功勞者選拔委員會特別獎“。同年2月，為了表彰該技術對汽車輕量化的貢獻，獲得“nano tech大獎”。

 

本次完成的熱塑性CFRP底盤重量40kg，實現了與原車相同的強度和剛性要求。相對于鋁制底盤由100個零部件組成，熱塑性CFRP底盤僅僅有10個零部件，成本也可與鋁制底盤相競爭。

圖11.參加本項目的“產學官”大學及企業

 

4. 參考文獻

 

• ISMA Report, June 2021

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來源：新材料平臺復合材料行業中心，復材網整理

隨著復合材料工藝制造水平的提高，生產規模的不斷擴大和自動化程度的巨大進步，復合材料被更廣泛地應用于航空航天、汽車、軌道交通等領域，其應用水平已經成為衡量新一代裝備先進性的重要標志。我國復合材料在全球約占30%的市場份額，因此前瞻性、適時性地對復合材料行業的發展背景、產銷情況、市場規模、競爭格局等行業現狀進行分析，并結合多年來復合材料行業發展軌跡及實踐經驗，對復合材料行業的未來進行探索，有著極為重要的意義。

 

HP-RTM工藝是近年來推出的一種應對大批量生產高性能熱固性復合材料零件的新型RTM工藝技術，采用配套預成型技術，通過在密閉抽真空模腔內高壓混合注射完成樹脂對纖維的浸漬和固化，可實現低成本、短周期（大批量）、高質量生產。

 

會議由復材網、天津市天鍛壓力機有限公司主辦，廊坊市飛澤復合材料科技有限公司、湖南精正設備制造有限公司協辦，將于8月3-5日在天津市舉辦“2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨自動化成型裝備演示培訓會”。會議期間，還將安排參觀天津市天鍛壓力機有限公司、廊坊市飛澤復合材料科技有限公司，觀摩成型裝備及生產現場操作演示，在實踐中學習高效、低成本、定制化的輕量化解決方案，共同探討復合材料新技術、新應用和新發展，助力企業頂層設計及戰略規劃，在市場競爭中占據領先優勢。

 

誠邀國內外復合材料生產企業、產業鏈上下游企業、專家學者和行業同仁蒞臨本次大會，進行學術交流和商務合作！

 

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會 議 日 程

Meeting schedule

 

會議報到

2023年8月3日

下午-大會報到，對接交流

下午-閉門會議（僅限受邀）

產業鏈生態構建對接交流會

晚上-自助晚餐

大會當天

2023年8月4日

上午-航空航天、汽車、軌道交通等行業復合材料市場趨勢及HP-RTM工藝應用分析

中午-自助午餐

下午-HP-RTM、Surface-RTM、C-RTM、PCM新工藝 新材料 新技術 新應用相關報告

晚上-歡迎晚宴，對接交流

參觀企業

2023年8月5日

上午-天津市天鍛壓力機有限公司

參觀地址：天津市北辰區小淀鎮津圍公路東

下午-廊坊市飛澤復合材料科技有限公司

參觀地址：廊坊安次區河北廊坊高新技術產業開發區鳳翔路255號

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參 觀 企 業

Visiting enterprises

天津市天鍛壓力機有限公司

始建于1956年，是我國第一臺液壓機誕生地，坐落于中國北方經濟中心、環渤海經濟中心和國際港口城市—天津。歷經60多年的積累、創新與發展，始終保持行業領軍地位。公司以研發、生產、制造和裝備液壓機產線為主，研制航空航天和汽車輕量化等領域高端零部件及先進工藝為輔，集科研、生產、貿易、服務于一體的國家級高新技術企業。

 

作為國內液壓機行業領跑者，國家制造業單項冠軍示范企業，全國200家創建世界一流專精特新示范企業，經過數代人努力拼搏，“天鍛”品牌液壓機在國內外享有良好的口碑和市場美譽度。目前，公司緊緊圍繞戰略性新興產業的發展，以工藝為中心，逐步做全做強產品產業鏈，可設計生產87種系列、1800余種規格的壓力機及成套自動化產線，產品規格從10噸-70000噸，廣泛應用于航空航天、新興能源、汽車制造、船舶運輸、軌道交通、石油化工、輕工家電等領域，不僅為國內重點項目、重大工程提供重型成形裝備，且產品出口歐洲、美洲、東南亞等40余個國家和地區。

 

2022年8月天鍛正式加入中國通用技術集團，站在新起點，依托央企平臺賦能，服務國家重大戰略，持續不斷在卓越管理、科技創新、市場營銷、機制改革、資源統籌等方面發力，把握歷史機遇，奮進新征程。

 

廊坊市飛澤復合材料科技有限公司

成立于2019年2月，位于河北廊坊高新技術產業開發區內，注冊資金1.8億元人民幣，最大股東是中國石化資本公司，通過股東資源的協同，促進公司跨越式發展。飛澤復材2021年底通過戰略投資控股廊坊萬泰復合材料有限責任公司。公司秉承“用 XIN SHI 干”的核心價值觀，立足于復合材料輕量化核心業務，堅持“應用性、產業性、關鍵性、前瞻性”技術主導，兼顧“質量、成本、效率”三個維度，全面推進“新材料、新結構、新裝備、新工藝、新方法”和“研發與量產”應用，專注為汽車、風電、軌道交通、航空航天等領域客戶提供“結構設計、模擬分析、材料研發、工藝試制、試驗驗證、量產交付”的全流程解決方案。

飛澤復材是國內率先實現汽車領域碳纖維復合材料零部件大批量生產的高科技企業，公司擁有VARI、RTM、預浸料袋壓（OOA）、預浸料模壓、熱壓罐、拉擠等傳統工藝，以及濕法模壓、HP-RTM、Surface-RTM等新型工藝的研發、試制及量產能力，通過多個項目的量產交付，實現了碳纖維復合材料在汽車領域的規模化、快速化、自動化生產。

 

參觀名額有限，先到先得！