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為應(yīng)對(duì)消費(fèi)者需求和氣候的雙重挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型。最困難的任務(wù)之一是減輕車輛重量以最大限度地降低能耗。預(yù)計(jì)整備質(zhì)量每減少 10%，能耗將減少 6% 至 8%。強(qiáng)度重量比更好的復(fù)合材料是設(shè)計(jì)和制造輕量化部件的最佳選擇之一。在汽車領(lǐng)域，使用復(fù)合材料可以減輕電動(dòng)汽車的重量，并影響其空氣動(dòng)力學(xué)性能。它還可以通過減少有害排放和顆粒物來降低燃料消耗。過去十年，汽車機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)研究人員對(duì)此類技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。纖維增強(qiáng)聚合物，尤其是以玻璃和碳纖維為基礎(chǔ)的聚合物，由于其高性能和輕質(zhì)而引起了汽車行業(yè)的關(guān)注。

一、現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)汽車中，金屬構(gòu)成了車輛的核心結(jié)構(gòu)，而某些內(nèi)飾部件則采用復(fù)合材料制造。近年來，碳纖維復(fù)合材料被被廣泛用于減輕車輛重量。復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌比鋁合金有較大提高。在電動(dòng)汽車中，鋼和鑄鐵約占材料的一半（按重量計(jì)算）。鋁合金約占總量的 9%，塑料占 11%，橡膠占 3%。當(dāng)今，各行各業(yè)都注重利用可再生資源，并進(jìn)一步使用可回收、環(huán)保、對(duì)全球環(huán)境影響較小的材料（看表 1，表 2，表 3）。

表1. 汽車用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料匯總表

表2.汽車用鋁混合復(fù)合材料匯總表

表 3.可持續(xù)生物復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的當(dāng)前應(yīng)用

*PP – 聚丙烯、PUR – 聚氨酯、PLA – 聚乳酸、PBS – 聚丁二酸丁二醇酯、PET – 聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、Sorona? EP – 聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯。

減少排放和燃料消耗是汽車行業(yè)面臨的主要問題，需要強(qiáng)有力的解決方案。由于能源生產(chǎn)依賴于碳基化石燃料，大量的溫室氣體被排放到環(huán)境中。由于全球電力消耗的不斷擴(kuò)大，過去幾十年來對(duì)能源的需求也在增加。由于燃料價(jià)格高昂，以及對(duì)環(huán)境惡化問題的關(guān)注，消費(fèi)者傾向于選擇電動(dòng)汽車 (EV)。在此之后，全球許多國(guó)家對(duì)使用電動(dòng)汽車的需求都在增加。電動(dòng)汽車正在成為柴油、汽油和其他化石燃料驅(qū)動(dòng)汽車的替代品，因?yàn)殡妱?dòng)汽車使用鋰離子電池，可提供混合充電功能，而且它們重量更輕，因?yàn)樗麄兊拇蠖鄶?shù)部件都是由復(fù)合材料制成的，以提高車輛的燃油效率，而且它們省去了傳統(tǒng)化石燃料驅(qū)動(dòng)汽車的大多數(shù)部件。許多租賃服務(wù)公司正熱衷于用電動(dòng)汽車取代他們的內(nèi)燃機(jī)車輛。

為了解決能源效率問題，許多研究人員建議用輕質(zhì)材料替換不同的車輛部件，這將減輕車輛重量，同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性。每減少 10 公斤汽車重量，每公里碳排放量就會(huì)減少 1 克，從而減少燃料消耗。輕量化方案因其能有效減少燃料需求和減少排放而廣受重視。輕量化側(cè)重于通過材料替換以及重新設(shè)計(jì)部件來減輕車輛質(zhì)量。

在內(nèi)燃機(jī)汽車設(shè)計(jì)中，人們采用了各種技術(shù)來研究輕質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)。汽車對(duì)環(huán)境的影響的減少是電動(dòng)汽車與輕量化設(shè)計(jì)相結(jié)合的結(jié)果。此外，電動(dòng)汽車中使用輕質(zhì)材料有望帶來豐厚利潤(rùn)，因?yàn)橥ㄟ^減輕重量可以提高行駛距離等性能，并縮小電池尺寸。（圖 1）。

因此，復(fù)合材料被選為制造具有增強(qiáng)機(jī)械特性優(yōu)勢(shì)的輕量化部件的優(yōu)選材料。人們一直在努力減輕車輛重量，并開發(fā)廉價(jià)的制造方法來生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP) 等輕型材料。碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度更高、重量更輕、抗震性好、剛度更高、疲勞和耐腐蝕性更強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，中國(guó)已建立了碳纖維及其復(fù)合材料的研究機(jī)構(gòu)。盡管如此，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用仍落后于航空航天領(lǐng)域?？傮w而言，關(guān)于該領(lǐng)域的研究數(shù)量有限，因此需要進(jìn)一步發(fā)展此類研究，以滿足日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車需求。圖 2展示了不同車輛類型的分類。

圖1.電動(dòng)汽車主要部件示意圖

圖2.不同車輛類型的分類

2020 年國(guó)際乘用電動(dòng)汽車市場(chǎng)的估值約為 1208.1 億美元，預(yù)計(jì)2021 年至 2028 年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為 32.5%，見圖 3。目前，由于 2020 年代上半年新冠疫情引發(fā)的限制措施，全球乘用車銷量大幅下降，汽車行業(yè)也因封鎖的負(fù)面影響而下滑。即使在這種混亂中，2020年汽車市場(chǎng)達(dá)到了新的里程碑，銷量達(dá)到約 300 萬輛，比 2019 年增長(zhǎng)了近 40%。2020 年，中國(guó)占據(jù)了全球電動(dòng)汽車銷量的 30% 左右。此外，在不斷增長(zhǎng)的公共電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)的支持下，電動(dòng)汽車將表現(xiàn)出高水平的發(fā)展勢(shì)頭。

圖 3.2016-2028年美國(guó)電動(dòng)乘用車市場(chǎng)規(guī)模（十億美元）

2020 年，純電動(dòng)汽占收入的最大份額，超過 60%，預(yù)計(jì)在2028年前將保持主導(dǎo)地位。自 2021 年以來，在美國(guó)，有超過 15 種不同的純電動(dòng)汽車 (BEV) 型號(hào)可供選擇。與插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (PHEV) 相比，由于續(xù)航里程問題，預(yù)計(jì)純電動(dòng)汽車將實(shí)現(xiàn)更高的增長(zhǎng)。在北美純電動(dòng)汽車領(lǐng)域，特斯拉Model S銷量非常好， 原因之一就是Model 3 的每公里用車成本最低。特斯拉2020 年的銷售額占據(jù)了純電動(dòng)汽車領(lǐng)域 的70%。在預(yù)測(cè)期內(nèi)，PHEV 的收入復(fù)合年增長(zhǎng)率可能超過 32%。這種進(jìn)步可歸功于政府為促進(jìn)電動(dòng)汽車在工業(yè)化發(fā)展中使用的建議。PHEV 使用電池為電動(dòng)機(jī)提供電力，并使用燃料為內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力。大眾汽車集團(tuán)等企業(yè)正致力于提高其插電式電動(dòng)汽車的銷量。2020 年 1 月，該公司宣布其插電式電動(dòng)汽車的銷量與 2018 年相比增長(zhǎng)了約 60%。

車輛輕量化是自動(dòng)化行業(yè)當(dāng)前關(guān)注的首要問題之一，提高效率和減少污染是首要考慮。更高的安全性、更高的舒適度和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)問題。在車輛制造中使用輕質(zhì)復(fù)合材料可以降低能耗。據(jù)估計(jì)，通過將車輛重量減輕 25%，每年可以節(jié)省近 2.5 億桶原油。使用復(fù)合纖維材料可能會(huì)使單個(gè)車型重量減輕約 10-30% ，2016 年全球輕量化材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)約為 1137.8 億美元，預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.9%。北美汽車需求的增加（圖 4) 預(yù)計(jì)將在未來幾年持續(xù)推動(dòng)電動(dòng)汽車消費(fèi)增長(zhǎng)。這一領(lǐng)域的發(fā)展取決于美國(guó)和加拿大等國(guó)家的主要汽車制造商的轉(zhuǎn)型。此外，可再生能源設(shè)備制造商的存在預(yù)計(jì)將推動(dòng)該地區(qū)市場(chǎng)的發(fā)展。

圖 4. 2013-2024 年北美輕質(zhì)材料市場(chǎng)規(guī)模（按產(chǎn)品劃分）（十億美元）

復(fù)合材料和聚合物占領(lǐng)了整個(gè)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)這種趨勢(shì)將持續(xù)多年。應(yīng)用這些材料，能夠?qū)④囕v重量減輕 50%，并將燃油效率提高到 35% 左右。汽車、能源和航空是輕質(zhì)材料市場(chǎng)的主要領(lǐng)域。圖 5汽車行業(yè)占據(jù)全球輕量化材料市場(chǎng)的近86%的份額。

圖 5.2016年輕質(zhì)材料市場(chǎng)份額（按應(yīng)用劃分）（%）

輕質(zhì)材料的應(yīng)用對(duì)燃料消耗、靈活性和駕駛動(dòng)力等多個(gè)因素有直接影響。預(yù)計(jì)航空業(yè)對(duì)輕質(zhì)材料的需求將在未來幾年內(nèi)增加。此外，在風(fēng)車制造中利用輕質(zhì)材料來生產(chǎn)風(fēng)能（可再生能源的主要來源）也正在產(chǎn)生影響。由于索爾維（Cytec Solvay Group）、東麗（Toray Industries Inc.）、美國(guó)鋁業(yè)（Alcoa Inc.）和 沙特基礎(chǔ)工業(yè)（SABIC Industries）等知名公司的存在，輕質(zhì)材料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈。由于收購(gòu)和兼并的數(shù)量增加，輕質(zhì)材料市場(chǎng)越來越受人們關(guān)注。

亞太地區(qū)占據(jù)了全球需求的絕大部分。由于乘用車需求巨大，中國(guó)和印度等國(guó)家正在深耕本地市場(chǎng)。人們對(duì)可再生能源的需求不斷提高，同時(shí)這些地區(qū)國(guó)防預(yù)算的增加也增加了鎂和鈦的需求。由于輕質(zhì)材料制造商數(shù)量的增加，拉丁美洲地區(qū)的產(chǎn)品需求正在快速增長(zhǎng)。此外，由于歐洲地區(qū)有飛機(jī)和風(fēng)能部件制造商，預(yù)計(jì)該地區(qū)的市場(chǎng)增長(zhǎng)也將增加。

三、高性能復(fù)合材料市場(chǎng)分析

預(yù)計(jì)高性能復(fù)合材料市場(chǎng)將在 2021-2028 年期間持續(xù)增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析顯示，到 2028 年，增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到約 138.068 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率接近 6.10%（圖 6)。

圖 6.全球高性能市場(chǎng)分析，預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到 138.068 億美元

汽車行業(yè)的發(fā)展和飛機(jī)銷量的增長(zhǎng)大大影響了高性能復(fù)合材料市場(chǎng)的增長(zhǎng)率。但是，原材料成本的上漲以及制造和組裝價(jià)格的上漲阻礙了高性能復(fù)合材料市場(chǎng)的發(fā)展。高性能復(fù)合材料市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在亞太地區(qū)占據(jù)主導(dǎo)地位，不少地區(qū)推出有利法規(guī)，促進(jìn)其復(fù)合材料行業(yè)的就業(yè)。同時(shí)，由于主流汽車公司的存在，北美仍將保持盈利增長(zhǎng)。

印度還在使用復(fù)合材料制造高質(zhì)量乘用車和摩托車方面發(fā)揮著重要作用。世界銀行報(bào)告顯示，在北美、中國(guó)和印度，每 1,000 人中分別擁有 786 輛、69 輛和 18 輛機(jī)動(dòng)車。世界銀行的這份報(bào)告還表明，印度和中國(guó)等國(guó)家的運(yùn)輸業(yè)具有很強(qiáng)的增長(zhǎng)潛力。據(jù)預(yù)測(cè)，印度鐵路貨運(yùn)部門采用了100億噸復(fù)合材料用于生產(chǎn)制造。印度政府宣布，大約 30% 的零部件從印度航空航天部的工業(yè)部門采購(gòu)。印度在 2015 年消耗了近 30 萬噸復(fù)合材料，到 2020 年將迅速增長(zhǎng)至約 41.8 萬噸，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 5.8%。

4.1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

在聚合物的發(fā)展過程中，增強(qiáng)材料已成為一大重要組分。為了改善基體材料的性能，如尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械特性和耐熱性。通常，增強(qiáng)材料以薄片、顆粒和纖維的形式出現(xiàn)。在聚合物基復(fù)合材料中使用的各種纖維中，綜合性能最優(yōu)異的是碳纖維。CFRP復(fù)合材料的全球收入估計(jì)將從282億美元增加到近487億美元。

纖維增強(qiáng)塑料（FRP）復(fù)合材料是另一種由纖維加基體組成的復(fù)合材料，由強(qiáng)度更高、剛性更強(qiáng)的纖維與具有更高斷裂韌性的輕質(zhì)基體混合而成。為了設(shè)計(jì)性能，可執(zhí)行沿負(fù)載方向和負(fù)載方向上的纖維排布。該復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、建筑和船舶等工程領(lǐng)域的承重結(jié)構(gòu)。在汽車和鐵路領(lǐng)域，復(fù)合材料被認(rèn)為是制造汽車車身的首選，因此可以輕松生成車輛的復(fù)雜輪廓。

日本國(guó)家復(fù)合材料中心 (NCC)的一個(gè)復(fù)合材料項(xiàng)目利用 CFRP 復(fù)合材料技術(shù)來替換由鋁合金制成的車輛底盤。圖 7代表了 NCC 開展的項(xiàng)目中 CFRTP 的進(jìn)展路線，旨在實(shí)現(xiàn)性能卓越、價(jià)格低廉、可成型且環(huán)保的部件。圖 8展示了新興的中間材料，即碳纖維墊增強(qiáng)熱塑性塑料（CMT）、短切碳纖維帶增強(qiáng)熱塑性塑料（CTT）、碳纖維梳理網(wǎng)增強(qiáng)熱塑性塑料（CWT）和碳纖維紙?jiān)鰪?qiáng)熱塑性塑料。圖 9展示了用于汽車零部件批量生產(chǎn)的新興高周壓縮成型技術(shù)的表現(xiàn)。

圖7.NCC日本項(xiàng)目中CFRTPs的進(jìn)展路線，以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)越、價(jià)格低廉、可成型、環(huán)保的組件。

圖8.CFRTP項(xiàng)目中的新興中間材料：短切碳纖維帶增強(qiáng)熱塑性塑料（CTT）、碳纖維墊增強(qiáng)熱塑性塑料（CMT）、碳纖維紙?jiān)鰪?qiáng)熱塑性塑料和碳纖維梳理網(wǎng)增強(qiáng)熱塑性塑料（CWT）

圖9.用于批量生產(chǎn)汽車部件的新興高周壓縮成型技術(shù)示意圖

復(fù)合材料還可用于需要更大強(qiáng)度的敏感位置，例如碰撞管理結(jié)構(gòu)、復(fù)合軌道框架，懸掛系統(tǒng)等。事實(shí)上，復(fù)合材料可以成為各種新興金屬部件（如車身結(jié)構(gòu)、車頂結(jié)構(gòu)、保險(xiǎn)杠）的替代品。FRP 復(fù)合材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它易于制造復(fù)雜形狀。復(fù)雜的車身形狀不僅可以通過精美的藝術(shù)吸引人們的注意，還可以大大降低阻力系數(shù)并提高空氣動(dòng)力學(xué)性能。

與鋁和鋼等傳統(tǒng)金屬相比，CFRP 具有更高的減重能力、更高的比強(qiáng)度、更高的沖擊吸收能力和更大的剛度。因此，汽車行業(yè)多年來一直在轉(zhuǎn)向使用復(fù)合材料，特別是 CFRP。目前廣泛使用的復(fù)合材料是玻璃、碳和芳綸纖維。這是一種天然纖維，亞型為聚酯和尼龍纖維。此外，與碳纖維相比，玻璃纖維的剛度較低且更重，而碳纖維則更多地應(yīng)用于高性能部件。為了提高強(qiáng)度、顯著減輕重量和減小車架尺寸，人們采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

近年來，多家汽車制造商使用碳纖維復(fù)合材料制造汽車車頂、地板、復(fù)合乘客艙、車艙框架、傳動(dòng)通道、車頂支柱、前后保險(xiǎn)杠和后地板。研究表明，碳纖維復(fù)合材料可能是鋼制  一體式車身(BIW)的潛在替代品，但對(duì)于輪輞、保險(xiǎn)杠支架、車頂、車門模塊、進(jìn)氣歧管系統(tǒng)和行李箱蓋等，因出色的機(jī)械特性和成本約束，GFRP被視為更優(yōu)選擇。然而，不夠節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)效率低、設(shè)計(jì)工具不足、材料價(jià)格較高以及可回收性和可修復(fù)性問題極大地限制了它們?cè)谄囶I(lǐng)域的應(yīng)用。

現(xiàn)在，碳纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用意味著提升輕量化性能。與常用的金屬相比，碳纖維增強(qiáng)塑料具有出色的比強(qiáng)度、疲勞特性和剛度。在汽車領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)塑料的優(yōu)勢(shì)還在于減輕重量、耐用性、耐撞性、韌性以及迷人的外觀。

5.1.樹脂傳遞模塑 (RTM)

樹脂傳遞模塑成型（簡(jiǎn)稱 RTM）被認(rèn)為是汽車工業(yè)中最適合大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀復(fù)合材料部件的技術(shù)，其中復(fù)合材料部件的尺寸從小型到中型不等。傳統(tǒng) RTM 方法的最新進(jìn)展為汽車工業(yè)可持續(xù)地推廣該技術(shù)提供了可能性。由于采用閉模方法，資本投資更少、運(yùn)營(yíng)成本更低、排放量更低，這些都是 RTM 方法帶來的好處。獲得的復(fù)合材料部件在模具中制備，無需額外處理。所得復(fù)合材料在每一面都表現(xiàn)出良好的表面光潔度，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的體積百分比。然而，由于樹脂增強(qiáng)材料的限制，RTM 的應(yīng)用范圍縮小僅限于中小型部件。限制在于復(fù)雜大型部件中的流動(dòng)時(shí)間和空隙形成時(shí)間。為了提高制造效率和部件的物理功能，必須避免包含空隙。工業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)正在致力于通過改進(jìn)浸漬方案和機(jī)械化裝置來改變RTM的工作原理，以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量。圖10展示各種樹脂傳遞模塑 (RTM) 方法。

圖 10 .各種樹脂傳遞模塑 (RTM) 方法。(a) 低壓 RTM。(b) 高壓 RTM。(c)壓縮 RTM

許多工業(yè)用途需要使用 RTM 技術(shù)，例如使用熱固性樹脂和環(huán)氧樹脂作為主要成型樹脂的復(fù)合材料。超快速固化環(huán)氧樹脂的最新進(jìn)展推動(dòng)了 RTM 的實(shí)踐，將不同汽車設(shè)備的固化時(shí)間縮短至 30-120 秒。此外，熱塑性塑料由于其可回收利用的優(yōu)勢(shì)，在教育和制造方面也具有廣泛的影響力。

5.2 .真空輔助樹脂灌注（VARI）

真空輔助樹脂灌注技術(shù)或 VARI 技術(shù)在形式上與 RTM 工藝類似，不同之處在于，VARI 技術(shù)用可支撐真空的軟質(zhì)材料（如塑料薄膜）代替上模，與 RTM 相比，這可以降低模具成本。在該方法中，將干燥的織物片排列在模具中，并用密封膠帶封入真空袋中，然后樹脂滲透到干燥的纖維中。在堆疊的片材上放置高滲透性通道，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臉渲魍?。RTM由于工藝復(fù)雜，對(duì)于大批量生產(chǎn)來說經(jīng)濟(jì)性不高，因此大批量生產(chǎn)首選VARI工藝。VARI工藝在應(yīng)用于渦輪葉片、船體和汽車部件等大型結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)時(shí)，具有更好的表面光潔度和復(fù)合材料質(zhì)量，是一種更有前景、更便宜的選擇。通過 VARI 方法計(jì)算出的纖維體積分?jǐn)?shù)與高壓釜預(yù)浸料非常接近，這是因?yàn)槠涔探Y(jié)壓力較小，且纖維增強(qiáng)材料的壓縮性特征也較強(qiáng)。

5.3.壓縮成型

汽車制造中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是壓縮成型，可用于結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)用途。該工藝包括通過使用相應(yīng)的金屬模具將墊預(yù)制件（即纖維和樹脂的混合物）轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)品。圖11表示典型壓機(jī)關(guān)鍵部件的示意。

圖 11 .典型壓機(jī)示意圖

SMC 即片狀模塑料，定義為通過熱固性預(yù)浸料和短切纖維生成的片材，根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、強(qiáng)度和尺寸通過壓縮或注塑成型。SMC出色的流動(dòng)性可生成低成本汽車部件。SMC 在鋼制加熱模具中處理，通常在低于 100 bar 的壓力下使用液壓機(jī)。所得部件的纖維含量和模制件形狀取決于施加的壓力大小。汽車的車頂、車門、行李箱蓋、支架和擾流板等部件均由 SMC 制造。梅賽德斯-奔馳 Actros 車型由約 30 個(gè) SMC 制成的部件組成，而雷諾 Espace 車型則擁有一個(gè)由 SMC 制成的完整外部車身面板。塊狀模塑部件(BMC)的原材料與 SMC 不同，因?yàn)樗ㄇ兴榈谋∑皖A(yù)浸料碎片，而不像SMC 片材一樣完整。

玻璃纖維氈熱塑性塑料 GMT 是一種完全計(jì)算機(jī)化技術(shù)，用于大批量制造復(fù)合材料部件。它由短切、連續(xù)和單向纖維氈組成，在熱塑性塑料基質(zhì)中纖維含量接近 40%。在高速液壓機(jī)的幫助下，GMT 毛坯經(jīng)過結(jié)構(gòu)化、加熱并輸送到模具中進(jìn)行壓制。將成型的部件拆下，并在必要時(shí)執(zhí)行銑削、切割或鉆孔等二次加工。使用約 5-30 MPa 的可變壓力。 

制造過程簡(jiǎn)單，使得壓縮成型具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有快速的循環(huán)時(shí)間、生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力和成本效益。但是，考慮到昂貴的壓力機(jī)、模具和材料規(guī)劃系統(tǒng)，需要大量的初始投資。壓縮成型生產(chǎn)的部件的機(jī)械特性不如RTM 工藝，盡管它們與 VARI 方法相似。壓縮成型工藝的成本效率取決于設(shè)備、材料類型、自動(dòng)化水平和能源成本等因素。壓機(jī)中使用的原材料，如塊狀模塑料(BMC)、SMC、GMT、預(yù)浸料或 LFT，會(huì)影響初始資本投資。

5.4.反應(yīng)注射成型（RIM）

反應(yīng)注射成型(RIM) 是一種液體注射成型技術(shù)。它被認(rèn)為是一種低壓成型工藝，允許兩種反應(yīng)性組分相互作用并產(chǎn)生聚合物，然后按化學(xué)計(jì)量混合并注入模具腔體中，汽車結(jié)構(gòu)件成型通常采用雙組分（異氰酸酯和多元醇）聚氨酯熱固性樹脂。

RIM 中的纖維增強(qiáng)材料具有增強(qiáng)和結(jié)構(gòu) RIM 的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu) RIM 類似于 RTM，其中樹脂被注入模具的腔體中，該模具的腔體已經(jīng)預(yù)先適應(yīng)了均勻的纖維預(yù)制件布局。在增強(qiáng) RIM 中，使用一種樹脂組分在模具的腔體中注入短切纖維。RIM、結(jié)構(gòu) RIM 以及增強(qiáng) RTM 的演示如下圖12。圖12顯示了各種反應(yīng)注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（無增強(qiáng)）。(b) 增強(qiáng) RIM。(c) 結(jié)構(gòu) RIM（見圖13）。

圖 12。各種反應(yīng)注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（無增強(qiáng)）。(b) 增強(qiáng) RIM。(c) 結(jié)構(gòu) RIM

圖13.復(fù)合材料的開發(fā)技術(shù)

與 RTM 方法相比，低壓壓機(jī)所需的功耗更低，因此操作成本更低。與傳統(tǒng) RTM 技術(shù)相比，結(jié)構(gòu) RIM 時(shí)間周期較短，研究表明，大型汽車保險(xiǎn)杠的 RIM 時(shí)間周期小于 2 分鐘。結(jié)構(gòu)RIM適用于纖維增強(qiáng)材料含量約為50–60%的較大范圍的增強(qiáng)材料。對(duì)于生產(chǎn)增強(qiáng)泡沫塑料部件，增強(qiáng)RIM是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。玻璃纖維或短切碳增強(qiáng)材料可以增強(qiáng)泡沫的物理和機(jī)械特性。

RIM 的最新發(fā)展集中在 RIM 技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱固性雙組分樹脂上。采用結(jié)構(gòu) RIM 的主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，需要對(duì)外部組件進(jìn)行模后油漆固化。因此，當(dāng)需要優(yōu)質(zhì)的飾面時(shí)，就會(huì)使用結(jié)構(gòu) RIM。結(jié)構(gòu) RIM 在汽車行業(yè)用于生產(chǎn)雪佛蘭科爾維特等車型的座椅靠背框架。

在汽車領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用將減輕電動(dòng)汽車的重量，影響空氣動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)降低燃料消耗。證據(jù)表明，復(fù)合材料可為汽車工業(yè)的零部件提供極高的性能。全球?qū)?jié)油型汽車和電動(dòng)汽車的需求在過去 5 年內(nèi)均有所上升。為了滿足對(duì)更高強(qiáng)度和輕量化零部件的需求，汽車行業(yè)更應(yīng)專注于研究基于復(fù)合材料的汽車零部件，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└叩膹?qiáng)度、更強(qiáng)的耐磨性和更長(zhǎng)的疲勞壽命。

近年來，大多數(shù)汽車制造商都傾向于將傳統(tǒng)的鋼制部件轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)材料，以維持其業(yè)務(wù)并順應(yīng)當(dāng)前的市場(chǎng)趨勢(shì)。纖維素和生物復(fù)合材料使用方面的最新技術(shù)發(fā)展重塑了傳統(tǒng)輕型車型和高端車型的設(shè)計(jì)。碳纖維復(fù)合材料可以通過回收的方法以較低的價(jià)格獲得，為未來輕型混合復(fù)合材料的發(fā)展提供了更合理的方向。