方鲲1,2 刘康1,2
1. 北京热塑性复合材料工程技术研究所
2. 北京纳盛通新材料科技有限责任公司
参与世界首台CFRTP汽车底盘研制工作的研究人员（名古屋大学）
2013年宝马汽车生产的电动车i3车身首次采用了RTM（Resin Transfer Molding）工艺热固性CFRP时，给汽车行业带来了巨大的冲击，该公司的在2015年款7系车上虽然采用了多材料化，但是CFRP的应用仅停留在作为铝、钢铁等增强材料。虽然不是结构部件，2017年丰田汽车将SMC（Sheet Molding Compound）工法的热固性CFRP应用在普锐斯PHV的后车门。关于碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)，2014年丰田汽车将其应用在燃料电池车MIRAI的堆栈框架上，这也是首次在量产车上的应用。关于CFRTP其他的应用事例目前仍在研究阶段还没有达到实用化（图1）。
图1.CFRP成型技术与力学特性之间关系的路线图
日本5家汽车制造商为了寻求适用于量产车生产的CFRP制造技术，将目光着眼于LFT-D（长纤维增强热塑性复合材料工艺）工艺技术（图2），并于2012年在日本经济产业省的支持下成立了研发团队，由名古屋大学国家复合材料中心石川隆司教授担任项目负责人，之后该项目在2014年并入NEDO(日本新能源技术开发机构) 的“创新新结构材料研发”项目。
图2.LFT-D生产概念图
LFT-D是德国弗劳恩霍夫物流研究院提出的一种纤维强化塑料的制造方法，最初是将玻璃纤维和热塑性树脂（聚丙烯）混合而成的材料通过高速冲压成型。本项目为了提高力学性能，原料中使用了碳纤维和热塑性树脂（聚酰胺）。热塑性塑料与热固性塑料相比，具有材料价格便宜，成型时间短的优势。另外，作为热塑性塑料的特性，可以在接合中应用熔接和焊接技术，所以不需要粘合剂和铆钉，可应用于目前现行的汽车生产线，这对汽车制造企业来说具有极大的魅力。
本项目的主要特点之一是采取了大学与11家企业共同参与的联合体方式。各企业根据各自的经验，从零开始开发一种新的工艺，通过5年不断反复的改良，才取得了今天这样与企业诉求充分吻合的重大成果。
图3.经过改良后螺旋推进器的混炼·挤出机
图4.保温搬送装置中挤出的原料
截至目前，本项目最主要的成果首先是以最佳条件形成LFT-D挤出原料，及完成了大尺寸零件的高速成型设备及系统（图5）。从原料的投入到成型品的完成只需5分钟左右，冲压成型所需的时间缩短到1~2分钟，能保障实现年产10万台规模的量产。其中系统设备研发中最难的一点是将碳纤维和热塑性树脂混炼的工序，这一点可以说是永远的课题。虽然混炼螺杆推进器的设计在多次改良积累了丰富的经验和诀窍，但在螺杆推进器中到底发生什么，仍然还有很多未解之谜。即使利用计算机模拟技术也不能完全揭开其真实的机理，仍然是将来需要解决的课题。
图5.大型LFT-D高速成型设备
在整个研发过程中，物料搬送技术的开发也相当艰辛。挤出材料接触空气后会因氧气而劣化，因此需要阻断氧气。另外，冷却后马上就会凝固，影响在冲压机中的流动，所以需要在保持温度的同时，如何高速向冲压机送料是关键，如何将它控制在分毫不差，是物料搬送技术的核心。
与混炼工序相反，冲压成型中的物料移动非常清晰。通过开发流动模拟CAE技术，并在成型试件的水准设定和模具设计中得以充分灵活的运用（图6）。
图6.CAE流动分析
关于材料的检测评估技术，申请了两项专利。其中一项专利是关于预填充物的制作方法，开发了多阶段稀释法的纤维长度分布测定法，实现了排除试样采集位置特异性的精度提高和效率化（图5）。另一项专利是测量纤维方向的方法，开发了X射线衍射法的纤维取向测定法，确立了平均取向角和取向顺序参数的计算顺序（图6）。
图7.多阶段稀释测定纤维长度分布
图8.根据X射线衍射测量纤维取向
图9.物料搬送技术的应用
日本的“产学官合作”是指通过企业（产）与具有高端技术、高级专业知识的大学（学）以及政府（官）合作，谋求新产品的开发和新工程的创建，积极推进科技创新及其成果的转化。“产学官联合”是日本科技立国政策的重要举措，是在政府的支持下，充分利用大学强大的科研队伍和企业的经济实力，开发新兴技术产品，增强日本企业国际竞争力的机制。
本项目试制所选择的车辆标准是比钢铁轻的铝制车辆，而且是本次共同研发企业之外的车型。项目组购买了一辆莲花爱丽舍二手车，在拆解前测量了其扭转刚度（指汽车车架的扭转刚度），并以与之同等的刚度为本项目的设计目标。
从大尺寸平板的成型开始，取得基础数据，找出问题点。由于当初高质量的平板成型比较困难，经历了多次反复的试验。对于强度不足的部分，同时开展了作为增强材料使用织物（热塑性连续纤维CFRP）的混合成型的开发。在完成技术上最难的底盘平板后，逐步完成了包括侧梁等与实车完全一样的其他结构部件的开发。
图10.LFT-D汽车底盘的结构设计
关于接合，开发了与钢铁材料接合中使用的焊缝焊接同等水平的高速接合技术。虽然实现了解超声波熔接是有效的，但本项目中也实验了电磁感应和激光熔接。电磁感应对连续纤维有效但对不连续纤维不起作用，激光熔接虽然可以接合，但有专利等壁垒，仅限于研究范围。最终选择了超声波熔接，现状不能熔接的部分也并用了一部分，不过，为了发挥LFT-D的特性，从构造设计上下功夫，实现了全部熔接接合。不仅是LFT-D成型材料之间，也可与铝材料通过超声波熔接进行接合。同样也可以与钢材的接合，但是存在表面处理等未解决的问题，目前其研究仍在进行。
本项目中接合技术，有一部分在校学生获得了这次宝贵的机会并参与了研发工作。作为“产学官”合作的示范案例，获得日本内阁府颁发的“产学官联合功劳者选拔委员会特别奖“。同年2月，为了表彰该技术对汽车轻量化的贡献，获得“nano tech大奖”。
本次完成的热塑性CFRP底盘重量40kg，实现了与原车相同的强度和刚性要求。相对于铝制底盘由100个零部件组成，热塑性CFRP底盘仅仅有10个零部件，成本也可与铝制底盘相竞争。
图11.热可塑性CFRP汽车底盘
图12.参加本项目的“产学官”大学及企业
来源：材料委天津院
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