復(fù)合材料在新能源汽車(chē)（電池包、電池殼、車(chē)身、零部件等）的應(yīng)用

2023-07-14 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)合集瀏覽數(shù)：6512

　　復(fù)合材料電動(dòng)汽車(chē)電池殼——改善質(zhì)量、成本和耐久性

　　隨著人們對(duì)復(fù)合材料的電池盒蓋和電池托盤(pán)越來(lái)越感興趣，復(fù)合材料的供應(yīng)商們正在努力滿(mǎn)足汽車(chē)制造商及電池模塊生產(chǎn)商當(dāng)前和未來(lái)的需求。

　　來(lái)自WardsAuto.com的消息表明，2022年3月，在全球交付的汽車(chē)中，有近1/4是電動(dòng)汽車(chē)。雖然存在著“疫情導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩、供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)、缺乏廣泛的充電基礎(chǔ)設(shè)施以及消費(fèi)者對(duì)混合動(dòng)力和電池電動(dòng)汽車(chē)接受度不高”等一系列的挑戰(zhàn)，但汽車(chē)電氣化的步伐仍在加速。

　　材料供應(yīng)商們正在努力開(kāi)發(fā)更高性能的熱固性和熱塑性復(fù)合材料，以滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)汽車(chē)制造商和電池模塊生產(chǎn)商們?cè)陔姵貧?yīng)用方面的需求（圖片來(lái)自Forward Engineering GmbH）

　　在“價(jià)格、性能與防護(hù)：電動(dòng)汽車(chē)電池殼”一文中，介紹了汽車(chē)供應(yīng)商在為電動(dòng)汽車(chē)制造復(fù)合材料的電池殼時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)介紹了CAE軟件供應(yīng)商為此所付出的努力，以及這些軟件令一些供應(yīng)商能夠更加容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料電池殼的制造及其實(shí)際性能的準(zhǔn)確模擬，尤其是那些采用不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的電池殼。同時(shí)，還提到了如何利用石墨烯納米粒子來(lái)提高復(fù)合材料電池殼的性能。在此基礎(chǔ)上，本文將重點(diǎn)介紹材料供應(yīng)商們?cè)陂_(kāi)發(fā)更高性能的復(fù)合材料以滿(mǎn)足汽車(chē)制造商和電池模塊生產(chǎn)商當(dāng)前和未來(lái)日益嚴(yán)格的性能和安全要求方面所付出的努力。

　　如前所述，用于電動(dòng)汽車(chē)高壓電池系統(tǒng)的外殼需要平衡好一系列復(fù)雜的要求：

　　首先，必須為攜帶重型電池系統(tǒng)而提供長(zhǎng)期的力學(xué)性能，包括扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)剛度和彎曲剛度，以確保這些電池模塊的使用壽命，同時(shí)保護(hù)電池免受腐蝕、短路、石擊、灰塵、濕氣侵蝕和電解質(zhì)泄漏等的影響。在某些情況下，外殼的設(shè)計(jì)還要防靜電放電(ESD)以及來(lái)自附近系統(tǒng)包括來(lái)自高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)雷達(dá)的電磁干擾/無(wú)線電頻率干擾(EMI/RFI)。

　　其次，在發(fā)生碰撞時(shí)，外殼必須能夠保護(hù)電池系統(tǒng)不被壓壞、刺穿或者因水/濕氣的侵入而造成短路。

　　第三，在各種氣候條件下充電或放電的過(guò)程中，電池系統(tǒng)必須有助于保持電池單元處在理想的熱工作環(huán)境中。車(chē)輛發(fā)生火災(zāi)時(shí)，還要盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保證電池模塊不著火，同時(shí)保護(hù)車(chē)內(nèi)乘客免受電池包內(nèi)的熱失控而導(dǎo)致的高溫和火焰帶來(lái)的傷害。此外，還需要應(yīng)對(duì)“減輕質(zhì)量以延長(zhǎng)單次充電的續(xù)航里程、確保多部件系統(tǒng)的疊加公差不超過(guò)可用封裝空間公差范圍以及成本、可用性和報(bào)廢(EOL)回收”等挑戰(zhàn)性問(wèn)題。下面介紹8家材料供應(yīng)商是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。

　　英力士公司

　　作為不飽和聚酯(UP)、環(huán)氧/乙烯基酯(VE)和其他混合樹(shù)脂系統(tǒng)的長(zhǎng)期供應(yīng)商，英力士(INEOS)復(fù)合材料美國(guó)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)英力士）還提供用于預(yù)浸料、模壓成型的片狀模塑料(SMC)、團(tuán)狀模塑料(BMC)以及用于復(fù)合材料濕法成型(LCM)、樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)、灌注、噴射、鋪層、拉擠和澆注等工藝的膠衣和添加劑。毫無(wú)疑問(wèn)，該公司的材料已在SMC電池盒蓋上發(fā)揮了作用。自2011年以來(lái)，這些電池盒蓋被用于北美的混合動(dòng)力和電池電動(dòng)汽車(chē)上。在中國(guó)市場(chǎng)，其材料被用于多個(gè)汽車(chē)平臺(tái)的電池盒蓋上。

　　“OEMs正在加速為電動(dòng)汽車(chē)的電池殼開(kāi)發(fā)更加精細(xì)的性能特征和材料規(guī)格，大多數(shù)的升級(jí)都涉及阻燃(FR)要求或底部和側(cè)面的沖擊防護(hù)要求。”英力士交通運(yùn)輸市場(chǎng)復(fù)合材料業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Dan Dowdall解釋道，“為了應(yīng)對(duì)這些不斷變化的需求，我們最近推出了一種專(zhuān)為SMC電池殼應(yīng)用而配制的新的高性能、低成本樹(shù)脂系統(tǒng)Arotran 2502。該材料具有高強(qiáng)度、高耐熱性能，能在配混期間提供特殊的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，因而可以方便地添加更高含量的玻纖或碳纖來(lái)滿(mǎn)足高強(qiáng)度、高剛度要求，添加更高含量的礦物填料來(lái)降低成本或提高阻燃性，以及添加更高含量的玻璃微珠來(lái)減輕部件質(zhì)量。此外，用該樹(shù)脂制成的SMC具有更好的流動(dòng)性，能夠填充復(fù)雜的部件形狀，允許更大部件的固結(jié)成型，從而使電池殼具有更高的容積效率。”

　　該公司表示，采用這種新樹(shù)脂制成的SMC，以2mm的厚度通過(guò)了UL 94 5VA 測(cè)試（當(dāng)時(shí)，一些基于不飽和聚酯和乙烯基酯的SMC配方，同樣的厚度未能通過(guò)UL 94 5VA 測(cè)試），且在其他阻燃測(cè)試中也表現(xiàn)良好。在一項(xiàng)用于內(nèi)部篩選的擴(kuò)展阻燃測(cè)試中，將面板暴露在800℃的溫度下，10分鐘后依然保持完好。在熱重分析(TGA)測(cè)試中，這種新材料表現(xiàn)出了最高的初始溫度值，表明Arotran 2502要比傳統(tǒng)的不飽和聚酯和乙烯基酯樹(shù)脂更能抵抗熱降解。即使在要求嚴(yán)格的UL 箱熱失控測(cè)試中，采用Arotran 2502制成的SMC也表現(xiàn)極好。目前，該公司的研究重點(diǎn)是改善工藝、成本、性能和可持續(xù)性。

　　“針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池殼應(yīng)用，一個(gè)重要的研發(fā)項(xiàng)目是，為采用訂制預(yù)成型件以便獲得更高的力學(xué)性能而開(kāi)發(fā)復(fù)合材料用的樹(shù)脂。”Dowdall說(shuō)道，“我們還積極地與技術(shù)合作伙伴合作，開(kāi)發(fā)EMI/RFI 紗和毯，以滿(mǎn)足電池殼日益嚴(yán)格的電子屏蔽要求。”

　　Johns Manville公司

　　位于美國(guó)科羅拉多州丹佛的Johns Manville公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)JM）生產(chǎn)隔熱材料、車(chē)頂材料和工程產(chǎn)品，包括用于各類(lèi)復(fù)合材料的玻纖粗紗。2021年秋季，該公司采用陰離子聚合己內(nèi)酰胺來(lái)生產(chǎn)聚酰胺6(PA6)基的Neomera系列有機(jī)片材，從而進(jìn)入了半成品市場(chǎng)領(lǐng)域。最初，其產(chǎn)品由玻纖織物和無(wú)卷曲織物(NCF)進(jìn)行增強(qiáng)，而采用其他織物以及更長(zhǎng)的短切纖維（玻璃纖維或碳纖維，或者兩者的混合）進(jìn)行增強(qiáng)的級(jí)別也在開(kāi)發(fā)之中并將很快推出。

　　采用己內(nèi)酰胺單體取代完全聚合的PA6聚合物進(jìn)行浸漬所帶來(lái)的好處是粘度更低，因而使有機(jī)片材能夠獲得更好的浸潤(rùn)以及擁有更高的纖維體積含量(FWFs)，這將為復(fù)合材料部件帶來(lái)更高的剛度、強(qiáng)度和抗沖擊性能。玻纖氈熱塑性塑料(GMT)/有機(jī)片材類(lèi)產(chǎn)品的另一大好處是，只要基體相容，可以將采用不同纖維類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的疊層鋪放到壓機(jī)中成型，從而為采用連續(xù)纖維選項(xiàng)有選擇性地加強(qiáng)需要更高力學(xué)性能的部位提供了關(guān)鍵的自由度，同時(shí)也提供了良好的流動(dòng)性和纖維浸潤(rùn)性，以確保“采用不連續(xù)纖維選項(xiàng)”的復(fù)雜形狀的部位能夠得到完全填充。由于玻纖增強(qiáng)PA6所具有的韌性，據(jù)說(shuō)正在對(duì)該材料進(jìn)行評(píng)估，以將其用于一系列的汽車(chē)部件，包括電池殼結(jié)構(gòu)。

　　“隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，人們的注意力正轉(zhuǎn)向與材料相關(guān)的另外兩個(gè)方面：可持續(xù)性以及對(duì)汽車(chē)裝配過(guò)程的潛在影響。”JM的復(fù)合材料產(chǎn)品負(fù)責(zé)人Dana Miloaga說(shuō)道，“可持續(xù)性的影響非常大，一家領(lǐng)先的歐洲OEM正在就如何篩選出能對(duì)其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)帶來(lái)影響的解決方案而向材料供應(yīng)商提出具體要求。從我們收到的反饋來(lái)看，有關(guān)材料的儲(chǔ)存和整合到生產(chǎn)過(guò)程之中、工廠的占地面積以及裝配操作的順序等問(wèn)題，都表明OEM需要的復(fù)合材料要易于處理，易于在自動(dòng)化的操作中使用，以滿(mǎn)足汽車(chē)的大批量生產(chǎn)要求。”

　　Miloaga表示，JM一直在與德國(guó)Forward Engineering GmbH 公司位于美國(guó)密歇根州Royal Oak的辦事處合作。Forward Engineering GmbH是專(zhuān)業(yè)從事輕量化聚合物、復(fù)合材料和多材料解決方案的全球性交通運(yùn)輸設(shè)計(jì)和工程咨詢(xún)公司，具有設(shè)計(jì)電池殼系統(tǒng)以及專(zhuān)為電池殼提供原型開(kāi)發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證的特殊技能，能夠?qū)M的全熱塑性殼體設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的力學(xué)性能和碰撞模擬，從而為開(kāi)發(fā)先進(jìn)的材料卡（用于碰撞模擬，以為具體的客戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目提供支持）而定義具體的鋪層方案。正如“價(jià)格、性能與防護(hù)：電動(dòng)汽車(chē)電池殼”一文所介紹的，汽車(chē)行業(yè)對(duì)用于復(fù)合材料的特別是用于不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精確的材料卡有著相當(dāng)廣泛的需求。

　　Johns Manville 公司一直在與北美和歐洲的合作伙伴合作，為電池殼和底部防護(hù)罩開(kāi)發(fā)全熱塑性的概念，據(jù)說(shuō)已成功地成型出一個(gè)電池殼示范件（圖片來(lái)自Forward Engineering GmbH）

　　“過(guò)去4年來(lái)，市場(chǎng)對(duì)我們提供的高壓電池殼開(kāi)發(fā)支持服務(wù)的需求增長(zhǎng)明顯。”Forward Engineering北美公司總經(jīng)理Adam Halsband表示，“我們?cè)缙诘墓ぷ髦攸c(diǎn)是設(shè)計(jì)和模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，目的是獲得最高的抗沖擊性能和最輕的質(zhì)量。最近，我們的工作重點(diǎn)已擴(kuò)展到應(yīng)對(duì)管理熱失控性能、電磁兼容性(EMC)以及電池和模塊的環(huán)保性（如防止液體侵入）等更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。”

　　展望未來(lái)，他說(shuō)，F(xiàn)orward Engineering已經(jīng)看到，OEMs正在發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)、生命周期分析(LCA)評(píng)估和 EOL處置表現(xiàn)出了更大的興趣。“隨著汽車(chē)行業(yè)向電池電動(dòng)汽車(chē)方向的發(fā)展，以最有力和最具成本效益的方式來(lái)滿(mǎn)足這些要求所面臨的壓力，正在為靈活、可擴(kuò)展的解決方案創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)，從而奠定了纖維增強(qiáng)聚合物將在汽車(chē)的材料組合中占據(jù)更大份額的基礎(chǔ)。”Halsband 補(bǔ)充道。

　　朗盛

　　特殊化學(xué)品公司德國(guó)朗盛生產(chǎn)多種類(lèi)型的熱塑性復(fù)合材料，包括短纖維填充熱塑性粒料，以及織物或單向(UD)玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)的坯料/有機(jī)片材。2021年年底，該公司宣布，其正與位于德國(guó)波恩的汽車(chē)零部件供應(yīng)商Kautex Textron GmbH & Co. KG（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Kautex）合作，探索用熱塑性復(fù)合材料取代鋼和鋁來(lái)制造大型電動(dòng)汽車(chē)電池殼。Kautex 負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)部件和生產(chǎn)工藝，朗盛負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)材料。兩家公司不僅開(kāi)發(fā)了一種完全采用熱塑性基體的復(fù)合材料電池殼樣品，還比較了預(yù)測(cè)的性能與接近量產(chǎn)的實(shí)物部件的實(shí)測(cè)結(jié)果，從而驗(yàn)證了該樣品。

　　其目的是，通過(guò)這款用于中型轎車(chē)的1400mm×1400mm的電池殼來(lái)展示復(fù)合材料在減重降本、功能集成和電氣絕緣等方面的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)由一個(gè)與整體防撞結(jié)構(gòu)相連的底部防護(hù)托盤(pán)和一個(gè)蓋子組成，這些部件均采用Durethan B24CHM2.0 纖維增強(qiáng)PA6直接長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(D-LFT)模壓成型，該配混料專(zhuān)為模壓D-LFT而訂制，這種一步法工藝非常適合快速低成本地制造大型部件。托盤(pán)的防撞結(jié)構(gòu)采用Tepex dynalite連續(xù)玻纖增強(qiáng)PA6進(jìn)行局部加強(qiáng)，滿(mǎn)足了這項(xiàng)應(yīng)用極高的結(jié)構(gòu)要求。據(jù)說(shuō)，該電池殼部件已通過(guò)了外部防火測(cè)試ECE R.100。

　　Kautex與朗盛合作，開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種完全采用熱塑性基體材料的復(fù)合材料電動(dòng)汽車(chē)電池殼，并與作為基準(zhǔn)的Kautex 制造的一種商用鋁部件作了對(duì)比，結(jié)果表明，減輕了15%的質(zhì)量，節(jié)省了20%的成本，降低了45%的碳排放，同時(shí)還為簡(jiǎn)化裝配而提供了結(jié)構(gòu)性能、一體化的熱管理和嵌入成型的裝配硬件（圖片來(lái)自Kautex Textron GmbH & Co. KG）

　　“取決于車(chē)輛等級(jí)，當(dāng)前用于高壓電池的外殼主要由擠壓成型的鋼或鋁型材制成，整個(gè)外殼的尺寸，寬度超過(guò)1500 mm，長(zhǎng)度超過(guò)2000mm。”朗盛電動(dòng)動(dòng)力項(xiàng)目經(jīng)理Christopher Hoefs表示，“部件的尺寸、數(shù)量加上諸多的制造、裝配步驟，包括焊接、沖孔和鉚接等，使得金屬外殼的制造成本非常高，更不用說(shuō)非常重了。此外，還必須采用陰極鍍層來(lái)保護(hù)金屬部件免受腐蝕。而采用復(fù)合材料，我們可以充分利用其設(shè)計(jì)自由度，通過(guò)整合緊固件和熱管理部件來(lái)顯著減少組成電池殼的部件數(shù)量，這也簡(jiǎn)化了裝配和物流工作，同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本。此外，復(fù)合材料耐腐蝕，且非常輕，有助于延長(zhǎng)每次充電的續(xù)航里程。它們還具有電絕緣性，這降低了系統(tǒng)短路的風(fēng)險(xiǎn)。”

　　Hoefs補(bǔ)充道，今后，Kautex和朗盛將繼續(xù)通過(guò)虛擬方式對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以節(jié)省成本并縮短上市時(shí)間。同時(shí)，他們將利用研究成果來(lái)吸引正在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的OEMs，以將其成果整合到一輛真實(shí)的電池電動(dòng)汽車(chē)上進(jìn)行實(shí)測(cè)。

　　利安德巴塞爾工業(yè)公司

　　位于美國(guó)德克薩斯州休斯頓的利安德巴塞爾工業(yè)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴塞爾）號(hào)稱(chēng)是世界上最大的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)技術(shù)許可方，該公司還生產(chǎn)基礎(chǔ)化學(xué)品、單體、廣泛的熱塑性和熱固性聚合物以及燃料。此外，其工程復(fù)合材料部門(mén)還為全球客戶(hù)配制基于不飽和聚酯(UP)樹(shù)脂、乙烯基酯(VE)樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)的SMC和BMC，以及采用連續(xù)的和不連續(xù)的玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)材料的混合物。自2016起，該公司就為世界各地的商用電動(dòng)汽車(chē)電池殼項(xiàng)目提供了SMC材料。

　　“電池殼曾經(jīng)只是一個(gè)容器。”巴塞爾工程復(fù)合材料市場(chǎng)經(jīng)理Justin McClure說(shuō)道，“但電池殼正在成為汽車(chē)結(jié)構(gòu)的一部分，對(duì)熱管理的要求越來(lái)越嚴(yán)格，這讓我們看到了機(jī)遇，促使我們通過(guò)提供先進(jìn)材料來(lái)滿(mǎn)足這些日益嚴(yán)格的要求。”

　　他表示，對(duì)更高力學(xué)性能的要求，為共成型該公司的Forged Preg單、雙、三軸連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的混合SMC與其高強(qiáng)度的Premi-SMC和高溫Quantum-ESC SMC提供了機(jī)遇，以?xún)?yōu)化質(zhì)量和性能。“基于我們產(chǎn)品種類(lèi)的廣泛性，我們已為市場(chǎng)的這些變化作好了充分的準(zhǔn)備，這使我們能夠訂制剛度、強(qiáng)度、抗沖擊性、抗扭轉(zhuǎn)性或抗彎曲性、阻燃性、循環(huán)時(shí)間和質(zhì)量，并利用模壓成型的能力，在對(duì)模具進(jìn)行輕微改變或不改變的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)材料切換。”

　　他補(bǔ)充說(shuō)，模壓成型的其他好處還包括：能夠成型非常大的部件（大于113kg），通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)材料的類(lèi)型和上料方式（和注射成型一樣不需要移動(dòng)澆口）來(lái)優(yōu)化關(guān)鍵部位的纖維取向，能夠?qū)⑶都尚偷胶穸茸兓牟考校约翱梢赃x用多型腔模具來(lái)成型較小型的部件。與必須進(jìn)行加工、鍍層和裝配的由多個(gè)部件構(gòu)成的金屬?zèng)_壓件、鑄件和擠壓件相比，雖然SMC的初始成本較高，但每年近5萬(wàn)件的產(chǎn)量意味著模壓成型模具的成本較低，這使SMC具有成本優(yōu)勢(shì)。例如，與鋼沖壓件相比，按每年生產(chǎn)3萬(wàn)個(gè)部件計(jì)算，可節(jié)省35%的模具成本；按每年生產(chǎn)4萬(wàn)個(gè)部件計(jì)算，可節(jié)省20%的模具成本。

　　談及更高的抗熱失控性能，McClure補(bǔ)充道: “鑒于電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)面臨著全面測(cè)試熱失控的內(nèi)在挑戰(zhàn)，我們正在密切關(guān)注 UL正在開(kāi)發(fā)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以便利用縮小的電池結(jié)構(gòu)來(lái)篩選電池包外殼材料。我們嚴(yán)格遵守新的規(guī)定和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化我們的產(chǎn)品。每一項(xiàng)應(yīng)用都是不同的，可能在二次加工中需要使用不同的樹(shù)脂系統(tǒng)、添加劑套餐或涂層。”

　　電氣屏蔽也受到了巴賽爾的密切關(guān)注。“由于電動(dòng)汽車(chē)為實(shí)現(xiàn)ADAS安全功能和半自動(dòng)駕駛而整合了更多的傳感器和無(wú)線通信鏈接，我們預(yù)計(jì)，對(duì)具有特定電氣性能的外殼材料的需求將會(huì)增加，這有助于隔離干擾和消除靜電。我們可以訂制解決方案來(lái)滿(mǎn)足不斷變化的ESD、EMI和RFI要求。”

　　三菱化工

　　日本三菱化工集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)三菱化工）生產(chǎn)多種復(fù)合材料產(chǎn)品，包括丙烯腈和聚丙烯腈(PAN)碳纖維前驅(qū)體、碳纖維本身、碳纖維中間體、熱塑性和熱固性的半成品以及成型的部件。在熱塑性方面，該公司提供：可注射成型的短玻纖填充PP和超短碳纖維增強(qiáng)工程樹(shù)脂；由玻璃纖維或玄武巖纖維增強(qiáng)、可采用PP、PA6或PA6/6基體材料制成的模壓成型用GMT/有機(jī)片材；再生熱塑性塑料和采用新型干法浸漬技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。在熱固性方面，該公司生產(chǎn)基于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和混合纖維的單向(UD)帶、機(jī)織織物和采用多種樹(shù)脂基體的預(yù)浸料和預(yù)浸絲束，以及碳纖維增強(qiáng)SMC(CF-SMC)和成型性得到增強(qiáng)的分束(split-tow)CF-SMC。除了回收利用熱塑性塑料外，三菱化工還在歐洲和日本回收碳纖維，然后將它們碾碎、切碎和混合，或制成非織造布或面紗。該集團(tuán)的先進(jìn)復(fù)合材料成型部門(mén)生產(chǎn)用于高端汽車(chē)、賽車(chē)和航空工業(yè)的熱固性碳纖復(fù)合材料部件。此外，一個(gè)工程服務(wù)小組開(kāi)發(fā)熱塑性復(fù)合材料的材料卡，以用于像電池殼這類(lèi)應(yīng)用的模擬工作中。

　　在全球范圍內(nèi)，三菱化學(xué)的許多材料都在復(fù)合材料的電池殼上得到了應(yīng)用，包括其GMT和GMTex材料。這些電池殼被用在日本和歐洲的電動(dòng)汽車(chē)上，并被評(píng)定為“有助于保護(hù)電池模塊和乘員艙在撞擊中免受損壞”的電池防護(hù)板。

　　采用GMT和GMTex有機(jī)片材復(fù)合材料模壓成型的量產(chǎn)電池盒蓋的A、B面（圖片來(lái)自三菱化學(xué)先進(jìn)材料部門(mén)）

　　“我們正在采取多管齊下的措施來(lái)應(yīng)對(duì)這一應(yīng)用領(lǐng)域在性能和加工方面的挑戰(zhàn)。”三菱化學(xué)先進(jìn)材料部門(mén)工程項(xiàng)目經(jīng)理John Conn解釋道，“我們不僅要看材料的構(gòu)成和功能，還要優(yōu)先考慮面向制造的設(shè)計(jì)，以便利用我們的縱向一體化技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)上的挑戰(zhàn)，確保部件的可制造性，滿(mǎn)足成本和量產(chǎn)目標(biāo)要求。比如，我們使用添加劑來(lái)改善我們的熱塑性塑料和熱固性塑料產(chǎn)品的阻燃性，同時(shí)盡量減小厚度，以提供功能化的輕量化解決方案。我們利用我們?cè)诤娇疹I(lǐng)域積累的知識(shí)，通過(guò)對(duì)材料的不斷創(chuàng)新，來(lái)將優(yōu)化的工程和制造設(shè)計(jì)整合起來(lái)，形成高效的工業(yè)化解決方案，以此滿(mǎn)足并超越電動(dòng)汽車(chē)不斷變化的應(yīng)用需求。”他表示，材料供應(yīng)商有責(zé)任開(kāi)發(fā)具有成本效益的材料解決方案，增加OEMs 的附加價(jià)值。

　　該公司采取多管齊下措施的一個(gè)例子是開(kāi)發(fā)能夠承受熱失控的材料。“在熱失控事故中，電池盒蓋是保護(hù)乘員的關(guān)鍵部件。”Conn說(shuō)道，“電池殼必須保持高的結(jié)構(gòu)性能，能抵抗沖擊載荷，防止可能引發(fā)熱失控事故的電池?fù)p壞。如果出現(xiàn)熱失控事故，電池盒蓋必須能夠抵抗高溫（通常超過(guò)800℃）以及電池降解產(chǎn)生的粒子和動(dòng)能。為抵御熱失控，我們不僅表征了我們現(xiàn)有的所有材料，還在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的多功能材料，比如一種用于電池殼的新型阻燃熱塑性復(fù)合材料，它暴露在1000℃的火焰中可以超過(guò)5min。”

　　該公司還開(kāi)發(fā)了一種訂制的材料篩選測(cè)試方法，能夠在一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置中復(fù)制熱失控期間的溫度和能量，從而避免了因使用實(shí)際的電動(dòng)汽車(chē)電池進(jìn)行測(cè)試所帶來(lái)的高成本和復(fù)雜性。“這使我們對(duì)新材料的篩選變得更加快速、切實(shí)可行且成本更低。”Conn 表示，幾家OEMs正在考慮使用這種測(cè)試方法。

　　隨著人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展的日益重視，該公司表示，其已作好準(zhǔn)備，能夠以相似的價(jià)格，在滿(mǎn)足性能要求的同時(shí)，滿(mǎn)足人們對(duì)更環(huán)保材料日益增長(zhǎng)的需求。“目前，我們正在探索將生物基熱固性樹(shù)脂系統(tǒng)用于我們的玻纖和碳纖增強(qiáng)的預(yù)浸料中。而且，我們經(jīng)驗(yàn)豐富的熱塑性塑料回收業(yè)務(wù)部門(mén)能與一些公司合作，采用最好的方法來(lái)回收他們?cè)谒芰仙a(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物。”Conn解釋道，“這項(xiàng)業(yè)務(wù)通過(guò)定期回收、清洗、升級(jí)和轉(zhuǎn)售各種含氟聚合物以及聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺和聚烯烴而節(jié)省了寶貴的資源。此外，我們的碳纖維回收業(yè)務(wù)提供了可訂制再生碳纖維增強(qiáng)中間體和半成品的廣泛的產(chǎn)品組合，這些努力得到了我們回收碳纖維增強(qiáng)生產(chǎn)廢料和報(bào)廢部件這項(xiàng)服務(wù)業(yè)務(wù)的支持，幫助我們以工業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，減少排放，從而創(chuàng)造一個(gè)更清潔、更可持續(xù)的未來(lái)。”

　　SABIC

　　SABIC活躍于石油化工、化學(xué)、聚合物、化肥和金屬等領(lǐng)域，其特種業(yè)務(wù)部門(mén)生產(chǎn)純凈的、短纖維增強(qiáng)的和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料，以及耐高溫的工程熱塑性塑料合金和配混物，其中許多被用于開(kāi)發(fā)單向玻纖或碳纖增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料帶材以及其他類(lèi)型的復(fù)合材料。該集團(tuán)還生產(chǎn)熱固性聚合物和添加劑，其石油化工業(yè)務(wù)部門(mén)專(zhuān)門(mén)從事短纖維和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚丙烯、聚碳酸酯、苯乙烯、熱塑性聚酯及共混物/合金的生產(chǎn)。

　　SABIC的特種業(yè)務(wù)部門(mén)表示，其N(xiāo)oryl改性聚苯醚(MPPE)被用于混合電動(dòng)汽車(chē)的電池盒蓋已有一段時(shí)間。為滿(mǎn)足電池電動(dòng)汽車(chē)更加嚴(yán)格的要求，該公司開(kāi)發(fā)了Noryl和LNP特種配混料中的幾種新材料。Noryl GTX MPPE/PA據(jù)說(shuō)可以承受電泳涂裝(e-coat)，還能提供-30℃的低溫抗沖擊性能，經(jīng)常被用于塑料/金屬的混合結(jié)構(gòu)之中。Noryl SA 低分子量雙官能團(tuán)低聚物用作環(huán)氧樹(shù)脂和氰酸酯基熱固性樹(shù)脂的添加劑，能降低介電常數(shù)(Dk)和損耗因數(shù)，以便在更高頻率的應(yīng)用中提供更好的性能。新的LNP配混料使用了30種基礎(chǔ)樹(shù)脂和超過(guò)200種填料的組合包，可以實(shí)現(xiàn)特定的效果，包括：LNP Konduit，具有無(wú)鹵阻燃和低Dk/散逸因數(shù)(Df)特性，為電池保持架和電池盒蓋提供了射頻(RF)信號(hào)透明度；LNP Faradex配混料，使用金屬纖維來(lái)滿(mǎn)足電磁屏蔽要求；LNP Stat-Kon則是為吸收電磁波而配制的配混料。

　　SABIC的石化業(yè)務(wù)部門(mén)表示，其材料也在許多混合電動(dòng)汽車(chē)和電池電動(dòng)汽車(chē)的電池殼上得到了應(yīng)用。該公司提供的高阻燃短玻纖增強(qiáng)PP 樹(shù)脂被用于本田汽車(chē)公司向中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的一款混合電動(dòng)汽車(chē)的電池盒蓋上。這款電池盒蓋于2021年年底首次亮相，是行業(yè)中最大的電池盒蓋之一。暴露在火焰中時(shí)，其所使用的無(wú)鹵阻燃PP配混料會(huì)形成膨脹的焦炭，燒焦行為會(huì)導(dǎo)致自熄。這是第一個(gè)通過(guò)了新的中國(guó)GB 18384-2020規(guī)范要求的電池盒蓋，與金屬電池殼相比，這種注射成型的熱塑性塑料電池殼實(shí)現(xiàn)了40%的減重，同時(shí)，功能集成簡(jiǎn)化了裝配，降低了成本。該部件報(bào)廢后完全可回收。

這款1.6m×1.4m的電池盒蓋用于在中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的一款本田混合電動(dòng)汽車(chē)上，是行業(yè)中最大的電池盒蓋之一，據(jù)說(shuō)是第一個(gè)通過(guò)了嚴(yán)格的中國(guó)GB 18384-2020阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求且沒(méi)有損失抗沖擊強(qiáng)度的聚合物電池殼。含有膨脹型阻燃劑套餐組合的短玻纖PP配混料為提供高的力學(xué)性能和制造性能而得到了優(yōu)化。該部件曾入圍2021 SPE汽車(chē)創(chuàng)新獎(jiǎng)底盤(pán)/硬件類(lèi)競(jìng)賽決賽圈，并獲得了2022 Silver Edison獎(jiǎng)的熱力學(xué)類(lèi)別的獎(jiǎng)項(xiàng)（上圖來(lái)自SPE汽車(chē)部門(mén)，下圖來(lái)自SABIC）

　　“我們看到，隨著價(jià)值鏈加強(qiáng)了在電動(dòng)汽車(chē)電池包及其單個(gè)部件設(shè)計(jì)上的合作，材料的混合也在發(fā)生變化。”SABIC汽車(chē)聚合物市場(chǎng)高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理Dhanendra Nagwanshi解釋道，“阻燃熱塑性塑料有可能在混合物中占有更大的比重，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┚薮蟮膬?yōu)勢(shì)，包括固有的耐熱性、電絕緣性、膨脹性、輕量化以及有助于降低成本的部件整合和部件取消潛力。此外，它們可回收再利用，并能通過(guò)減重而減少對(duì)環(huán)境的影響?？傊?，熱塑性塑料在電池應(yīng)用領(lǐng)域的前途是光明的。”

　　Nagwanshi的團(tuán)隊(duì)正在研究的一個(gè)領(lǐng)域涉及到電池托盤(pán)。“電池托盤(pán)因其重量、復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)要求而更具挑戰(zhàn)性。”Nagwanshi繼續(xù)說(shuō)道，“我們做了拆解可行性研究，發(fā)現(xiàn)采用混合系統(tǒng)帶來(lái)的好處是減輕了60kg的重量，降低了50%的成本，而且冷卻通道被集成到電池托盤(pán)中，不僅優(yōu)化了冷卻，還優(yōu)化了可用的安裝空間。熱塑性復(fù)合材料不僅能顯著減輕重量，提高阻燃性和熱效率，還減少了電氣短路和高壓沖擊的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到可能會(huì)有尖銳物體刺穿托盤(pán)底部，使電解質(zhì)溢出并可能引發(fā)火災(zāi)，我們?cè)u(píng)估了不同的肋、纖維和阻燃劑的組合，甚至研究了與金屬結(jié)合的混合系統(tǒng)，以為托盤(pán)提供保護(hù)。”

　　索爾維

　　位于比利時(shí)Brussels的索爾維公司生產(chǎn)樹(shù)脂和聚合物、結(jié)構(gòu)粘合劑和表面處理產(chǎn)品、熱固性和熱塑性復(fù)合材料、碳纖維、復(fù)合材料模具及輔助材料，該公司提供用于電池殼的環(huán)氧玻纖及環(huán)氧碳纖阻燃預(yù)浸料已有十多年。

　　最近，索爾維與英國(guó)的汽車(chē)設(shè)計(jì)和工程咨詢(xún)公司Ricardo Plc合作，完成了一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)和仿真項(xiàng)目，該項(xiàng)目以Ricardo Plc制成的一個(gè)符合全球標(biāo)準(zhǔn)的采用金屬外殼的電池模塊為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種多材料的阻燃復(fù)合材料電池盒蓋和電池托盤(pán)。這二者的主結(jié)構(gòu)都可以采用由高面重的玻纖織物增強(qiáng)以及局部由單向碳纖維帶加強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂或聚苯硫醚（PPS）來(lái)制造。除了展示復(fù)合材料帶來(lái)的輕量化機(jī)遇外，該團(tuán)隊(duì)還想要解決在乘用車(chē)中安裝大的電池模塊的容積效率問(wèn)題。

　　“市場(chǎng)對(duì)復(fù)合材料的認(rèn)知普遍集中在輕量化上，這一點(diǎn)固然很重要，但并非是使用復(fù)合材料的唯一原因。”索爾維特種聚合物、熱塑性復(fù)合材料、交通運(yùn)輸市場(chǎng)經(jīng)理Mark Wright表示，“在此項(xiàng)目中，我們不僅要揭示制造商面臨的痛點(diǎn)問(wèn)題，還要揭示大量使用復(fù)合材料能給電池殼的設(shè)計(jì)和性能帶來(lái)哪些好處。我們回歸首要設(shè)計(jì)原則，重點(diǎn)研究了如何利用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自由度和部件整合能力來(lái)提高電池殼內(nèi)部X、Y和Z方向的容量，以解決眾所周知的金屬成形在形狀和厚度方面的局限性問(wèn)題。我們還考慮了規(guī)避模具成本和環(huán)境要求方面的問(wèn)題。”

　　以Ricardo Plc開(kāi)發(fā)的全金屬電池殼的系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，索爾維的多材料熱塑性復(fù)合材料電池殼主要為高檔汽車(chē)和中、低產(chǎn)量的汽車(chē)而開(kāi)發(fā)。該公司依據(jù)關(guān)鍵的力學(xué)性能要求，對(duì)虛擬設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估, 包括模態(tài)剛度分析和中國(guó)的擠壓測(cè)試等（圖片來(lái)自索爾維）

　　基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果顯示，與金屬設(shè)計(jì)相比，由于部件整合和更大的設(shè)計(jì)自由度，使得復(fù)合材料電池殼的體積減小了18%，其中45%來(lái)自高度的減小。這帶來(lái)的好處是，可以為安裝更多的電池單元騰出空間，從而延長(zhǎng)續(xù)航里程，或者增加汽車(chē)內(nèi)部的空間，改善乘坐的舒適性。總體上，質(zhì)量減輕了53%，減重達(dá)75kg，組件數(shù)量從22減至2個(gè)，極大地簡(jiǎn)化了組裝，減少了所需的密封件數(shù)量。此外，復(fù)合材料的電池盒蓋不會(huì)腐蝕，并能提供熱管理優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正從虛擬原型轉(zhuǎn)向原型的物理測(cè)試，包括力學(xué)性能、熱失控、防火保護(hù)、熱管理和EMI屏蔽等方面的測(cè)試。

　　與該設(shè)計(jì)項(xiàng)目同步，索爾維還在針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)而開(kāi)展一項(xiàng)雄心勃勃的材料表征研究，這項(xiàng)研究被認(rèn)為是在熱固性與熱塑性原料之間的不可知論。該公司正在評(píng)估阻燃、擁有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的熱固性塑料（環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和BMI）及熱塑性塑料(PPS、PEEK和PEKK)，看看哪種組合最適合不同車(chē)輛類(lèi)別及先進(jìn)的空中機(jī)動(dòng)(AAM)飛機(jī)上使用的特定電池組件。所評(píng)估的這些材料由多種纖維結(jié)構(gòu)形式的玻纖或碳纖進(jìn)行增強(qiáng)，均來(lái)自其自己的產(chǎn)品組合。這些材料經(jīng)受了高結(jié)構(gòu)載荷測(cè)試、擠壓測(cè)試、側(cè)面碰撞測(cè)試、侵入測(cè)試、模態(tài)剛度測(cè)試、阻燃測(cè)試以及熱失控和熱擴(kuò)散測(cè)試等。

　　“我們的想法是觀察這些材料在不同環(huán)境中的表現(xiàn)，特別是在以下3個(gè)重要方面的表現(xiàn)：防火保護(hù)、熱失控防護(hù)和EMI 屏蔽。”Wright補(bǔ)充道，“我們?cè)诳紤]短纖維、長(zhǎng)纖維和連續(xù)纖維的選項(xiàng)，并試圖用我們的材料表征方法來(lái)覆蓋所有的基材。”他表示，索爾維是電池化學(xué)原料以及在電池與電池殼之間所用材料的主要供應(yīng)商，所以目前的研究很可能具有更廣泛的意義。“熱固性塑料在短期內(nèi)更容易實(shí)施，但熱塑性塑料支持高產(chǎn)制造。”他接著說(shuō)道。

　　Westlake Epoxy

　　2022年早些時(shí)候，美國(guó)Westlake Chemical公司收購(gòu)了美國(guó)Hexion 公司的環(huán)氧樹(shù)脂業(yè)務(wù)。現(xiàn)在被命名為Westlake Epoxy的公司，是為風(fēng)能、汽車(chē)等行業(yè)提供特種涂料和復(fù)合材料的全球領(lǐng)先生產(chǎn)商。其環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂系統(tǒng)被用于成型復(fù)合材料的電池盒蓋、電池托盤(pán)和其他電池屏障部件，這些部件被用于在北美和歐洲銷(xiāo)售的多種商用電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)上。到2023年，Westlake將實(shí)施5個(gè)以上的高產(chǎn)量項(xiàng)目。

　　“我們的Epikote環(huán)氧樹(shù)脂和Epikure固化劑適用于LCM和HP-RTM工藝，Epokote/Epikure 06150和Epokote/Epikure 06170系統(tǒng)專(zhuān)為大幅面連續(xù)纖維復(fù)合材料部件如電池盒蓋和電池托盤(pán)的大批量生產(chǎn)而量身訂制。”Westlake Epoxy北美汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Stephen Greydanus解釋道，“我們還生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)先的酚醛樹(shù)脂，尤其是我們的Eponol 06921/Epikure 06931/06941系統(tǒng)，提供了獨(dú)特的阻燃性，并與廣泛的增強(qiáng)材料類(lèi)型和工藝相兼容，如LCM和模壓成型的SMC。”

　　該公司認(rèn)為，隨著汽車(chē)制造商尋找能夠滿(mǎn)足熱失控要求的材料，酚醛樹(shù)脂會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。Westlake 還在考慮將這種聚合物系統(tǒng)用于電池包內(nèi)部和周?chē)钠琳虾透綦x系統(tǒng)。

　　Westlake玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料正在經(jīng)受1200℃的火焰測(cè)試，經(jīng)過(guò)8分鐘36秒的測(cè)試后，沒(méi)有被燒穿（圖片來(lái)自Westlake Epoxy）

　　“汽車(chē)行業(yè)人士都很熟悉FMVSS 302（美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)302，測(cè)試內(nèi)部材料的可燃性）和UL 94 V-0 （保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室94 V-0垂直燃燒試驗(yàn)）標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在大多數(shù)都沒(méi)有能在極短溫度和其他熱失控條件下保持完好的金屬或聚合物材料的工具箱。”Greydanus 繼續(xù)說(shuō)道，“因此，現(xiàn)在OEMs 和供應(yīng)商們正在新的測(cè)試條件下評(píng)估新的材料，以為可行的材料建立工具箱。然而，正如航空工業(yè)幾十年來(lái)所了解的，在聚合物材料范圍內(nèi)，酚醛樹(shù)脂有自己獨(dú)特的火焰、煙霧和毒性(FST)性能。”他補(bǔ)充說(shuō)，該公司新的超低甲醛Eponol 06921酚醛樹(shù)脂，結(jié)合Epikure 06931和Epikure 06941催化劑，允許采用一系列的生產(chǎn)工藝高速生產(chǎn)阻燃復(fù)合材料，包括模壓成型的SMC和LCM工藝。基于熱保護(hù)性能，該系統(tǒng)正在一個(gè)高速項(xiàng)目中被用于制造商用電動(dòng)汽車(chē)的電池殼組件。此外，該公司的Epokote 06710/Epikure 06170環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)正被用于采用LCM工藝制造大幅面的結(jié)構(gòu)電池托盤(pán)。

　　“作為樹(shù)脂供應(yīng)商，Westlake Epoxy 配制了最新一代的酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)，適用于SMC、LCM、HP-RTM、拉擠成型和其他生產(chǎn)工藝，能夠采用多材料的電池殼設(shè)計(jì)，覆蓋熱固性復(fù)合材料的許多應(yīng)用領(lǐng)域。”Greydanus總結(jié)道。

　　新能源復(fù)合材料電池（PACK)箱體企業(yè)匯總

　　一、引言

　　近年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。降低車(chē)身重量能有效提升電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，電池包系統(tǒng)的重量一般占電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量的17%～29%,其中箱體是電池包中除電芯外最重的結(jié)構(gòu)。

　　二、背景

　　隨著社會(huì)發(fā)展，全球汽車(chē)發(fā)展迅速，世界前十汽車(chē)保有量如下。

　　世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告指出,汽車(chē)質(zhì)量每減少10%,油耗可降低6%~8%。大眾汽車(chē)公司的研究成果認(rèn)為,汽車(chē)質(zhì)量每減輕100kg,每百公里可節(jié)省燃油0.3~0.5L,每百公里CO2排放可減少8~11g。盡管說(shuō)法不一,但都表明汽車(chē)輕量化對(duì)車(chē)輛節(jié)省燃油有直接影響。

　　圖1 電動(dòng)汽車(chē)輕量化對(duì)百公里能耗的影響

　　電池包作為純電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其質(zhì)量（包括電池組）一般約占整車(chē)質(zhì)量的30%～40%。對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)而言，整車(chē)質(zhì)量下降10%，可減少5.5%的電能損耗，同時(shí)增加5.5%的續(xù)駛里程。

　　三、電池包的要求

　　電池包服役過(guò)程中需承受來(lái)自地面的各種沖擊載荷，箱體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及安全性等均會(huì)對(duì)電池包性能產(chǎn)生影響。包括動(dòng)態(tài)沖擊和靜態(tài)承受力情況。所以要求電池包材料有較好的強(qiáng)度和韌性，有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。

　　四、應(yīng)用分析

　　碳纖維增強(qiáng)尼龍是金屬的理想替代品，由于結(jié)合了尼龍的輕質(zhì)和碳纖維的機(jī)械強(qiáng)度和熱性能，碳纖維復(fù)合尼龍材料的強(qiáng)度與剛度顯著提高，其機(jī)械強(qiáng)度甚至超過(guò)了3D打印的PEEK和PEKK，在汽車(chē)工業(yè)中從車(chē)輛固定架和儀表等內(nèi)外部組件到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體均可以替代金屬部件。

　　不同纖維含量的PA66CF力學(xué)性能

　　PA66CF材料應(yīng)用于電池箱箱體研究，并與傳統(tǒng)金屬箱體在顛簸路面急停和急轉(zhuǎn)彎工況下進(jìn)行了對(duì)比分析。某款電動(dòng)公交車(chē)用電池箱模型各部件如圖所示，電池箱主體為1010 mm×585 mm×285 mm的類(lèi)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。在Abaqus中對(duì)電池箱上下箱體、電芯與內(nèi)部支架、下箱體與內(nèi)部支架、下箱體與托架、上箱體與墊條連接處建立Tie連接，在兩塊電芯、電芯與箱體、電芯與墊條之間建立surface-surface接觸。

　　電池箱網(wǎng)格模型

　　顛簸路面急停工況分析

　　金屬、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30電池箱在顛簸路面急停工況下計(jì)算得到的位移云圖。金屬電池箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在托架螺栓孔位置，PA66電池箱、PA66CF10電池箱、PA66CF20電池箱、PA66CF30電池箱最大應(yīng)力都出現(xiàn)在托架螺栓孔位置和內(nèi)部中間支架與電池箱連接位置。PA66電池箱體最大應(yīng)力為24.5 MPa, PA66CF10電池箱體最大應(yīng)力為25.9 MPa, PA66CF20電池箱體最大應(yīng)力為29.5 MPa, PA66CF30電池箱體最大應(yīng)力為31.7 MPa, 均未超過(guò)材料強(qiáng)度。

　　顛簸路面急停工況電池箱仿真結(jié)果

　　顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況分析

　　金屬、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30電池箱在顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況計(jì)算得到的位移云圖如下。金屬電池箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在托架螺栓孔位置，PA66電池箱、PA66CF10電池箱、PA66CF20電池箱、PA66CF30電池箱最大應(yīng)力都出現(xiàn)在托架螺栓孔位置和內(nèi)部中間支架與電池箱連接位置。PA66電池箱體最大應(yīng)力為44.1 MPa, PA66箱體最大應(yīng)力為23.8MPa, PA66CF10箱體最大應(yīng)力為25.6MPa, PA66CF20箱體最大應(yīng)力為26.8MPa, PA66CF30箱體最大應(yīng)力為29.4MPa, 均未超過(guò)材料強(qiáng)度。

　　位移方面，基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出，電池系統(tǒng)靜態(tài)分析在Y向3 g加速度工況下，要求最大變形量不超過(guò)3mm, PA66CF各含量電池箱在典型工況下位移均滿(mǎn)足要求。

　　應(yīng)力方面，PA66電池包系統(tǒng)在箱體減重85.5%的基礎(chǔ)上，最大應(yīng)力增加了26.6%和26.4%,箱體最大應(yīng)力減小了54.8%和46.0%.

　　顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況電池箱仿真結(jié)果如圖:

　　綜上所述，和金屬箱體相比，PA66CF材料箱體質(zhì)量減輕84%的同時(shí)，在顛簸路面急停和急轉(zhuǎn)彎工況下，箱體最大應(yīng)力減小了30%～50%;同時(shí)在上述工況下，碳纖維含量的增加能顯著減小箱體最大位移，對(duì)系統(tǒng)最大應(yīng)力和箱體最大應(yīng)力影響較小，隨著碳纖維含量的增加，PA66CF電池箱箱體最大位移和系統(tǒng)最大應(yīng)力逐漸減小，箱體最大應(yīng)力逐漸增大。

　　五、結(jié)論分析

　　不同纖維含量的PA66CF力學(xué)性能，結(jié)果材料性能都在實(shí)驗(yàn)條件下的承受極限之上。

　　和金屬箱體相比，PA66CF材料箱體質(zhì)量減輕84%的同時(shí)，在顛簸路面急停和急轉(zhuǎn)彎工況下，箱體最大應(yīng)力減小了30%～50%。

　　在顛簸路面急停和急轉(zhuǎn)彎工況下，碳纖維含量的增加能顯著減小箱體最大位移，對(duì)系統(tǒng)最大應(yīng)力和箱體最大應(yīng)力影響較小。

　　六、應(yīng)用案例

　　蘇州挪恩復(fù)合材料公司專(zhuān)注碳纖維箱體結(jié)構(gòu)，不僅具備設(shè)計(jì)生產(chǎn)多種碳纖維箱體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，還為某軍工單位研發(fā)生產(chǎn)具備電磁屏蔽功能的設(shè)計(jì)機(jī)箱，在碳纖維箱體結(jié)構(gòu)方面實(shí)力雄厚。

　　(1)以挪恩復(fù)材為某知名汽車(chē)廠商定制的某款碳纖維動(dòng)力電池箱部件為例，該款碳纖維復(fù)合材料動(dòng)力電池箱體的重量?jī)H為3kg，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料制作的電池箱體相比大約能減重60％，在強(qiáng)度和荷載力上同樣能達(dá)到相關(guān)的技術(shù)要求，更重要的是，因?yàn)檐?chē)體下方的運(yùn)行環(huán)境惡劣，該款碳纖維電池箱體展現(xiàn)出的抗腐蝕、防水、阻燃、使用壽命長(zhǎng)等性能可以很好地應(yīng)對(duì)和解決這些問(wèn)題。

　　新能源汽車(chē)動(dòng)力電池包殼體材料SMC，吉利，長(zhǎng)安，廣汽，傳祺等都在用。

　　(2)帝豪EV450電池箱體上蓋采用的是先進(jìn)的SMC復(fù)合材料，SMC復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)樗谋葟?qiáng)度是鋼材的4倍，同時(shí)重量還輕，并且更加耐腐蝕、防水，更適合作為替代材質(zhì)。

　　(3)前途汽車(chē)K50每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池箱由60個(gè)電芯組成，電池箱采用高強(qiáng)度SMC復(fù)合材質(zhì)，較金屬材質(zhì)減重15%。

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　　電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)為長(zhǎng)纖維復(fù)材帶來(lái)哪些新機(jī)遇？

　　長(zhǎng)纖維熱塑性塑料（LFT）長(zhǎng)期以來(lái)一直用于汽車(chē)工業(yè)，特別是基于聚丙烯（PP材質(zhì)）的產(chǎn)品，它們具有重量輕、強(qiáng)度高和設(shè)計(jì)自由的特點(diǎn)，可以在某些結(jié)構(gòu)應(yīng)用中取代金屬。

　　電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展加速了人們對(duì)輕量化的興趣。汽車(chē)制造商希望減輕重量以擴(kuò)大續(xù)航里程，因此正在重新考慮一些熟悉部件的材料選擇——前端、天窗框架等。然而，電動(dòng)動(dòng)力總成對(duì)車(chē)輛設(shè)計(jì)的影響也帶來(lái)了新的零部件機(jī)會(huì)。

　　塞拉尼斯公司（Celanese）是LFT材料領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一，擁有Celstran和Compel產(chǎn)品線。根據(jù)Celanese德國(guó)汽車(chē)OEM現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)工程師Olaf Herd的說(shuō)法，出于輕量化和碳足跡的原因，LFT材料在應(yīng)用于汽車(chē)外部和內(nèi)部部件方面都有潛力。

　　他表示，聚丙烯（PP）基化合物通常被考慮用于與碰撞相關(guān)的應(yīng)用，如前端，以及尾門(mén)和座椅等結(jié)構(gòu)部件，這些部件的機(jī)械和尺寸性能必須與良好的外觀、低氣味和低排放相結(jié)合?；诰埘０罚≒A，尼龍）的LFT則通常被認(rèn)為是需要更好的耐熱性的高應(yīng)力功能部件。

　　在一些項(xiàng)目中，成本可能是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楸仨殰?zhǔn)備好LFT注塑工藝和工具來(lái)處理高度增強(qiáng)的模塑化合物。此外，在考慮使用LFT材料時(shí)，說(shuō)服工程團(tuán)隊(duì)使用正確的材料數(shù)據(jù)卡也會(huì)有困難，然而，這對(duì)于確保在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)進(jìn)行正確的模擬和分析工作很重要。

　　然而，隨著OEM和一級(jí)供應(yīng)商對(duì)LFT材料的使用越熟悉，也就越有信心。

　　LFT材料的性能也在持續(xù)改進(jìn)。高性能碳纖維增強(qiáng)PA基質(zhì)樹(shù)脂復(fù)合材料已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但Herd認(rèn)為人們有興趣將鋼纖維納入LFT材料中，以提供固有的EMI屏蔽，并利用天然纖維和回收材料來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。由于汽車(chē)內(nèi)飾對(duì)TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）和氣味規(guī)格要求很高，后兩者在汽車(chē)內(nèi)飾應(yīng)用中都具有相當(dāng)大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)性。

　　看到機(jī)會(huì)

　　汽車(chē)行業(yè)的潛在機(jī)遇對(duì)Teknor Apex公司來(lái)說(shuō)非常有吸引力，公司計(jì)劃進(jìn)軍LFT領(lǐng)域。該公司表示：“對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的金屬替代機(jī)會(huì)是引擎蓋下的部件，而LFT通常不太適合。隨著電動(dòng)汽車(chē)占據(jù)越來(lái)越多的市場(chǎng)空間，汽車(chē)的重量分布也發(fā)生了巨大變化。這不可避免地導(dǎo)致原始設(shè)備制造商將重點(diǎn)放在更大的零件上，這些部件需要提高沖擊韌性以及高剛性和剛度。這就是LFT在未來(lái)發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。”

　　該公司將在今年晚些時(shí)候推出其首款LFT產(chǎn)品。Teknor Apex公司表示：“標(biāo)準(zhǔn)聚丙烯和聚酰胺基LFT化合物的目標(biāo)是在今年內(nèi)推出。在不久的將來(lái)，我們希望通過(guò)可持續(xù)聚合物、部分芳香族聚酰胺和阻燃LFT等級(jí)，繼續(xù)擴(kuò)大特種LFT產(chǎn)品的組合。我們還看到了LFT等級(jí)與我們市場(chǎng)領(lǐng)先的交聯(lián)技術(shù)和2K成型等相結(jié)合的有趣機(jī)會(huì)。”

　　與此同時(shí)，從運(yùn)動(dòng)休閑到工業(yè)零部件，主要的非汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)更輕、成本更低、性能更高、更可持續(xù)的零部件的需求正在增長(zhǎng)。這些應(yīng)用中許多都需要更高性能的基質(zhì)樹(shù)脂，這些樹(shù)脂具有針對(duì)性的利基特性，這是Lehmann & Voss 公司LFT業(yè)務(wù)幾十年來(lái)的一部分。

　　“我們已經(jīng)生產(chǎn)LFT近30年了。”該公司營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Thomas Collet說(shuō)，“它始于非常特殊的利基應(yīng)用。我們生產(chǎn)的第一批產(chǎn)品已經(jīng)用潤(rùn)滑劑進(jìn)行了改性，用于摩擦基體材料。”

　　Collet表示，公司許多年前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用LFT制造摩擦優(yōu)化的部件具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渌邆涞臋C(jī)械強(qiáng)度，特別是在高溫下，對(duì)于提高性能非常重要。

　　Collet說(shuō)：“從那時(shí)起，我們開(kāi)始尋找其他特殊的改性材料，如非常高的抗沖擊性。LFT具有非常好的抗沖擊性能，但我們?nèi)匀粚?duì)其進(jìn)行改性，以進(jìn)一步提高抗沖擊性”。他引用了該公司去年在K展會(huì)上展示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴手柄的例子，標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)纖維聚酰胺還不能符合這種性能要求。

　　雖然這種小眾材料是為了高性能而設(shè)計(jì)的，但這并不意味著它們一定是昂貴的選擇。Collet說(shuō)：“在許多情況下，高性能意味著只比現(xiàn)有的性能多一點(diǎn)，但不會(huì)超出您的需求。使塑料在更多應(yīng)用中成為可能——這是我們利用復(fù)合材料的目的，對(duì)于我們的LFT產(chǎn)品也是如此。”

　　汽車(chē)是傳統(tǒng)聚丙烯（PP）基LFT的主要應(yīng)用市場(chǎng)，但是，Lehmann & Voss公司并沒(méi)有把汽車(chē)作為其主要目標(biāo)市場(chǎng)，盡管公司也擁有汽車(chē)LFT方面的產(chǎn)品。

　　Collet 表示：“我們感興趣的性能領(lǐng)域包括聚酰胺 12、66 等，還有生物基材料。在高性能聚合物方面還會(huì)有更多的研究，這些材料將會(huì)更小眾，但非常有趣。PPA和高溫聚合物是我們的興趣所在。”

　　Collet認(rèn)為，Lehmann & Voss等復(fù)合材料公司由于其規(guī)模和靈活性，在專(zhuān)業(yè)LFT領(lǐng)域處于良好的發(fā)展地位。此外，專(zhuān)業(yè)復(fù)合材料制造商還擁有市場(chǎng)知識(shí)，了解LFT將在哪些方面能為客戶(hù)帶來(lái)改變。公司最終用戶(hù)的多樣性強(qiáng)化了這一洞察力。“我們?cè)谧孕熊?chē)上應(yīng)用了聚酰胺410，自行車(chē)領(lǐng)域?qū)ξ覀儊?lái)說(shuō)是一個(gè)非常有趣的LFT市場(chǎng)。”Collet列舉了其在工業(yè)、體育和休閑等多種市場(chǎng)的應(yīng)用，在這些市場(chǎng)上，公司為滑雪板和自行車(chē)部件提供材料。“隨著消費(fèi)者對(duì)碳足跡越來(lái)越敏感，未來(lái)，復(fù)合材料制造領(lǐng)域的每個(gè)人都必須開(kāi)發(fā)碳足跡數(shù)據(jù)，這就是我們已經(jīng)在做的。”

　　金屬替代

　　另一家在LFT材料領(lǐng)域取得進(jìn)展的專(zhuān)業(yè)復(fù)合商是Feddersen集團(tuán)公司旗下的Akro-Plastic公司。“LFT化合物具有優(yōu)異的機(jī)械性能，因此非常適合金屬替代和輕量化，從而降低碳足跡。”該公司全球銷(xiāo)售總監(jiān)兼創(chuàng)新總監(jiān)Thilo Stier說(shuō)，“他們非常符合市場(chǎng)需求。”

　　Stier表示，汽車(chē)、運(yùn)輸和工業(yè)是該公司最感興趣的市場(chǎng)，減重是主要驅(qū)動(dòng)力。“與具有短纖維的相同配方相比，極高的機(jī)械性能變得更好。例如，能量撞擊吸收的影響要高出兩到三倍。”

　　雖然LFT仍然是一種比短纖維化合物更昂貴的材料選擇，但他表示，極大的性能提升和可持續(xù)性相結(jié)合，會(huì)對(duì)許多最終用戶(hù)具有吸引力。他重點(diǎn)介紹了基于生物可再生聚丙烯的可持續(xù)配方，以及高性能共混物，如該公司的聚酰胺/聚丙烯共混物L(fēng)FT，旨在提供PA型性能，并顯著降低碳足跡。

　　Stier還將其在LFT中的IP視為差異化因素。“我們最大的優(yōu)勢(shì)是與我們的姊妹公司Feddem共同開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)線。這使我們能夠提供更為廣泛的特種LFT產(chǎn)品。PP/玻璃纖維目前主導(dǎo)著LFT市場(chǎng)。而我們的主要市場(chǎng)是尼龍、PPA 和混合系統(tǒng)。”他說(shuō)。

　　在去年年底的德國(guó)K展會(huì)上，Akro Plastic展示了一個(gè)用于固定2公斤重的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力裝置的支架。該零件采用Akromid Lite PA6/PP LFT成型，由40%的玻璃纖維增強(qiáng)，比以前的鋁部件減輕了40%的重量，比基于PA6的LFT級(jí)別減輕了8%。

　　在可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，該公司展示了由Akrolen Next PP LFT制作的KTM FE 350 2022摩托車(chē)的座椅底座。這一材料由10%的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)，使用基于廢油殘?jiān)目稍偕鶳P生產(chǎn)，據(jù)說(shuō)碳足跡為負(fù)的二氧化碳當(dāng)量。

　　為Ziehl Abegg開(kāi)發(fā)的風(fēng)扇輪使用了40%玻璃增強(qiáng)的可再生PP LFT，其二氧化碳排放量相當(dāng)于0.5kg，是石化產(chǎn)品的三分之一。

　　監(jiān)督生產(chǎn)

　　除了向Feddersen集團(tuán)的姐妹公司Akro-Plastic提供LFT生產(chǎn)技術(shù)外，復(fù)合機(jī)械制造商Feddem還為其他復(fù)合公司提供生產(chǎn)線。據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Klaus Hojer表示，該公司目前看到既有LFT制造商希望補(bǔ)充或更新其設(shè)備，也有潛在的新參與者考慮在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多元化。

　　Hojer說(shuō)，LFTs在滿(mǎn)足當(dāng)今的兩個(gè)關(guān)鍵需求——輕量化和可持續(xù)性方面還有很長(zhǎng)的路要走。他說(shuō)：“與短纖維材料相比，由于其強(qiáng)度的提高，LFT化合物可以在注塑件中降低壁厚，或者通過(guò)減少化合物中的纖維含量來(lái)減少較輕的部件，而不會(huì)犧牲強(qiáng)度。”

　　“考慮到循環(huán)經(jīng)濟(jì)，LFT提供了在零件使用壽命結(jié)束后再次利用材料的選擇。這是各個(gè)行業(yè)從熱固性復(fù)合材料轉(zhuǎn)向LFT的巨大動(dòng)力。”他補(bǔ)充道。

　　使用工程塑料和替代纖維增強(qiáng)材料可以增強(qiáng)LFT材料的強(qiáng)度和耐溫性，從而加大金屬替換的機(jī)會(huì)，同時(shí)注塑模具零件的能力提供了更大的零件設(shè)計(jì)自由度，并消除了機(jī)械加工和精加工的需要。

　　在生產(chǎn)系統(tǒng)方面，Hojer表示，F(xiàn)eddem的主要目標(biāo)是提高自動(dòng)化水平，以高生產(chǎn)率、行業(yè)領(lǐng)先的纖維含量和浸漬控制、可靠地制造高質(zhì)量的LFT材料。

　　該公司決定將擠出機(jī)與粗紗處理平行，這樣可以減少生產(chǎn)線的總體占地面積。Hoyer說(shuō)：“一條生產(chǎn)1000公斤/小時(shí)化合物的LFT生產(chǎn)線只需要2.6米的寬度，這使得它符合短纖維增強(qiáng)化合物的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合生產(chǎn)線的空間要求。”

　　最近提供交鑰匙LFT生產(chǎn)技術(shù)的公司是德國(guó)的IPS智能造粒解決方案。公司董事總經(jīng)理Simon Weis表示，由于對(duì)最終應(yīng)用的要求越來(lái)越高，對(duì)LFT的興趣正在增長(zhǎng)。“長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚合物將可能的金屬替代品的范圍擴(kuò)展到新的苛刻應(yīng)用領(lǐng)域。與它們的短纖維產(chǎn)品相比，LFT能夠達(dá)到相同的性能，即使在更高的溫度下。”

　　盡管IPS是LFT生產(chǎn)線的新手，但它在造粒系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面有著悠久的歷史，最近推出了自己的雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)線。“我們收到了很多詢(xún)問(wèn)，對(duì)我們產(chǎn)品的興趣也在上升。IPS的優(yōu)勢(shì)在于靈活性、客戶(hù)服務(wù)和定制的智能解決方案。我們的客戶(hù)很欣賞我們的可訪問(wèn)性和快速反應(yīng)時(shí)間。我們能夠在單機(jī)和IPS-LFT HP系統(tǒng)等完整系統(tǒng)中保持這種優(yōu)勢(shì)。”Weis說(shuō)。

　　除了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的造粒技術(shù)外，其LFT生產(chǎn)線還配備了一個(gè)展開(kāi)模塊，該模塊經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，可在每個(gè)卷繞點(diǎn)提供嚴(yán)格的張力控制。這使其能夠處理多種纖維類(lèi)型。Weis預(yù)計(jì)，對(duì)混合生產(chǎn)系統(tǒng)的需求將增加，該系統(tǒng)可以將玻璃纖維和碳纖維組合在一條LFT產(chǎn)線中，以達(dá)到性?xún)r(jià)比目標(biāo)。IPS-LFT-HP生產(chǎn)線還包括一個(gè)浸漬模塊，用于處理PP、PA和PPA樹(shù)脂，只需更換模板即可。

　　聚酮基 LFT

　　去年年底，Avient宣布擴(kuò)大其Complet LFT產(chǎn)品系列，包括基于聚酮（PK）的版本。Complet PKE產(chǎn)品有望吸引在苛刻的寒冷環(huán)境中尋求極佳機(jī)械性能的客戶(hù)，他們可以提供PA和POM基化合物的替代品。

　　Complet PKE系列還包括2021年推出的Edgetek? PKE和LubriOne? PKE聚酮基材料。它們都是半結(jié)晶的，具有良好的耐化學(xué)性、低吸濕性和與PA66相似的尺寸穩(wěn)定性。該等級(jí)還提供減少的碳足跡：Avient聲稱(chēng)PKE的碳足跡比PA66少61%，比PA6少46%。

　　Avient公司PlastiComp部門(mén)總經(jīng)理Eric Wollan稱(chēng)："這一成果展現(xiàn)了我們對(duì)石油天然氣、運(yùn)輸和工業(yè)行業(yè)客戶(hù)需求的積極響應(yīng)。這些客戶(hù)希望為管道、管材、流體管理等尋找在低至-22℉的情況下仍然能夠保持性能的新一代工程材料。我們很高興能繼續(xù)為我們的客戶(hù)提供新的材料選擇，幫助他們滿(mǎn)足特定的性能要求和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。"

　　Complet PKE系列可提供含有30%-50%長(zhǎng)玻璃纖維的不同等級(jí)材料，允許客戶(hù)定制性能要求應(yīng)對(duì)某些特殊要求。

　　這些產(chǎn)品在美國(guó)制造，可供應(yīng)全球。Avient去年還擴(kuò)展了其含有回收樹(shù)脂的Complet REC LFT生產(chǎn)線。原來(lái)以PA6為基礎(chǔ)的等級(jí)現(xiàn)在加入了基于PA66和TPU基樹(shù)脂的版本，新配方使用后的回收水平不同——聚酰胺66（PA66）的回收成分為25%到100%，熱塑性聚氨酯（TPU）的回收成分為25%到75%。

　　Wollan表示，新等級(jí)延續(xù)了Avient對(duì)可持續(xù)解決方案的承諾。它們的性能與基于原始樹(shù)脂的標(biāo)準(zhǔn)PA66和TPU LFT相當(dāng)，并在全球范圍內(nèi)提供黑色和自然色，并使用玻璃纖維、碳纖維和混合纖維增強(qiáng)系統(tǒng)。

　　日本的Polyplastic公司去年推出了Plastron LFT系列，該系列由配方再生纖維素纖維增強(qiáng)。該公司表示，再生纖維素纖維是一種輕質(zhì)增強(qiáng)材料，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)專(zhuān)有的溶劑濕法紡絲工藝作為連續(xù)纖維生產(chǎn)的，因此非常適合用于LFT生產(chǎn)。

　　該公司表示，其測(cè)試表明，與玻璃增強(qiáng)PP LFT具有相同彎曲模量的纖維素增強(qiáng)PP LFT樹(shù)脂的密度降低了約5%—40%纖維素增強(qiáng)LFT的密度為1.06 g/cm3，而等效玻璃LFT為1.12 g/cm3（圖1）。據(jù)說(shuō)纖維素增強(qiáng)產(chǎn)品還顯示出更好的夏比沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度（圖2）。

　　表1：纖維素增強(qiáng)PP-LFT樹(shù)脂和同等玻璃纖維增強(qiáng)等級(jí)的密度和彎曲模量的比較。

　　表2：30%短玻璃纖維增強(qiáng)PP和40%纖維素纖維增強(qiáng)PP-LFT的主要性能比較。

　　后尾箱門(mén)解決方案及其他

　　據(jù)Borealis稱(chēng)，LFTs已應(yīng)用于許多汽車(chē)后尾箱門(mén)中，但為大眾最新Multivan開(kāi)發(fā)的全熱塑性設(shè)計(jì)是迄今為止最大的。該公司與一級(jí)供應(yīng)商麥格納（Magna）一起，圍繞其Fibremod PP LFT技術(shù)，為這家汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)了該部件。

　　尾箱門(mén)由許多部件組成。外部框架和內(nèi)部零件均采用Borealis的Fibremod GB416LF注塑成型，然后粘合在一起。涂漆的外部零件也粘在尾門(mén)結(jié)構(gòu)上。該部件符合大眾汽車(chē)苛刻的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載要求，并符合其對(duì)排放、起霧和氣味的限制。

　　Fibremod GB416LF 專(zhuān)為用于尾門(mén)托架和可見(jiàn)結(jié)構(gòu)部件而量身定制。這種40%玻璃纖維增強(qiáng)的低排放材料的彎曲模量為8500 MPa，夏比缺口沖擊強(qiáng)度為28 kJ/m2, 熱變形溫度（HDT）為160°C, 熔體流動(dòng)速率（MFR）為2g /min（230°C/2.16kg），密度為1.24 g/cm3。能夠滿(mǎn)足嚴(yán)格的排放和機(jī)械性能要求。使用 Fibremod GB416LF 還可以消除額外的表面處理步驟，例如噴漆。

　　在Inalfa Roof Systems Korea與LFT生產(chǎn)商GS Caltex Corporation為現(xiàn)代集團(tuán)開(kāi)發(fā)的天窗框架中，可以看到LFT技術(shù)在生產(chǎn)大型零件方面的另一個(gè)新應(yīng)用。該零件適用于2022車(chē)型年款起亞索蘭托和現(xiàn)代集團(tuán)的其他一些車(chē)型，在2022年北美SPE汽車(chē)獎(jiǎng)競(jìng)賽的車(chē)身外部類(lèi)別中獲得第一名。

　　用于該部件的基于PA6的LFT結(jié)合了兩種新技術(shù)。首先，它使用了扁平玻璃纖維增強(qiáng)，據(jù)稱(chēng)能夠提供更高的尺寸穩(wěn)定性和比傳統(tǒng)可再生纖維低10倍的翹曲。其次，它使用了GS Caltex的加捻拉擠成型LFT生產(chǎn)技術(shù)，據(jù)稱(chēng)該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比實(shí)際切割顆粒長(zhǎng)度更大的纖維長(zhǎng)度。

　　開(kāi)發(fā)人員表示，將零件從金屬轉(zhuǎn)換后，重量減輕了51%，并將零件總數(shù)從33個(gè)減少到4個(gè)。40%扁平玻璃增強(qiáng)部件的翹曲類(lèi)似于具有20%碳纖維增強(qiáng)的基于PA6的LFT，但成本降低了24%。

　　去年，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）宣布，公司與中國(guó)主要貨車(chē)制造商?hào)|風(fēng)汽車(chē)合作，開(kāi)發(fā)出一種用于生產(chǎn)堅(jiān)固而且輕量化的車(chē)載工具箱新型復(fù)合塑料混合解決方案。該應(yīng)用混合了SABIC的 STAMAX? 長(zhǎng)玻纖聚丙烯樹(shù)脂和一種連續(xù)玻纖復(fù)合層壓嵌件，采用雙色注塑工藝生產(chǎn)。與類(lèi)似設(shè)計(jì)的鋼制零件相比，采用該方案生產(chǎn)的成品零件重量減輕了30%，并有效提高了東風(fēng)汽車(chē)的生產(chǎn)效率。

　　混合生產(chǎn)工藝將預(yù)先成型的單向增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合帶（本例中由中國(guó)江蘇奇一科技公司生產(chǎn)）放入模具中，然后用Stamax LFT進(jìn)行二次成型。插入件為零件的關(guān)鍵區(qū)域增加了剛度和強(qiáng)度，使得能夠在應(yīng)力較小的區(qū)域使用薄壁，從而進(jìn)一步減輕重量。

　　與卡車(chē)工具箱應(yīng)用的傳統(tǒng)材料鋼相比，SABIC的塑料復(fù)合材料混合解決方案擴(kuò)展了設(shè)計(jì)選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了零件的整合，并避免了可能增加成本和阻礙大批量生產(chǎn)的二次操作。

　　采用塑料復(fù)合解決方案生產(chǎn)的卡車(chē)工具箱重量減輕了約30%（4-6千克），同時(shí)還保證了應(yīng)用所需的剛度、韌性和強(qiáng)度。SABIC ETP和市場(chǎng)解決方案總經(jīng)理Abdullah Al Otaibi表示：“通過(guò)結(jié)合兩種不同的材料，我們的解決方案顯著提高了產(chǎn)品性能和可加工性。目前這種復(fù)合材料技術(shù)已通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，并開(kāi)始在東風(fēng)汽車(chē)量產(chǎn)，我們希望未來(lái)有更多汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用可以受益其中。”

　　除了卡車(chē)工具箱外，STAMAX樹(shù)脂混合解決方案適用的汽車(chē)應(yīng)用還包括尾門(mén)、座椅、前端模塊以及電動(dòng)汽車(chē)的電池外殼等。

　　復(fù)合材料電動(dòng)汽車(chē)電池包輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　在新能源電動(dòng)汽車(chē)中，電池是重要的組成部分，傳統(tǒng)電池包結(jié)構(gòu)一般是由鋼材或鋁材制作而成，電池包結(jié)構(gòu)重量大，降低了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力，所以應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車(chē)電池包的管理系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，有效監(jiān)視電池包自動(dòng)管理模塊的充電或放電功能，從而提高電動(dòng)汽車(chē)電池包輕量化設(shè)計(jì)的使用壽命，提升其動(dòng)力性能。因此，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)一種新型的復(fù)合材料電池包，以促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)綜合性能的提升。

　　1 復(fù)合材料概述

　　1 . 1 復(fù)合材料

　　復(fù)合材料是一種新材料，打破了單一材料組分性能的限制，具有較高的設(shè)計(jì)靈活性，能有效滿(mǎn)足復(fù)合材料優(yōu)化電池包箱體設(shè)計(jì)輕量化的需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可結(jié)合汽車(chē)噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，整合復(fù)合材料的最大節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)相關(guān)的電池包輕量化性能，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化方程及單元的目標(biāo)函數(shù)，從而完成優(yōu)化電池箱形貌的方案，有效保障電池箱地板結(jié)構(gòu)的合理性。復(fù)合材料并沒(méi)有明確的分類(lèi)，若按照組分進(jìn)行分類(lèi)，復(fù)合材料可以分為增強(qiáng)體和基體，前者的選材主要有纖維、顆粒和片材，后者的選材主要有石墨、有機(jī)聚合物以及金屬等；若按照性能進(jìn)行分類(lèi)，復(fù)合材料可以分為常用復(fù)合材料，主要有環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料以及先進(jìn)復(fù)合材料，主要包含金屬和碳纖維等復(fù)合材料；若按照用途進(jìn)行分類(lèi)，復(fù)合材料則可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，主要用在主承力部件當(dāng)中，還有功能復(fù)合材料，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能。

　　1 復(fù)合材料概述

　　1 . 1 復(fù)合材料性能特點(diǎn)

　　第一，具有良好的力學(xué)性能。隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保越來(lái)越重視，所以復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)理念中應(yīng)以?xún)?yōu)化節(jié)能技術(shù)為目的.兼顧質(zhì)量及成本，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。復(fù)合材料更加重視材料的力學(xué)性能，并且對(duì)部件結(jié)構(gòu)具有較高的輕量化要求，這也是對(duì)材料評(píng)判的關(guān)鍵指標(biāo)之一。為了提升現(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)電池盒的等效剛度設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)人員可以利用復(fù)合材料的力學(xué)設(shè)計(jì)方程，設(shè)置相關(guān)的電池包參數(shù)，從而利用復(fù)合材料代替汽車(chē)金屬材料的零部件，達(dá)到有效輕量化設(shè)計(jì)的目的。因此，這就能充分體現(xiàn)出復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，其不僅具有更高的強(qiáng)度，而且也具有優(yōu)異的吸能性能。

　　第二，設(shè)計(jì)自由度較高。在現(xiàn)階段，層合板型復(fù)合材料的應(yīng)用比較普遍，這種復(fù)合材料具有非均勻性，并且具有鮮明的各向異性，所以也具有較高的設(shè)計(jì)自由度。在進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮到纖維方向，并結(jié)合構(gòu)件的承載方向，這樣才能在充分發(fā)揮材料作用的基礎(chǔ)上，促進(jìn)材料承載能力的提升。

　　第三，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和抗疲勞性：根據(jù)相關(guān)研究顯示，復(fù)合材料的疲勞特性會(huì)對(duì)其斷裂情況產(chǎn)生影響，所以這種材料一旦發(fā)生斷裂，就會(huì)在層面上進(jìn)行發(fā)散。同時(shí)，由于復(fù)合材料大都選擇一些具有優(yōu)質(zhì)防腐性能的化學(xué)材料基體，所以將其應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

　　第四，成型丁藝選擇多樣化。復(fù)合材料可以同時(shí)完成材料和結(jié)構(gòu)成型，所以可以將其應(yīng)用到一些比較復(fù)雜的構(gòu)件的一體化成型當(dāng)中在當(dāng)前階段，技術(shù)飛速發(fā)展，復(fù)合材料成型工藝也更加多樣化,如噴射、熱壓罐和擠壓等m。在實(shí)際選擇相應(yīng)T.藝時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到多方面因素的影響，如部件特性和材料種類(lèi)等，這樣才能保障使用T.藝的合理性：相較于傳統(tǒng)材料而言，復(fù)合材料具有較大的輕量化優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，如航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件上、海上結(jié)構(gòu)物上以及汽車(chē)上。在傳統(tǒng)T.藝中，設(shè)計(jì)人員一般都是將復(fù)合材料應(yīng)用到比較昂貴的車(chē)輛上，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前復(fù)合材料已經(jīng)可以被應(yīng)用到普通車(chē)型上：并且隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越普遍。

　　2 電池包輕量化設(shè)計(jì)的必要性

　　首先，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力主要來(lái)源于電池包，也就是電池系統(tǒng)，其中包含電池包結(jié)構(gòu)、電池模組和電池管理等多個(gè)系統(tǒng)部件電池包殼體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系著整體電池系統(tǒng)的性能，主要通過(guò)減重來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，可以保障動(dòng)力、加速、剎車(chē)、負(fù)載牽引、尾氣排放、燃油經(jīng)濟(jì)性等功能。隨著電動(dòng)汽車(chē)的不斷發(fā)展，人們對(duì)其續(xù)航性能提出了更高的要求，要想滿(mǎn)足人們對(duì)電池包續(xù)航的需求，就要加大電池模組容量，這樣不僅會(huì)增加電池包的重量，而且也會(huì)提升電池系統(tǒng)的成本因此，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)電池包進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在不影響其整體重量的基礎(chǔ)上.提高汽車(chē)的續(xù)航性能。

　　其次，碳纖維復(fù)合材料可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的材料標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)連接電池包筘體，解決接頭設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高復(fù)合材料在電池包輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，整合碳纖維或鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)車(chē)身材料功能的多元化發(fā)展。同時(shí)，還可以解決不同的接頭性能差異問(wèn)題。