高性能碳纤维/环氧复合材料实现汽车减重与量产

IACMI项目3.2评估采用新型环氧基树脂体系浸渍的碳纤维增强复合材料，开发复杂几何结构复合件替代高载荷、安全关键应用中高产乘用车一级车身结构的金属。首个评估应用为测试车B柱用碳纤维/环氧预浸料。高性能预浸料材料直接减重3公斤，并使周围钢板薄规化，可指定成本更低合金，提供额外减重和成本节约。来源：福特汽车公司。

大多数地区车企面临2025年尾气排放减少或乘用车燃油经济性提升的挑战性指令。但开发全新汽车技术满足要求成本高昂，许多国家采用联盟让供应链成员分担预竞争研究成本。

美国此类组织之一为先进复合材料制造创新研究所（IACMI——复合材料研究所，美国田纳西州Knoxville）。在该组织倡议中，来自工业、学术和政府的IACMI成员开展多管齐下项目——涉及集成材料/工艺开发、建模/仿真、多材料连接和回收——解决工程问题、改善车辆质量、降低能耗排放、创造美国就业。

项目3.2与不可能的树脂体系

项目3.2是IACMI 2015年6月成立时首批项目之一，尽管项目用技术在IACMI创建前几年已开始开发，源于福特汽车公司（美国密歇根州Dearborn）与当时Dow Automotive（现Dow Chemical Co.，美国密歇根州Midland）合作。IACMI成立项目3.2启动时，福特和Dow将此前新型环氧树脂体系工作引入项目。加入IACMI后，项目拓展最终包含多个阶段，代表该创新树脂新用途：预浸料B柱、全片状模塑料（SMC）尾盖和SMC/铝合金后门。

树脂家族名为VORAFUSE，由Dow为福特开发，设计用于预浸料和SMC，可在压缩模塑设备加工，北美汽车业广泛拥有。按福特要求，树脂玻璃化转变温度（Tg）150-160°C，模塑温度145-155°C，150°C下<2分钟固化（亚分钟固化可用），足够快满足高产量（10万辆/年以上）车辆生产。实现后模塑固化>95%。体系无溶剂和挥发性有机化合物（VOC）。

“福特定义的CTQ[关键质量特性]独特，单一商业产品前所未有，”Dow聚氨酯研发资深研究员Dave Bank解释。“因此需要新颖化学和一系列高度非传统产品满足这些苛刻规格。”

“树脂/固化剂混合物热力学上分离货架稳定性与聚合，产生干膏状物可浸渍碳纤维而不推进固化，得干燥无粘模塑料，”Bank补充。“但模塑条件达150°C时，化学‘激活’快速固化。”Dow提交21项专利申请，已获授权四项。

VORAFUSE体系附加特性：

• 室温货架稳定50天以上，但≥150°C瞬间固化。只要储存温度不超40°C，切片模塑前无需冷冻储存。
• 无粘化学利于自动化搬运。因无传统预浸料粘性，不会导致机器人等自动化搬运设备堆积及相关问题。
• 含新型内部脱模剂（IMR），模塑1000件才需对模具表面喷外部脱模剂。环氧树脂通常与IMR对立，因其对金属粘接极强。
• 未固化产品可切碎回馈模塑系统作为不连续纤维增强化合物，理想模塑肋/凸台等复杂几何，实现高价值回收。不同于常规环氧预浸料和SMC，所有未固化废料可再利用，材料更可持续，节省废料损失降低零件成本。

第一阶段：预浸料B柱

VORAFUSE引入项目3.2后，IACMI启动汽车应用，成项目整体第一阶段。团队成员含福特、Dow、DowAksa US LLC（美国亚利桑那州图森，DowAksa B.V.分支，Dow Chemical与Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş.土耳其Çiftlikköy-Yalova 50/50合资）；密歇根州立大学（美国East Lansing）；普渡大学（美国印第安纳州West Lafayette）；田纳西大学诺克斯维尔分校（美国田纳西州Knoxville）；Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根州Auburn Hills）；橡树岭国家实验室（美国田纳西州Oak Ridge）。

第一阶段，研究人员开发浸渍环氧树脂的连续（编织和非捻布）碳纤维增强预浸料。VORAFUSE P6300树脂配方兼容DowAksa A42 D012 24K标准模量碳纤维。团队目标用碳纤维/环氧预浸料开发复杂几何结构复合件，替代高产车辆一级车身结构上高载荷、安全关键应用的冲压金属。

技术演示器用福特Fusion测试车一侧B柱。先经仿真评估可行性，再模塑实体件接受所有必测——含全尺寸车辆碰撞测试。件全数通过，较现有金属每侧减重3公斤。未固化废料回收制成支柱复杂肋结构。高性能复合材料允许周围钢板薄规化，可指定成本更低合金，提供额外减重和成本节约。

通过福特所有要求后，材料首个商用为碳纤维复合材料密集型福特GT超跑前车顶横梁和前地板封板。

不出所料，碳纤维/环氧预浸料有成本溢价，最适合有显著减重指令且愿为显著减重机会支付溢价的车型。

最近项目3.2聚焦新型环氧树脂碳纤维增强SMC用于结构/内板，包括尾盖（左）和后门（右）。项目虽结束，但产出商业化就绪的有趣技术，并指明需进一步工作领域。来源：福特汽车公司。

第二阶段/工作流1：全SMC尾盖

基于预浸料成功，项目研究人员探索新型环氧树脂不连续碳纤维增强SMC用于具安全关键功能的复杂3D结构。一演示器用碳纤维/环氧SMC作粘接尾盖（行李箱盖）内部/结构板，另一演示器用于更大更复杂粘接后门（含车窗、雨刷电机、灯等）内部/结构板。两工作流保持原始设计约束、五金、连接技术和结构胶不变。采用>300 MPa抗拉强度和>40 GPa抗拉刚度等挑战性机械目标，可比现有铸镁和铝。SMC需比预浸料更高流动性，开发略不同牌号VORAFUSE M6400。

尾盖演示器代表对现有玻璃/SMC技术的增量进步，碳纤维/环氧SMC替代Lincoln MKS原型车尾盖内板常规结构玻璃纤维增强不饱和聚酯SMC。碳纤维/环氧SMC内板粘接低密度（LD，1.25 SG）玻璃纤维/聚酯SMC外板，替代标准密度（1.9 SG）玻璃纤维/聚酯SMC现有件。新旧外板材料均Class A兼容。复用原始工具模塑碳纤维/环氧SMC内板和玻璃纤维/聚酯外板。收缩——两树脂体系略有不同——足够接近，未引起配合和表面问题（即未观察到显著尺寸变化）。

虚拟原型使粘接组件经受多挑战工况，含扭转刚度、前角刚度、瀑布挠度和锁扣载荷。随后模塑数十内外板，粘接测试——含挑战性89公里/小时后碰撞。组件虚拟和物理测试均无问题通过。

尾盖质量较基准减30%（从10.5至7.33公斤）。若预算允许内板重新开模——鉴于其较现有件更高力学性能可设计更薄——研究者计算质量至少可减35%（2毫米壁厚），1.5毫米壁厚甚至更多。

碳纤维/环氧SMC通过福特所有要求，现可用于商业平台，但成本高于常规玻璃纤维/聚酯SMC。

第二阶段/工作流2：SMC/铝合金后门

最后项目转向真正挑战场景：用碳纤维/环氧SMC替代轻金属，生产福特Mondeo五门/掀背测试车更大更复杂后门的混合（金属/复合）粘接组件。为最小化车辆制造序列变更，研究人员设计组件在电泳防锈（电泳涂装）及相关烘烤循环前加入白车身（BIW）。

碳纤维/环氧SMC替代镁合金作结构/内板，粘接现有铝外板。因需新工具生产复合板，零件重新设计。板厚按刚度/强度要求变化并加筋。高载荷连接区（气弹簧、锁扣、铰链、锁）用金属加强，使复合板稍厚——包装空间允许。

带金属五金的SMC/铝合金后门分解图（五门/掀背版福特Mondeo）。来源：福特汽车公司。

这些多材料组件经受苛刻要求，含扭转弯曲载荷、侧向稳定性、耐腐蚀、长期耐久和后碰撞测试。也须满足针对边距和平齐度的严格尺寸稳定性要求。

混合系统轻松通过大多数要求，但因复合内板与铝外板线性热膨胀系数（CLTE）失配，导致粘接接头残余应力积累和冷却后面板变形，出现配合表面问题。后续与普渡大学仿真团队合作，聚焦改进1K环氧胶（因能耐电泳涂装温度选用）模量、强度和固化动力学预测，以期反向工程更好胶粘剂。翘曲降低一个数量级，但略未达标。多种解决方案可能：尝试2K/室温固化或感应固化胶，或开发新高温胶。长远看，外板用碳纤维复合材料替代铝可消除问题，或后门下线后期装配加入车身序列。但两者均增成本。

项目3.2收尾，但产出有趣技术，部分——B柱预浸料和SMC尾盖——商业化就绪，部分指明需进一步工作领域。

“与IACMI及工业学术合作伙伴合作让我们从第一原理深入技术，发展基础科学，利用比独自宽广得多的知识库，”项目3.2负责人Patrick Blanchard，福特研究创新高级聚合物系统技术主管总结。“期待发掘新商业机会和研发活动，继续与IACMI合作伙伴合作。”