复合材料在汽车领域应用浅析

1、复合材料在汽车领域应用浅析作者：焦立冰来源：新材料产业2017年第12期复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法组合成的一种具有新性能的材料。由于其优异的力学性能、高比强度和比模量、可设计性等特点，复合材料在航空航天领域已经得到了广泛应用。近年来，化工水平的不断提高，复合材料中纤维以及树脂等原材料的价格下降，工艺水平不断提高、批量化生产能力的提升，也为复合材料在交通领域的应用提供了优良的契机。目前，对于环境问题的重视以及对于节能减排的迫切需求使得各国在汽车以及轨道交通领域对于复合材料的应用加大了研发的投入，各大企业也在复合材料应用方面不断推动技术创新以及拓展复合材料应用范

2、围以提高自身竞争力。一、复合材料在汽车领域的应用优势复合材料作为一种新型材料，以其独特的优势已广泛应用于航空航天领域，对于目前竞争日益激烈以及对于轻量化要求不断提高的汽车领域，复合材料也在以下几个方面凸显了其在这一领域的应用优势。1.具有优异的力学性能、各向异性非均质复合材料的特点是比强度与比模量高。比强度、比模量分别是指材料的强度和模量与密度之比，当比强度越高时，同一强度下零件的自重就越小；当比模量越高时，零件的刚性就越大。因此这2种性能的提高，对需要很高力学性能且高速运转的结构件，和需减轻自重与增强承载能力的运输工具具有重要意义。复合材料不同于传统材料，如纤维增强复合材料，其沿纤维方向的比

3、强度比模量明显优于垂直于纤维方向，因此在其力学性能上其具有各向异性。2.性能具有可设计性，可实现整体化设计与成型复合材料的结构和对应的性能均具有可设计性，不同于传统非复合材料的性能已经确定，复合材料的性能可通过相应设计来实现。其中基体材料与增强材料的选择、纤维方向的选择、铺层的设计都可以影响复合材料的整体性能，并可根据组成复合材料的基体材料以及增强材料的参数对于复合材料的性能进行计算。相比于传统材料制造的零件通过铆接、焊接等方式进行连接，复合材料可通过合理的设计以及适当的工艺完成整体成型，可提升零件整体的性能、降低成本、减轻整体质量。3.抗疲劳、减震降噪、耐腐蚀复合材料除了具有良好的力学性能外

4、，也具有抗疲劳、耐腐蚀、减震等优异特性。以广泛应用的纤维增强复合材料为例，由于其纤维与基体间存在界面，外加载荷由基体传至增强纤维承担。而且界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，对大多金属材料而言，其疲劳强度极限是拉伸强度的3050，相应的复合材料则可达到6080。复合材料可以通过复合材料的界面以及夹层结构吸能，可以有效提高其减震降噪的效果，因此也在地面交通的应用中有较大的优势。此外，复合材料化学稳定性很强，如使用纤维增强酚醛树脂，所得材料可以在含氯离子的酸性介质中长期使用；采用玻璃纤维增强的塑料，可用于制造出耐强酸、盐和某些溶剂腐蚀的泵、阀、容器和管道等设备；使用耐碱纤维与塑料复合而成的材料，还可

5、以在强碱性环境中使用。4.结构功能一体化热塑性塑料耐磨性能并不出色，但在其中加入少量的短切碳纤维合成复合材料后，其耐磨性能可增加几倍。例如采用碳纤维增强后的聚丙烯（PP）复合材料，其耐磨性为本身的2.5倍，对应的聚四氟乙烯为本身的3倍，而聚氯乙烯则达到本身的3.8倍。当选用适当塑料与钢板复合时，能得到性能极佳、可用于制作耐磨物件的材料。例如用聚四氟乙烯或聚甲醛为表层、多孔青铜和钢板为里层制成的3层复合材料，是制成滑动轴承的良好材料。所以从降低模具加工成本，减轻制件本身质量以及增加设计自由度和零件集成程度方面考虑，复合材料的应用都成为各国以及各大企业对技术革新和改善的重要方向。二、复合材料在汽车

6、领域的应用现状汽车领域一直追求不断降低油耗和能量消耗，其轻量化已成为趋势，而复合材料由于其比强度、比模量高的特点，在汽车轻量化过程中有很大的应用前景；反之汽车轻量化的迫切需求，也推动着相关复合材料技术的发展。复合材料在汽车上的应用已经拥有较长的历史，从1952年，通用汽车公司推出的一款采用玻璃纤维制造的“Corvette”跑车至今已经过去了六十余年。在这些年的发展中，复合材料的应用范围被不断推广，其已被广泛应用于发动机盖、前后保险杠、内饰及板弹簧等部件的设计与制造。1.增强塑料及玻璃纤维复合材料（GFRP）的应用复合材料应用于汽车上的功能构件及内饰材料较为成熟，各厂家不断优化材料的工艺性并且提

7、高材料的美感。例如使用增强PP制作发动机冷却风扇叶片和正时齿带上下罩盖等制品。荷兰利安德巴塞尔公司（LyondellBasell）曾推出的新型Softell配混物，具有柔软的触感，既可作为汽车内饰材料，亦可增加美感，德国欧宝公司（Opel）已经将其用于新车型Astra的仪表板以及车门面板的生产。在梅塞德斯奔驰C级轿车上，使用Mahle过滤系统公司提供的复合材料流体过滤组件，该组件采用朗盛公司的35%玻纤增强的DurethanAKVPA66制成，相对于传统材料减轻了38%的质量。宝马公司7系车型，通过挤出模压成型技术，使用供应商Faist提供的StamaxP30YK430材料，来制作引擎降噪板和

8、底部护板。其综合成本比玻纤热塑料（GMT）更低，而且对汽车底部的保护较好。克莱斯勒集团有限责任公司Jeep汽车使用了并行片状模塑料（SMC）遮阳板，其在减重的基础上也可以增加客户的使用体验，3片SMC的遮阳硬顶可以便于用户的移动。2.碳纤维复合材料（CFRP）的应用经过多年发展玻璃纤维复合材料在汽车上的应用已经十分成熟，包括SMC、长纤维增强热塑性材料（LFT）以及GMT等成型工艺都得到不断的改进，可以进行批量化生产。但玻璃纤维也存在强度和刚度不足的缺点，这就限制了其主要用于非承力构件。而碳纤维复合材料，作为先进复合材料，以其优异的力学性能已广泛应用于航空航天等军工产品领域，其可以与汽车所用的

9、钢结构媲美，并在轻量化方面及能量吸收方面更胜一筹。近年来随着国际及国内碳纤维价格的下降，碳纤维复合材料在汽车上的应用范围也不断拓宽。其可作为受力骨架、底盘、车顶、车门、保险杠、轮毂、传动轴、板簧等，其车种也有高档跑车到普通轿车、客车和火车等。并且碳纤维复合材料的应用也成为车辆高品质的象征。2003年克莱斯勒集团有限责任公司推出的DodgeViper型跑车，采用碳纤维复合材料来制作挡板支架系统，这也是此项技术在大型底盘和车身外部部件的首次应用。新款奔驰SLR的车身壳体、车门和发动机罩都采用了碳纤维复合材料。特拉斯开发的具有电动汽车Roadster的双座跑车也同样拥有碳纤维车身。宝马公司M系列车顶

10、采用碳纤维复合材料，其使用了Hexcel的多轴增强材料。宝马公司也宣布与SGL集团成立一家合资公司，开发生产碳纤维材料。碳纤维复合材料不仅可以应用于车身，发动机罩盖也可以采用碳纤维复合材料进行制造，其不仅质量轻也便于生产，综合成本低。通用汽车CheveroletCorvetteZ06纪念版轿车发动机罩盖采用碳纤维复合材料，质量仅为9.3kg。此发动机罩外板采用碳纤维/环氧复合材料制备，内板为SMC和低密度玻纤共混而成。法国SP公司通过树脂膜浸渍技术使用碳纤维增强材料和树脂薄膜制备发动机罩盖，其可不使用高成本的热压罐成型，实现低温固化，也可保持高质量无空隙表面光洁度。近年来国内汽车行业飞速发展，

11、对于碳纤维复合材料的研发上也投入较大的研发力度，并采取与具有技术基础雄厚的复合材料公司进行合作，中航复合材料有限责任公司与中国第一汽车集团公司、长安汽车股份有限公司、比亚迪股份有限公司等公司在汽车引擎盖、传动轴、轮毂、板簧、整体车身等项目上都具有紧密合作。目前也有许多全复合材料轿车问世，以其优异的性能和创新的理念吸引各方关注。意大利研制的“K200ROAD”全座复合材料轿车，该车采用热压罐成型，使用整体成型方法。荷兰曾试制全复合材料电动巴士，长15m、宽2.5m、高1.5m，采用环氧树脂，使用真空灌注的方法成型。其不仅具有阻尼性且其复合材料传动轴板簧相比于钢制材料可减重50%60%。中航复合材

12、料有限责任公司采用国产碳纤维完成了全复合材料电动客车车身，车身全长12m，整车质量为8.5t。3.新形式及环保型复合材料的应用相比于传统材料，复合材料在汽车领域有其独有的特点，如高比强度比模量、可设计性等特点。针对可设计性的特点，可将其与其他材料相结合使其不仅在力学性能方面表现优异也使其具有特定的功能。所以，将复合材料以新的形式进行开发和利用，突出其结构功能一体化也成为了一个重要方向。复合材料虽然具有诸多优点，但其回收问题一直是限制复合材料在汽车上应用的难点。近年来对于环境的重视，对于节能减排要求的不断提升，为复合材料在汽车轻量化方向上提供了发展契机，也同样为复合材料的回收提出了更高的要求。传

13、统的玻璃纤维与碳纤维复合材料特别是热固性材料难回收而且难降解，给环境带来困扰。起亚汽车（KiaMotor）美国公司的插入式混合动力4座小轿车Ray采用大量复合材料，这款概念车采用了轻质回收材料，太阳能电池嵌在玻璃车顶上。法国国家科学研究中心正在研究大麻和聚氨酯，期望尝试以其为原料来制作复合材料，此种材料将会具有价格更便宜、质量更轻、韧度更强，而且具有可生物降解的特点。英国伦敦皇家学院及其合作者曾研发出一种碳纤维复合材料并申请了专利，此材料可用于存储和释放电能，不仅耐用、质量轻且力学性能出色，可用于结构件和车身面板的制造。使用该材料制成的汽车，其本身就可以看作一个电池，由于其充放电过程不包含化学

14、反应，因此电池性能不会随时间而衰减。三、复合材料在汽车领域应用需求1.建立复合材料的设计理念复合材料的设计不同于传统材料，其设计、材料、工艺是3大要点，但其并非独立，三者之间存在着密切的联系。目前复合材料主要用于代替金属材料进行使用，所以在设计方面也会存在“替代材料”的设计思想。而真正要实现复合材料的优势，就需要在设计理念上进行创新，针对复合材料自身特点，结合材料及工艺性进行设计。2.低成本材料目前复合材料特别是先进复合材料主要的应用范围为航空航天领域，所使用的增强材料和基体材料，特别是碳纤维复合材料中的高性能碳纤维以及热固性树脂，其相比于常用材料价格较高。而目前汽车领域的应用就需要针对应用范

15、围开发新型的材料体系，降低原材料成本也成为主要的需求方向。针对汽车使用的原材料，应注重研发其适用的低成本纤维材料，以及低温固化树脂以及快速固化树脂体系。另外基于环保方面的要求，天然纤维以及混杂纤维的材料体系也将是发展的主要需求。3.低成本工艺复合材料的成本不仅仅在于材料，很大一部分更在于工艺，因而低成本制造技术的开发成为复合材料能否广泛应用的关键。目前复合材料的成型方法包括模压成型、热压罐成型、树脂传递模塑成型、真空灌注成型等多种方法。航空航天结构件主要采用热压罐成型的方法，此种方法采用预浸料进行铺贴、然后使材料在高温高压下成型，制件的表面状态和整体性能优异，但成本较高。而低成本快速成型的技术

16、中，树脂传递模塑成型技术占有较为重要的地位，其中包含有真空辅助模塑传递技术，高压树脂传递模塑成型等。这类工艺的成产节奏较快并且不需热压罐等设备，所以可以在一定程度上降低成本。因此如何实现低成本的工艺也是今后复合材料在汽车领域发展的一个重要需求。4.整体化解决方案复合材料的一个重要的优势就是其可实现整体成型，通过整体成型的实现可以有效的减少零件的数量。目前可采用共固化共胶接等方法来实现整体化方案。通过整体化方案的实施可实现复合材料在轻量化方向的优势以及减少人工和时间成本。整体化方案的制定需要从设计、材料、工艺等多方面考虑，其存在着较大难度，也是复合材料应用的一个需求。四、结语目前复合材料产业处于快速发展的时期，而现在也正是汽车需求量不断增长的阶段，