复合材料在汽车工业中的应用－周一兵课件

我国汽车工业的发展现状及高分子复合材料在汽车工业中的应用中国汽车工业协会汽车相关工业分会名誉理事长周一兵主要内容中国汽车工业的发展现状汽车复合材料应用现状及发展趋势汽车复合材料零部件主要品种及成型工艺近期国内汽车塑料及零部件新材料、新技术发展目标

一.中国汽车工业的发展现状

2007年汽车行业的基本状况汽车生产企业5,600余家:整车生产企业集团80家，生产企业约130家发动机生产企业60余家规模零部件企业4,500余家总产值：22392亿元销售产值:21928亿元利润：1199亿元出口:412亿美元汽车产量：:888万辆，其中轿车：479.8万民用汽车保有量：3，697万私人拥有汽车2,925万，其中轿车：1,149万直接从业人员近220万人相关产业从业人员达3,500多万汽车生产企业财务数据从业人员汽车数量2007年我国汽车细分市场情况2007中国十大汽车企业集团

产量集中度为83.4%

上汽、一汽、东风三大汽车集团产量纷纷突破百万辆大关，分别达156.1、146.5和115.5万辆，创各自历史新高，并引领车企向今年总产销千万辆前进。2006中外合资企业整车市场份额达52%2006年主要中外合资企业整车市场份额通用大众雷诺日产现代本田丰田PSA福特铃木其他轿车轿车整车企业6+3格局

（与国际主要汽车集团格局类似）上海通用一汽大众，上海大众长安福特，江铃汽车天津一汽丰田，广州丰田北京奔驰—戴姆勒-克莱斯勒东风日产华晨宝马广州本田，东风本田东风标致雪铁龙+轿车企业“7+10”格局+二汽北京长安华晨上海一汽广州2007年轿车产量前十位的市场份额情况2007年经济型轿车仍然为市场主体轿车排量2007年轿车按排量市场份额1.6~2.5L区间车型增幅最大，体现轿车向中型化发展趋势1.6升以下销量占57.6%汽车行业历年利润比较

2007年实现利润1199亿元同比增长61.8%2001—2007年整车出口

2007年汽车整车出口61.4万辆（万辆）2008年仍将保持快速发展态势国民经济GDP增速将超9%，坚持扩大内需的方针，增强销费对经济增长的拉动作用；市场需求增长潜力大。我国每1000人拥有不到50辆汽车，而全球平均水平为120辆，美国为750辆。我国很多家庭还没第一辆汽车；我国汽车对海外市场的吸引力会越来越强：技术水平的提高，优越的性价比优势；2008年我国汽车需求生产汽车:1000万辆(比去年同期增长:↑12.6%)

其中:乘用车:730万辆（其中轿车550万辆)

(比去年同期增长:↑21.49%)

其中:商用车:230万辆

(比去年同期增长:↑26.04%)2008年1—6月

我国汽车工业运行情况

累计生产汽车:519.96万辆

(比去年同期增长:↑16.71%)

其中:乘用车:365.31万辆

（其中轿车271.75万辆）

(轿车比去年同期增长:↑15.27%)

其中:商用车:154.65万辆

(比去年同期增长:↑18.48%)总结中国汽车工业经过55年的发展，已经跻身到世界汽车制造大国的行列,产量世界第三,国内消费世界第二目前中国汽车工业的国际化基本完成了吸引国际汽车集团来华投资建厂，引进先进产品和技术，扩大国内市场的第一步国际化扩张还停留在初始阶段，还谈不上对其他国家汽车工业构成威胁。但国际化进程的步伐一定会加快，期望中国在近期内发展成为世界零部件的采购中心二、汽车复合材料应用现状及趋势

车用热固性复合材料

玻纤增强树脂(FRP)如：

玻纤增强不饱和聚脂片状模压成型SMC（SheetMoldingCompound）、团状模压成型BMC、冲压成型片材（StampableSheet）等与其他高分子材料相比具有强度高、刚度大、耐高温、成本低,破损安全性好，独特的成型工艺（可整体成型），减少了零部件紧固和接头数目等优异性能等优点，一直是汽车覆盖件最理想的非金属材料。FRP具有强度高、耐腐蚀、加工性好及可制造“A”级表面汽车外覆盖件等特点，被广泛应用于汽车车身部件。

早在1955年欧洲就开始在汽车上使用FRP，如今FRP全塑车身引起全球关注。例如，美国克莱斯勒公司开发的VIPER轿车车身由19件FRP零件组成，采用RIM工艺进行制造。美国通用公司开发的APV子弹头多用途旅行车，其FRP件的使用量高达147kg/辆，其中SMC的用量为114kg/量。英国ELAN运动车采用真空辅助树脂注射（VARI）成型工艺制造汽车车身及结构件，FRP用量为150kg/量。此外法国雷诺公司的ESPACEMARKⅡ型面包车及意大利非亚持公司的微型车等车型在大量将FRP用作汽车车身方面取得了成功。

到1996年，北美汽车制造业SMC制造汽车零部件的用量上升到108.9kt（与1995年的90.72kt相比增加了20%），其中包括27个制造厂生产的125种车型中的380种汽车零部件。车用热塑性复合材料

a.玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GMT）

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GlassMatReinforcedThermorplastic）以玻璃纤维（毡）为增强材料，热塑性树脂为基体，通过加温、加压制成复合材料，简称GMT，是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种，被视为世纪新材料之一。轻质高强度的GMT片材，通过结构优化设计，可取代部分金属材料，获得显著的减重效果，而且节省模具费用，（仅为金属冲压模具的10～20％），并有利于多种零件组合，形成模块化生产方式。用GMT片材可较原金属件减重30～80％，能耗仅为钢制品的60～80％，铝制品的35～50％，价格低于同体积的金属制品。GMT片材在汽车工业中的应用，已达40多种，主要有座椅骨架、保险杠、仪表板、发动机罩、电池托架、脚踏板、前端、地板、护板、后牵门、车顶棚、行李托架、遮阳板、备用轮胎架等部件。b．长纤维增强热塑性复合材料（LFT）

LFT增强材料是纤维连续纱或者短切玻璃纤维（适合于LFT-D），其组成材料可以是玻璃纤维、芳基纤维、碳纤维、钢纤维和其他能够形成连续纱的纤维。LFT-G的基体聚合物可以是各种热塑性塑料，常用的有PP（56％），Nylon（32％），其他的还有ABS、PPS、TPU、POM等等。为了改善界面强度，通常还需要界面改性剂，如偶联剂以及相容剂。

LFT材料现在广泛应用在汽车工业中。Ticona公司的LFT产品（Celstran和Compel）成功的应用在VWGolfⅣ型上。

天然纤维复合材料在汽车中的应用(NMT)

各种天然纤维(如麻纤维、竹纤维、甘蔗渣纤维等)具有价廉、可回收、可降解、可再生等优点，其复合材料的研究与开发应用，近年来成为人们对材料研究开发的热点之一。天然纤维复合材料在汽车工业的应用目前还局限在汽车内饰件上。

汽车零部件纤维种类聚合物纤维含量%车门板/衬垫洋麻/大麻，50/50聚丙烯50木纤维聚丙烯50杂物箱/后搁物架洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯50木纤维酚醛树脂85座位靠板/货车车厢地板亚麻聚丙烯50备胎盖/车身后壁板亚麻聚丙烯50木纤维聚丙烯50其它内装饰板洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯50D.碳纤维增强复合材料

几十年前即有预言，碳纤维增强复合材料将取代金属，用于制造汽车底盘，这一预言正逐步实现。

2003年DaimlerChrysler公司推出的DodgeViper型跑车的挡板支架系统所采用的材料碳纤维复合材料,这项技术也是碳纤维在大型底盘和车身外部部件上的首次应用。碳纤维复合材料的挡板支架薄壁虽只有2mm，却能支撑着整个车身前端，而且有34个零件在这里联结，刚性提高了22％。近年来，日本开始研究采用碳纤复合材料,基体树脂采用具有较高玻璃化转变温度的聚醚酮，这样碳纤复合材料的比抗拉强度优于铝合金的比抗拉强度。代替目前正在使用的铝合金来制造汽车涡轮增压器压气机叶轮，具有强度高、耐久性好和可靠性高的优点，并使叶轮质量减轻了48％，降低了转子惯量，提高了转子加速性能，缩短了涡轮增压器的响应滞后。近年来，世界各国都致力于研究新一代磨阻材料取代石棉摩擦材料，其中碳纤维复合材料具有比强度高、比弹性高，耐热性好，耐磨损等优点，已成为增强效果很好的石棉代用品。碳纤维——陶瓷刹车盘装置，国内已有厂家生产并有出口。

三.汽车复合材料零部件

主要品种及成型工艺

复合材料汽车车身a．高级全塑跑车。骨架结构件采用碳纤增强塑料，如美国GM公司的“Ultralite”，车身材料成本为1.3万美元，外覆盖件采用玻纤增强塑料。全塑车身均用于高档的运动车。b．复合材料概念全塑车CCV（CompositeConceptVehicle）。车身采用玻纤增强热塑性聚酯注射成型，如Chrysler公司的“Ticona”，采用注射成型，用于大批量生产的CCV。c．普通高级乘用车。骨架结构件采用金属件，外覆盖件采用塑料件，如“Saturn”。复合材料汽车零部件外装饰件：保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板、前后翼子板、举升门等。其应用特点是以塑代钢，减轻汽车自身质量；内装饰件：仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板等。其应用特点是安全、环保和舒适；功能与结构件：油箱、散热器水室、空滤器罩、风扇叶片以及发动机进气管、气缸盖罩等。其应用以采用高强度复合材料为特点；后举门

序号公司车型后举门材料工艺1美国GMOLDSSMC2FIEROSMC3SaturnSW!SMC4美国FordFordSMC5日本三菱スタリオンSMC6意大利FIATTipoBMC7UnoTurboZMC8法国CitroënCitroën-BXZMC9Citroën-ZXZMC10奔驰公司BenzAclassGMT、PBT/PC11SportsCoupéCL203SMC12北京切诺基213SMC(已国产化)13神龙公司富康两箱轿车-ZXZMC(尚未国产化)轿车后举门（Tailgate）是车身的重要零部件之一，由于后风窗的存在，其具有两大特点，首先要求后举门上部窗框处具有良好的刚性与强度，其次是后举门结构复杂，冲压成型困难，且生产中采用金属冲压成型工艺时材料利用率较低（仅有66%），因此，国外众多两箱车多采用纤维增强塑料材料后举门。采用增强塑料不仅重量轻，而且便于生产，综合成本低于金属后举门。如雪铁龙--ZX后举门采用长玻纤增强复合材料注射（ZMC）成型后举门，其重量仅为7.9kg。Mercedes-BenzA级车采用GMT骨架、PBT/PC合金的热塑性塑料后举门，GM公司的SaturnSW1旅行车采用SMC后举门。目前国外采用增强塑料后举门的车型见下表：后举门材料工艺结构方面，目前国外主要有以下三种结构形式：全部采用热塑性材料结构形式

:内外板均采用热塑性塑料，如BenzAclass后举门内板采用GMT材料热压成型工艺，外板采用PBT/PC合金注射成型工艺。热塑性和热固性材料混合的结构形式全部采用热固性材料（SMC、BMC、ZMC）的结构形式车灯部件

车型

前大灯材料后灯材料

标致

607PP,PC,UPABS,PMMA

福特蒙迪欧PPTV40,PC,UPABS,PMMA

AUDIA4PPT40,PC,UPPC+ABS,PMMA

福特嘉年华PPTD20,PC,UPGF15ABS,PMMA

大众途安PPTV40,PC,UP(GF+MD)ABS,PMMA随着汽车在质量上和档次上的提高，汽车灯具不再是一种单纯的安全件，而且成为汽车上重要的外饰件。为适应这种趋势，汽车灯具正在逐步向全塑化发展。前大灯。考虑到大灯玻璃的透明性、耐候性、耐冲击性以及易于成型加工，多数表面采用涂敷硬腊的PC材料，从而进一步提高了耐擦伤和耐候性。前大灯反射镜壳，为了满足耐热性以及表面处理要求，一般采用BMC、PPS、PC、PBT等制成。后排指示组合灯。灯罩材料为PMMA，灯壳为填充改性PP，它们之间用热熔胶粘结剂粘接。随着振动焊接技术的发展，灯壳材料开始采用耐候ABS，这样灯壳和灯罩之间可用振动焊接，也便于材料的再生利用。表14不同车型车灯的所采用的材料

进气岐管发动机周边塑料化普及率最高的部件是进气歧管。它为塑料在工程结构件方面的应用铺平了道路。利用塑料的整体化成型工艺和对汽车轻量化的明显作用，将对加工成本、设计、安全性和燃料消耗带来明显好处。玻纤增强PA66或PA6是制造塑料进气歧管的首选材料。塑料导热率低，低温空气密度较大，因此可提高空燃比，从而提高了发动机的效率。1998年，欧洲和北美生产的80多种汽车都将使用PA进气歧管，今后10年用于进气歧管的PA用量将增加18kt。车型塑料进气歧管质量(kg)主要材料标致

2061.2PA66GF35福特蒙迪欧1.8PA6GF30奥地

A44PA6GF30福特嘉年华1.8PA66GF30大众高尔夫2.8PA6GF30福特福克斯

CMAX1.7PA6不同车型进气歧管的材料进气歧管加工方法

塑料进气歧管的材料可用35％GF增强PA66或PA6以及PPS，但是由于进气歧管结构复杂，不能用一般的注塑成型。主要有两种先进加工方法：一种方法是利用熔芯注射成型，即采用低熔点合金做模芯进行一次注射成型，再在导热油中通过感应加热将模芯熔掉即可得到制品；

另一种“两步法”是将零件一分为二分别注射成型后，再用振动焊接将其合二为一成为制品。

新开发的激光焊接法比振动焊接法成型条件温和，制品焊接质量好，残余应力小，可以焊接异形曲面，制取结构和形状更复杂的进气歧管，生产效率高，因此许多厂家投入相当大精力开发用于进气歧管的激光焊接尼龙牌号。目前国内90年代后期新近引进的车型，如上海大众Passat、Polo、东风标志PEUGEOT206、PEUGEOT307、丰田皇冠、锐志等等均采用塑料进气歧管。但轿车进气岐管目前几乎大部分依靠进口。可喜的是国内部分企业已在国产发动机塑料进气岐管的开发上有所突破。一汽集团与BASF公司已完成6DG3柴油发动机的大型塑料进气歧管开发工作，2004年春季开始下线，用于红旗CA7180－4GE型轿车。投产前进行了严格的试验，这是我国开发成功的第一个工业化塑料进气歧管。宗申集团与天津大学合作成功开发出465QE汽油机塑料进气岐管。另外，二汽和其他几个厂也有开发计划。我国应进一步加快原料和成型工艺开发，使中国汽车工业在产量迅速增长的同时，质量、性能和档次上也都上新台阶，真正跻身世界汽车制造工业前列。气门室盖发动机周边塑料件的另一大项目是摇臂盖（亦称气门室盖）。1990年乙烯基聚酯树脂热固性树脂复合材料制造的塑料气门室盖首次使用于美国汽车上。Cytec工业公司是美国这种复合材料的主要生产厂家，其使用的乙烯基聚酯树脂是由道化学公司供应的。现在该公司每年提供这种预制整体模塑料制造的气门室盖1200多万个，并被用于600多万辆美国制造的轿车和卡车上。发动机塑料气门室罩的特点为成型方便，成本低，质量轻，比金属制品成本降低50%，轻量化30%，而且大大降低噪音。塑料材料可选用玻璃纤维增强PA、玻璃纤维增强PET，如美国杜邦公司的Minlon21C（PA+玻璃纤维和矿物填充剂）和Rynite935（PET+玻璃纤维）。Amcomo公司拟将聚邻苯二甲酰胺和PI用于制造气门室盖，这些材料都具有翘曲小、热稳定、高冲击韧性、尺寸稳定等特点。顶棚

货车上开始应用低密度发泡状GMT成型顶棚内衬，制造设备投资少，容易换型。GMT材料用作车顶棚，是GMT片材近年来的重要发展，GMT一种新品种低密度片材。LD-GMT出现后，应用范围扩大。这种材料用作车顶棚，除具备刚性好，成型方便，尺寸稳定，可回收等优良特性外，还具有优异的声学特性和美学效果。四.近期国内汽车塑料及零部件

新材料、新技术发展目标

(1)无缝气囊仪表板、双色保险杠等制造技术；(2)用于吸能块的可发性PP原材料技术和聚丙烯CO2气相板材发泡技术；(3)塑料进气岐管、塑料油箱、夹层玻璃粘接层等关键材料国产化：进气岐管用玻纤增强PA(适用于激光焊接的尼龙牌号)；油箱专用粘接剂、阻隔料（EVOH）和超高分子量HDPE；燃油管、刹车管用尼龙11尼龙12；