復合材料在汽車上的應用

1、復合材料在汽車上的應用摘要:概述了纖維增強樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等在汽車上的應用現(xiàn)狀，并對復合材料在汽車上的應用前景進行了展望。國內外現(xiàn)狀表明，復合材料在汽車上將有廣闊的應用前景，同時，也有很多問題有待解決。1 樹脂基復合材料在汽車上的應用隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、安全日益成為當今世界汽車界的研究熱點。汽車輕量化無疑是解決這些問題的最佳途徑。而復合材料具有比模量高、比強度高、耐腐蝕、可設計性強、綜合經(jīng)濟效益明顯等優(yōu)點，正日益成為汽車輕量化的首選材料，逐漸受到世界汽車生產(chǎn)商的青睞。美國作為世界第一大復合材料生產(chǎn)與消耗國，據(jù)估算汽車用復合材料年消耗量超過70萬t，

2、通用汽車公司、福特汽車公司、戴姆勒克萊斯勒公司三大汽車公司以及Mack、Aero-star等重型車廠，復合材料的使用都取得了明顯收效。在歐洲，復合材料也已經(jīng)在梅賽德斯奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、蓮花、曼恩等歐洲汽車公司的各種車型中大量應用。在中國，雖然目前復合材料年產(chǎn)量已達到180萬t,但在汽車工業(yè)中年用量很小，2008年13萬t,因此具有很大的發(fā)展空間和廣闊的發(fā)展前景。常用的樹脂基復合材料主要是由纖維來增強。與金屬材料相比，纖維增強塑料FRP）不僅質量輕、比強度高、耐腐蝕性好，生產(chǎn)工序簡單，且能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因而生產(chǎn)效率高，成本較低。如果以單位體積計算，生產(chǎn)塑料制件的費用僅為有色金屬的十分之

3、一。另外，F(xiàn)RP還可使形狀復雜的金屬部件設計簡單化，可將相關零件集成在一個系統(tǒng)零件上，達到復雜零件一次成型的目的。如福特汽車通過將汽車發(fā)動機蓋改成模塑件，可有效整合原來11個金屬部件，大大簡化了生產(chǎn)過程。1.1玻璃纖維增強塑料（GFRP）GFRP在中國俗稱玻璃鋼，它不僅質量穩(wěn)定、資源豐富、成本低，而且吸收沖擊能量的性能、耐腐蝕性能較好，降低噪音的效果較好，且設計靈活，因此是目前汽車上應用最多的樹脂基復合材料，主要用于發(fā)動機、發(fā)動機周邊部件及車身。美國通用汽車公司從1990年開始，首先用玻璃鋼制造轎車發(fā)動機氣門罩、殼，隨后用于進氣歧管、油底殼、空濾器殼、齒輪室蓋、導風罩、進氣管護板、風扇導風圈、

4、加熱器蓋板、水箱部件、發(fā)動機隔音板等零件的制造，效果很好。另外，玻璃鋼還可用于車身結構件（如骨架、梁、柱等）、覆蓋件如格柵、前翼子板、頂蓋、車門、行李箱蓋、后側板等）以及保險杠、油箱等，也有用于整個車身殼體，如美國的雪佛蘭子彈頭、東風客車公司生產(chǎn)的DHZ6122HR高速客車等都是采用全玻璃鋼車身制造。從減輕汽車自重來看，采用玻璃鋼代替鋼材已成為車身結構發(fā)展的必然趨勢。在歐洲、美國及日本等汽車制造業(yè)發(fā)達的國家，已普遍采用玻璃鋼材料制造汽車零部件，如內裝飾件（儀表板、車門內板、座椅、發(fā)動機罩等）;外裝飾件（保險杠、擋泥板、導流罩等）;功能與結構件（天然氣氣瓶、油箱、風扇葉片、油氣踏板等）。為適應輕

5、量化的要求，歐美等國家中重型卡車外包覆件幾乎都是復合材料制造的。在很多名牌汽車上，使用玻璃纖維及其復合材料的也有很多，如美國林肯大陸使用的SMC發(fā)動機罩、保險杠、后部行李箱蓋、玻纖增強PET空調管、排氣門;美國凱迪拉克賽威的玻纖增強PPO后窗下部件;美國道奇InterpidESX2跑車的玻纖增強PET車身板;法國Envivo的玻璃鋼天然氣瓶;英國TVRChimaera跑車選用玻璃鋼作車身。在中國，大型、豪華客車中應用玻璃鋼較多，如廈門/蘇州金龍、西沃、安凱、鄭州宇通、丹東黃海、福田歐V等客車廠的幾乎所有車型都有應用，涉及部件有前后圍、前后保險杠、翼子板、輪護板、裙板（側圍板）、后視鏡、儀表板、

6、倉門板等。在中小型客車中，玻璃鋼也有應用，但相對萎縮，如南京依維柯S系列車的SMC前保險杠、手糊/RTM硬頂、BMC前大燈反射罩;都靈V系列車的SMC豪華面罩、電動門總成、三角窗總成、后行李廂門總成和FRP后圍總成;英格爾轎車的后導流板和乘用車優(yōu)尼柯的前導流板;春蘭中型車的前導流板和吉利轎車的前、后保險桿、后導流板等。但是，與國外相比，中國生產(chǎn)的汽車用玻璃鋼部件較少，而且大部分是用手糊法或RTM生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，產(chǎn)品檔次也不高。當然，隨著近年來引進車型相關部件的國產(chǎn)化以及國產(chǎn)車型的改進和更新，會有越來越多的車型開始采用玻璃鋼部件。1.2碳（石墨）纖維增強復合材料（CFRP）碳纖維增強樹脂基復

7、合材料具有足夠的強度和剛度，以及優(yōu)良的綜合性能，是制造汽車車身、底盤等主要結構件的最輕材料（僅相當于鋼結構質量的六分之一到三分之一），受到汽車工業(yè)廣泛重視。常用于制造汽車車身、發(fā)動機零件等，可有效降低汽車自重并提高汽車性能。用CFRP制造的板簧零件強度高、模量大、熱膨脹系數(shù)小，減磨性好，質量只有14kg,比現(xiàn)有材質質量減輕76%;碳纖維傳動軸也已經(jīng)問世;福特公司用碳纖維制造的車門斜鉸鏈系統(tǒng)，保證了在車門打開時不需要附加支撐;碳纖維汽車座椅加熱裝置也在推廣使用。但是，碳纖維過高的成本使CFRP在汽車中的應用受到限制，目前僅在一些F1賽車、高級轎車、小批量車型上有所應用。如寶馬公司的Z-9、Z-2

8、2的車身;M3、M6系列車頂篷和車身;通用公司的Ultralite車身;福特公司的GT40車身;保時捷911GT3承載式車身等。為擴大CFRP在汽車中的應用，美國、歐洲、日本等正在加緊研究開發(fā)廉價碳纖維的原絲和碳纖維低成本、高速率的生產(chǎn)工藝，以降低碳纖維的價格。國際上也已將CFRP在汽車中的應用列為汽車輕量化材料發(fā)展計劃的關鍵內容，并取得了重大進展，預期2010年將得到大量應用。13芳綸纖維增強復合材料芳綸纖維增強復合材料由于比強度、比模量較高，在航空航天、艦船領域應用廣泛，在汽車制造業(yè)也有廣闊的應用前景。但因為價格太高，目前在汽車上的應用還不多，主要用于汽車上的輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料

9、、高壓氣瓶等。作為高性能防護材料，芳綸纖維還可用作汽車防彈裝甲，例如汽車門及汽車外殼的防彈內襯。意大利ETR500高速列車的車頭前突部分采用了芳綸纖維增強柔性環(huán)氧乙烯基酯樹脂復合材料，使車頭具有優(yōu)異的抗沖擊能力。近年來中國軍工企業(yè)相繼成功開發(fā)了多種型號的玻璃纖維和芳綸纖維復合材料用于運鈔車和防暴車，還研制了透明防彈板和人體防彈材料，用于汽車觀察部位和駕駛員自身防護。隨著科研力度的加大，將會有更多性能及用途獨特的芳綸纖維增強復合材料得到推廣或被進一步改性。4GMTGMT（glassfibermatreinforcedthermorplastics）是以熱塑性樹脂為基體、以玻璃纖維氈為增強體的復合

10、材料。GMT材料密度低、強度高、力學性能均衡，可以回收再利用，在汽車、化工、運輸、建筑等行業(yè)的應用日趨廣泛。車用GMT材料常以片材供應，片材制備是將樹脂薄膜或熔融樹脂與玻璃纖維氈交替層疊，經(jīng)過熱熔融、加壓浸漬和冷卻定型復合成片材。玻璃纖維氈對片材性能有重要的影響，復合中采用連續(xù)氈片材料，各項力學性能均衡，既有較高的彎曲、拉伸強度，又有很好的抗沖擊強度，是PP（聚丙烯）/GMT片材較理想的增強材料。纖維復合體具有高流動性能，使薄壁化汽車元件的生產(chǎn)能實現(xiàn)低成本，這些元件的耐沖擊性能、機械強度和硬度都得到提高。以熱塑性樹脂為基體，通過加溫、加壓制成的GMT復合材料，是目前國際上極為活躍的復合材料開發(fā)

11、新品種，被視為世紀新材料之一。輕質高強度的GMT片材，通過結構優(yōu)設計，可取代部分金屬材料，獲得顯著的減重效果，而且節(jié)省模具費用（僅為金屬沖壓模具的10%20%），并有利于多種零件組合，形成模塊化生產(chǎn)方式。用GMT片材可較原金屬件減重30%80%，能耗僅為鋼制品的60%80%，鋁制品35%50%，價格低于同體積的金屬制品。由聚丙烯制成的玻璃氈片增強型熱塑料主要用在汽車工業(yè)中表面積大的元件中。德國是應用GMT制造汽車部件最早最多的國家。德國的寶馬、奧迪、大眾、高爾夫等轎車均應用了GMT部件。據(jù)報道，新款奔馳轎車所用的GMT部件超過30kg。美國的GMT產(chǎn)品中有80%用于汽車部件。福特、通用、克萊斯

12、勒等公司轎車部件大多數(shù)使用了GMT，如保險杠、蓄電池托架、行李架、備胎盤、儀表板、前圍、擋泥板、風扇葉片等。未來的轎車將越來越輕、越來越便宜，而同時也要承受更嚴格的安全、舒適度和設計上的要求，這就要求在高強度結構件中更多地利用聚合物和復合材料，它們必須能夠吸收相當?shù)呢摵珊驮谂鲎矔r產(chǎn)生的一部分沖擊能量。在這方面GMT是一種重要的復合材料，現(xiàn)在轎車的坐椅、儀表板等都已是由GMT做成的。GMT不僅提供極佳的性能（模量、強度、抗沖擊、密度等），而且依靠流塑工藝，很容易被加工成復雜零件，這是它的一個優(yōu)勢，也使低成本、大批量地生產(chǎn)大表面積結構件成為可能。在過去的幾年中，GMT已取得了較大發(fā)展和進步，能夠滿

13、足現(xiàn)在和將來的需要。如國內的上海通用別克凱悅、君悅后靠背骨架總成，上海大眾帕薩特B5底部防護板都采用GMT材料制造。GMT可以循環(huán)使用、隔熱、隔聲，是汽車用材料的發(fā)展方向，為熱塑性復合材料的應用提供了發(fā)展機遇。隨著GMT新品種的開發(fā)，GMT在汽車工業(yè)中的應用已達40多種，主要有坐椅骨架、保險杠、儀表板、發(fā)動機罩、電池托架、腳踏板、前端、地板、護板、后牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件，使得GMT在汽車上得到越來越廣泛的應用。2 金屬基復合材料在汽車上的應用21金屬基復合材料的特點金屬基復合材料具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點，這些與樹脂基復合材料相似，此外，它還耐高溫、

14、防燃，橫向強度與剛度高，不吸潮，高導熱與高導電，抗輻射性能好，而且在使用時不釋放氣體。22金屬基復合材料應用金屬基復合材料用于汽車工業(yè)的主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基復合材料和鎂基復合材料。目前，鋁基復合材料一般采用鋁硅合金。常用的填充增強劑有陶瓷纖維、晶須和微粒等。與常用汽車材料鋁合金相比，鋁基復合材料具有質量輕、比強度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優(yōu)點，是汽車輕量化的理想材料，已經(jīng)在汽車制動盤、制動鼓、保持架、驅動軸、發(fā)動機零件上得到應用。目前，由低密度金屬和增強陶瓷纖維組成的高性能鋁活塞已有所應用。國外推出了氧化鋁纖維增強活塞頂?shù)匿X活塞、氧化鋁增強的鎂合金制造的活塞氧化鋁纖維及不銹

15、鋼纖維增強的鋁基復合材料連桿等，進一步擴大了復合材料在活塞上的應用。中國西安康博新材料公司開發(fā)的、小批量生產(chǎn)的微納米鋁基高功率復合材料活塞質量穩(wěn)定，現(xiàn)已經(jīng)裝備部隊，說明這種復合材料的工業(yè)化生產(chǎn)技術已經(jīng)成熟。用氧化鋁纖維及不銹鋼纖維增強的鋁基復合材料連桿也已經(jīng)分別在日、美等多家公司試用。這種連桿質量輕、強度好，而膨脹系數(shù)小，有利于提高發(fā)動機效率。鋁基復合材料也被用于剎車輪。其特點是可使質量減輕30%60%，而且導熱性好。美國一汽車公司已研制出用SiC粒子增強的AI-10Si-Mg基復合材料制成的剎車輪。目前，中國上汽集團已經(jīng)和有關高校合作，進行鋁基復合材料汽車制動盤的研制，將用于上汽集團獨立開發(fā)

16、、具有自主知識產(chǎn)權的轎車剎車系統(tǒng)。用纖維增強的鈦合金基復合材料在高達815r時強度比鎳基超耐熱合金高2倍，是較理想的渦輪發(fā)動機材料，美國已制成壓氣機圓盤、葉片等。此外，碳纖維增強鋁基傳動軸、顆粒增強鋁基輪胎螺栓也開始應用于汽車，并取得了顯著的增重、提高強度、剛度和動力性能的效果。隨著復合材料制備技術以及性能的不斷提高，以及價格的日益下降，金屬基復合材料必將在汽車上得到越來越廣泛的應用。3 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料具有耐高溫、耐磨性好、耐腐蝕性好、膨脹系數(shù)低、隔熱性能好、密度低等特點，且資源豐富，因而應用前景非常廣闊。尤其適合應用在一些易磨損部件上。目前，已經(jīng)在轎車發(fā)動機渦輪增壓器上取得成功

17、，也有用于軸承、剎車片、氣缸蓋、活塞、活塞銷以及排氣管等。但是阻礙陶瓷基復合材料大規(guī)模應用的主要障礙是價格和可靠性。如何降低成本和提高可靠性，是世界各國正在努力研究的問題。4 總結復合材料應用于汽車已有五十多年的歷史，在很多零部件應用方面也取得了成功。但就大批量生產(chǎn)的汽車，復合材料的應用還是很有限的，主要原因是許多和復合材料使用相關的技術問題仍沒有得到很好地解決，其中包括準確的材料定性、生產(chǎn)、油漆、維修、和金屬材料的連接以及回收等問題。為解決這些問題，近年來適應綠色環(huán)保要求的熱塑性復合材料、天然纖維增強復合材料正成為汽車用復合材料的新發(fā)展方向。有理由相信，在科學技術日新月異的今天，尤其是隨著復

18、合材料原材料、工藝與技術的不斷發(fā)展，更高性能的復合材料將越來越多地應用在汽車領域中。5 參考文獻1 復合材料在車輛制造中得到日益廣泛的應用J/OL.化工網(wǎng)：2008-08-19.http:/chinapuworldcom/html/2008819/65953200Html2 鄭學森，潘徽輝.玻璃鋼/復合材料在汽車工業(yè)中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向J.新材料產(chǎn)業(yè)，2008(3):25-323 李彥春.國內外玻璃鋼/復合材料在汽車上應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢】J.熱固性樹脂，2001(6):14-174汽車工業(yè)應用玻璃纖維概況J/OL汽車新材料網(wǎng):2009-11-12http:/wwwautopucom/new_viewasp?id=43595 馬翠英，黃暉，王福生.樹脂基復合材料及其在汽車工業(yè)中的應用J.汽車工藝與材料，2005(11):37-396 張廣平，胡海軍.新型聚丙烯復合材料及其在汽車上的應用J/OL.汽車新材料網(wǎng)：2008-03-06http:/wwwautopucom/new_viewasp?id=27297 李忠恒，李軍，宦勝民，等.汽車用高性能SMC復合材料J.纖維復合材料，2009，26(2):27-298 史愛萍.增強鋁基復合