基于汽車輕量化制造的熱固性復合材料淺析

高希，楊世文

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

工藝·設備·材料

基于汽車輕量化制造的熱固性復合材料淺析

高希，楊世文

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

本文列舉熱固性復合材料在汽車領域目前應用所處的現狀，然后對汽車用的熱固性復合材料進行詳細說明，對目前存在的一些加工工藝進行相關說明，包括其特性和制造方法，并比較不同加工工藝特點，同時還探討了碳纖維增強熱固性復合材料在汽車上的應用，列舉一些量產車上的應用實例。

熱固性聚合物；SMC；RTM；SRIM；真空袋壓成型；碳纖維增強熱固性復合材料

CLC NO.:U465.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-84-05

引言

大多數用于今天的汽車車身和底盤的長纖維及連續(xù)纖維增強聚合物基體復合材料都以熱固性聚合物為基礎。使用熱固性聚合物而不是用熱塑性聚合物主要是因為熱固性聚合物粘度低得多的緣故，這樣，熱固性聚合物就能更容易地與長而連續(xù)的纖維結合而生產出高強度、高彈性模量的結構復合材料。

目前，熱固性復合材料在汽車上的應用包括：散熱器支架，保險杠桿、翼子板、發(fā)動機罩、天窗板。在底盤、懸架和傳動系統(tǒng)的零件方面，熱固性復合材料也有應用，如葉片彈簧、橫梁和傳動軸。預計在未來的汽車上，特別是因為減輕汽車重量將成為改善燃油效率所首選的一個重要措施的情況下，碳纖維增強熱固性復合材料將得到更多的應用。

本文將展示熱固性復合材料在汽車上應用的技術現狀。并介紹材料和材料選擇應考慮的問題，然后介紹利用熱固性復合材料制造結構件的主要制造

方法。對碳纖維增強熱固性復合材料在汽車上的應用進行一些探討【1】。

1、材料

1.1 材料選擇應考慮的問題

纖維增強聚合物的制備要將纖維與聚合物基體進行結合。這些成分中的每一種都有各自的作用。纖維（特點是彈性模量高）主要用于承載；聚合物基體用作結合劑，不僅要將纖維保持在正確的位置上，還要在纖維間提供傳力機能。

聚合物基體復合材料中的纖維可以使連續(xù)纖維或不連續(xù)纖維，在承載方面和提供高強度彈性模量方面，連續(xù)纖維的效果比不連續(xù)纖維要好得多。對單向連續(xù)纖維增強復合材料，所有的纖維都定向在受力的方向（見圖1），沿著纖維方向的縱向彈性模量和強度可用下列等式給出：

式中，和分別為單向連續(xù)纖維復合材料的縱向彈性模量和縱向強度；和分別為選定纖維的彈性模量和縱向強度；是復合材料中纖維的體積分數。

式（1）表明，為了使復合材料獲得高的縱向彈性模量，應該選擇高彈性模量纖維。碳纖維的彈性模量高于玻璃纖維，因此，對于高剛度的應用場合，更希望采用碳纖維。如果希望復合材料有高的縱向強度，等式（2）同樣也反映了選擇高強度纖維的重要性【2】。

單向連續(xù)纖維復合材料的性能取決于纖維的走向與受力方向的夾角（見圖2）。當纖維的走向與受力方向一致時，彈性模量和強度最高。與此相反，對于各向同性材料，如鋼和鋁合金，所以方向的性能都相同。

為了獲得所希望的剛度或承載能力，可以改變纖維增強復合材料中的纖維走向。對于經受單向應力條件的細長桿或者橫拉桿的設計，要將纖維的走向定在該桿件的長度方向上，從而使纖維走向與應力方向一致。常見的層壓板在其平面內的所有方向上具有相同的彈性模量，它是一種對稱的準各向同性層壓板，例如[0/90/45/-45/-45/45/90/0]層壓板如圖（圖3a。為了獲得最大的彎曲剛度，兩個0°層放在層壓板的外側。對于一根承受扭矩作用的管件來說，主應力位于與管的方向成45°或者-45°的方向上，并且在這樣的應用中，推薦采用一種[45/-45/-45/ 45]的對稱層壓材料。這樣的層壓板的結構如圖3b。

如果使用非連續(xù)纖維而不采用連續(xù)纖維，纖維長度便成為決定復合材料的彈性模量與強度的另一個重要的參數【3】。

1.2 纖維

纖維是纖維增強聚合物中的主要承受載荷的元

件。適當地選擇纖維類型、纖維體積分數、纖維長度和纖維方向角這些影響復合材料彈性模量、強度、扛疲勞性與電學性能以及熱性能的參數，對纖維增強復合材料獲得理想性能非常重要。纖維的選擇還會影響復合材料的密度和成本。

表1列車了可作為商品買到的并認為適合于汽車應用的若干纖維的性能。E-玻璃纖維是今天最常用的增強纖維。S-玻璃纖維是另一種玻璃纖維，它是為制造飛機零件和導彈殼而開發(fā)的，它們的抗拉強度在所有纖維中是最高的。碳纖維有各種不同的拉伸彈性模量，范圍為207～1035MPA。另外還有一種有機聚合物芳綸纖維，商品名叫kevlar，目前在可獲得的增強纖維中，芳綸纖維密度最低，而抗拉強度-密度比最高。

表1 幾種選擇的增強纖維的性能比較

1.3 熱固性聚合物

聚合物基復合材料中的基體并不承受多少載荷，但是，正如前面所提及的那樣，它的主要作用之一是將載荷從一根纖維傳給另一根纖維。它影響著復合材料的抗壓強度和抗剪強度，形成復合材料和能力吸收能力。

汽車工業(yè)常用的熱固性聚合物是聚酯或乙烯基酯。環(huán)氧樹脂的力學性能高于聚酯和乙烯基酯，并且是宇航復合材料中用作基體材料的主要熱固性塑料。表2列出了聚酯、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂的性能【4】。

表2 熱固性復合材料常用的熱固性聚合物性能

聚酯成本低，粘度低，加工容易，固化速度快，因此這種材料在汽車上得到了許多應用。乙烯基酯相似，但卻比聚酯更貴。它們的力學性能也優(yōu)于聚酯。聚酯和乙烯基酯的模制收縮量高于環(huán)氧樹脂，然而與聚酯相比，它們都具有優(yōu)異的耐潮濕能力。對于承受疲勞載荷和沖擊載荷的零件，最好使用乙烯基酯樹脂而不使用聚酯。

2、 加工工藝

熱固性聚合物基體零件的加工涉及在高溫下未固化或部分固化的熱固性樹脂的固化。為了激發(fā)和維持將未固化或部分固化的材料轉變成完全固化的固體的化學反應，需要有高的固化溫度。

2.1 壓縮成型

目前，在汽車工業(yè)中，壓縮成型是生產熱固性復合材料零件最常用的制造工藝。這主要因為壓縮成型生產率高、能夠生產形狀復雜的大型零件和能夠實現自動化。壓縮成型零件有內、外車身板，座椅，行李箱蓋板，尾門，貨箱，保險杠桿，散熱器支架，車輪和橫梁等。

壓縮成型的加工成本低于模鍛同樣尺寸的鋼制零件的加工成本。由于這個原因，在年產量可高達150000～200000個零件的情況下，壓縮成型比沖壓有競爭力。

縮成型法利用片狀模壓復合料（SMC）作為原材料。SMC作為一種含有分布在熱固性樹脂中的纖維的已準備好等待模型成型的薄薄的連續(xù)板材。目前使用的大部分片狀模壓復合料(SMC)都含有任意

走向的連續(xù)纖維，纖維長度一般為25mm。SMC板也可以在纖維方向具有高彈性模量和高強度的連續(xù)纖維來制備如表3。

表3 各種成型復合板（SMC）復合材料的性能

2.SMC-C20R30內含有質量分數為20%的單向連續(xù)E-玻璃纖維和質量分數為30%的任意走向E-玻璃纖維。

3.“L”和“T”分別表示縱向和橫向。

2.2 樹脂傳遞成型

樹脂傳遞成型（RTM）是一種通過一個干纖維層推或者放在封閉模膛內的干纖維預成型件，利用具有一定壓力的熔融態(tài)樹脂注射的熔融態(tài)注射成型工藝。RTM中的樹脂或者是聚酯，乙烯基酯，或者是環(huán)氧樹脂，并且在這些樹脂中加有催化劑即固化劑和其他成分[如填料、溶劑（用于降低初始粘度）等]。

與壓縮成型法相比，RTM的加工成本很低，模具夾緊要求簡單。在某些情況下，只要使用一個棘輪夾具或一系列的螺栓和螺母，將模具的兩個半模保持在一起即可。

樹脂傳遞成型復合材料零件的質量取決于樹脂流是否穿透干纖維預成型件，因為這將決定著著模、纖維表面潤滑和成型件內的孔隙率。所發(fā)現的主要成型問題有：未完全充滿、有干點、數值分布不均、形成空隙、固化不均和固化不足。改善樹脂流動和模膛放氣對降低復合材料中的孔隙率很重要【5】。

2.3 結構反應注射成型

結構反應注射成型（SRIM）也是一種熔融態(tài)注射成型工藝，目前在汽車工業(yè)中用于制造大型外部車身零件，如輕型貨車貨廂。SRIM基于以下技術開發(fā)的，將兩種化學活動性極強的低粘度熔融態(tài)化學物質在攪拌室內以極高的速度直接相互撞擊，然后再將這個混合料噴入封閉的模膛內。如圖4

SRIM樹脂的粘度通常比RTM樹脂的粘度低一個數量級。由于SRIM樹脂的兩個組成部分具有極高的反應活性，所以要求使用一種速度快、壓力高的撞擊混合來將它們混合在一起。而RTM樹脂的組成部分通常利用低混合法進行混合。

2.4 纖維纏繞

纖維纏繞的基本操作是將一根聯系纖維從預先催化的熔融態(tài)熱固性樹脂中拉過去，然后為了生產空心零件再將它纏繞到一個旋轉的卷筒上。樹脂潤濕的纖維束沿著平行于轉軸的方向來回運動。根據卷筒的旋轉速度與纖維束的橫向速度的比值的不同，就會形成各種不同的纏繞型式。纖維纏繞法可用于制造像軸對稱空心管一樣簡單的零件，或像飛機機身或像汽車方向盤一樣復雜的零件。結構復雜且為非軸對稱零件的制造需要采用數控多軸纏絲機，這種機械現在可以買到。在汽車工業(yè)中，纖維纏繞法用于制造傳動軸、葉片彈簧、壓縮天然氣

（CNG）瓶和燃料電池汽車使用的儲氫罐。像車架縱梁和車頂縱梁這樣更復雜的零件也可以用纖維纏繞法制造。

2.5 真空袋壓成型

真空袋壓成型是一種在航天工業(yè)中極為常見的用于制造層壓結構件的主要的復合材料加工工藝。由于它是一種勞動密集型的工藝，并且生產周期長，所以限制了它在汽車工業(yè)中的應用。它主要用于制造汽車復合材料零件樣品，但未來可以用于制造大型零件，如車頂板、淺盤形地板，特別是在這些零件采用層壓結構并且產量較小的情況下。

3、碳纖維增強熱固性復合材料

表4 福特復合材料樣車中的碳纖維/環(huán)氧樹脂零件與鋼質零件之間的重量比較

盡管碳纖維增強熱固性復合材料與今天汽車上使用的其他材料相比非常昂貴，但是由于它們具有減輕重量的巨大潛力，汽車制造商仍然對它們很感興趣。不過，它們在批量生產的汽車上僅獲得了有限的應用，而大部分應用于小批量生產的運動車上，因為對這些汽車來說，客戶樂意花高價來獲取更好的加速性和性能。自20世紀70年代中期以來，已經制造了若干輛概念車與樣車，來驗證碳纖維增強復合材料在減重方面存在的巨大潛力。這些車輛均使用了已被證實的航天技術，如碳纖維增強環(huán)氧樹脂膠片和真空袋壓成型技術。這些車中最為有名的概念車是福特汽車公司于1979年開發(fā)的，它的開發(fā)目的是與鋼質批量生產的汽車進行直接的重量比較。如表4 。

最近幾年，若干汽車制造廠商已經開始在它們的批量生產汽車上采用碳纖維增強復合材料零件。盡管這些汽車是一些用于擺設的高價格汽車，但是涉及制造這些復合材料零件中，以及對它們在車上的表現進行評價的過程中所獲得的經驗將是特別有價值的【6】。

4、結論

主要由于玻璃纖維增強片狀模壓復合材料（SMC）在各種內、外車身零件上的應用，使纖維增強熱固性復合材料在汽車上的應用已經顯著增長。碳纖維增強復合材料除了比其他的結構具有更大的減輕重量的潛力之外，它們的大規(guī)模應用并沒有出現，其主要原因是成本高和碳纖維資源有限。也存在著生產周期長和缺少針對汽車環(huán)境的特定設計信息的問題。這些問題已經阻礙了纖維增強復合材料在汽車工業(yè)上的應用。為了纖維增強復合材料在未來汽車上得到更多的應用，需要開發(fā)更加有效的結構分析與設計工具，更加快速固化的樹脂，自動化的工藝過程和可靠性的非破壞性試驗工具。

[1] 王海東,王鈞,楊小利.高光面SMC 的研究[J].玻璃鋼, 2005.(2):34-37.

[2] 沈觀林,胡更開.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社,2006.

[3] 李建川,何凱.纖維增強熱固性復合材料構件的固化變形研究進展[J].纖維復合材料,2003.(01):45-48.

[4] 王竹青.美國熱固性復合材料汽車部件及其回收利用[J].復合材料1998.(05):31-32.

[5] 聶毓琴,孟廣偉,材料力學[M].北京:機械工程出版社,2004.

[6] P.K.邁利克.汽車輕量化-材料、設計和制造[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.05.

Discussion on thermoset composite basing on lightweigh of automobile

Gaoxi, Yang Shiwen

（Mechanical and Power engineering College, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051）

Development Status of Thermoset composite in automobile industry is summarized in this paper, then the paper introduce the thermosetting compositein more detail.Some processing technology of Thermoset composite is also introduced in this paper, including properties and manufacturing methods.The paper compares the different processing craft characteristic;at the same time the paper also investigate applications of carbon fiber reinforced thermoset composite in automotive, and list some production application examples.

thermoset composite; SMC; RTM; SRIM; bag moulding; carbon fiber reinforced thermoset composites

U465.6

A

1671-7988(2014)02-84-05

高希，碩士研究生，就讀于中北大學機械與動力工程學院，研究方向汽車輕量化。