復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用淺析

焦立冰

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法組合成的一種具有新性能的材料。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、高比強度和比模量、可設(shè)計性等特點，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。近年來，化工水平的不斷提高，復(fù)合材料中纖維以及樹脂等原材料的價格下降，工藝水平不斷提高、批量化生產(chǎn)能力的提升，也為復(fù)合材料在交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供了優(yōu)良的契機。

目前，對于環(huán)境問題的重視以及對于節(jié)能減排的迫切需求使得各國在汽車以及軌道交通領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料的應(yīng)用加大了研發(fā)的投入，各大企業(yè)也在復(fù)合材料應(yīng)用方面不斷推動技術(shù)創(chuàng)新以及拓展復(fù)合材料應(yīng)用范圍以提高自身競爭力。

一、復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

復(fù)合材料作為一種新型材料，以其獨特的優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，對于目前競爭日益激烈以及對于輕量化要求不斷提高的汽車領(lǐng)域，復(fù)合材料也在以下幾個方面凸顯了其在這一領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。

1.具有優(yōu)異的力學(xué)性能、各向異性非均質(zhì)

復(fù)合材料的特點是比強度與比模量高。比強度、比模量分別是指材料的強度和模量與密度之比，當(dāng)比強度越高時，同一強度下零件的自重就越??；當(dāng)比模量越高時，零件的剛性就越大。因此這2種性能的提高，對需要很高力學(xué)性能且高速運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)件，和需減輕自重與增強承載能力的運輸工具具有重要意義。復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)材料，如纖維增強復(fù)合材料，其沿纖維方向的比強度比模量明顯優(yōu)于垂直于纖維方向，因此在其力學(xué)性能上其具有各向異性。

2.性能具有可設(shè)計性，可實現(xiàn)整體化設(shè)計與成型

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的性能均具有可設(shè)計性，不同于傳統(tǒng)非復(fù)合材料的性能已經(jīng)確定，復(fù)合材料的性能可通過相應(yīng)設(shè)計來實現(xiàn)。其中基體材料與增強材料的選擇、纖維方向的選擇、鋪層的設(shè)計都可以影響復(fù)合材料的整體性能，并可根據(jù)組成復(fù)合材料的基體材料以及增強材料的參數(shù)對于復(fù)合材料的性能進行計算。相比于傳統(tǒng)材料制造的零件通過鉚接、焊接等方式進行連接，復(fù)合材料可通過合理的設(shè)計以及適當(dāng)?shù)墓に囃瓿烧w成型，可提升零件整體的性能、降低成本、減輕整體質(zhì)量。

3.抗疲勞、減震降噪、耐腐蝕

復(fù)合材料除了具有良好的力學(xué)性能外，也具有抗疲勞、耐腐蝕、減震等優(yōu)異特性。以廣泛應(yīng)用的纖維增強復(fù)合材料為例，由于其纖維與基體間存在界面，外加載荷由基體傳至增強纖維承擔(dān)。而且界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，對大多金屬材料而言，其疲勞強度極限是拉伸強度的30%～50%，相應(yīng)的復(fù)合材料則可達(dá)到60%～80%。復(fù)合材料可以通過復(fù)合材料的界面以及夾層結(jié)構(gòu)吸能，可以有效提高其減震降噪的效果，因此也在地面交通的應(yīng)用中有較大的優(yōu)勢。此外，復(fù)合材料化學(xué)穩(wěn)定性很強，如使用纖維增強酚醛樹脂，所得材料可以在含氯離子的酸性介質(zhì)中長期使用；采用玻璃纖維增強的塑料，可用于制造出耐強酸、鹽和某些溶劑腐蝕的泵、閥、容器和管道等設(shè)備；使用耐堿纖維與塑料復(fù)合而成的材料，還可以在強堿性環(huán)境中使用。

4.結(jié)構(gòu)功能一體化

熱塑性塑料耐磨性能并不出色，但在其中加入少量的短切碳纖維合成復(fù)合材料后，其耐磨性能可增加幾倍。例如采用碳纖維增強后的聚丙烯（PP）復(fù)合材料，其耐磨性為本身的2.5倍，對應(yīng)的聚四氟乙烯為本身的3倍，而聚氯乙烯則達(dá)到本身的3.8倍。當(dāng)選用適當(dāng)塑料與鋼板復(fù)合時，能得到性能極佳、可用于制作耐磨物件的材料。例如用聚四氟乙烯或聚甲醛為表層、多孔青銅和鋼板為里層制成的3層復(fù)合材料，是制成滑動軸承的良好材料。

所以從降低模具加工成本，減輕制件本身質(zhì)量以及增加設(shè)計自由度和零件集成程度方面考慮，復(fù)合材料的應(yīng)用都成為各國以及各大企業(yè)對技術(shù)革新和改善的重要方向。

二、復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車領(lǐng)域一直追求不斷降低油耗和能量消耗，其輕量化已成為趨勢，而復(fù)合材料由于其比強度、比模量高的特點，在汽車輕量化過程中有很大的應(yīng)用前景；反之汽車輕量化的迫切需求，也推動著相關(guān)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展。

復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)擁有較長的歷史，從1952年，通用汽車公司推出的一款采用玻璃纖維制造的“Corvette”跑車至今已經(jīng)過去了六十余年。在這些年的發(fā)展中，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍被不斷推廣，其已被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機蓋、前后保險杠、內(nèi)飾及板彈簧等部件的設(shè)計與制造。

1.增強塑料及玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的應(yīng)用

復(fù)合材料應(yīng)用于汽車上的功能構(gòu)件及內(nèi)飾材料較為成熟，各廠家不斷優(yōu)化材料的工藝性并且提高材料的美感。例如使用增強PP制作發(fā)動機冷卻風(fēng)扇葉片和正時齒帶上下罩蓋等制品。

荷蘭利安德巴塞爾公司（LyondellBasell）曾推出的新型Softell配混物，具有柔軟的觸感，既可作為汽車內(nèi)飾材料，亦可增加美感，德國歐寶公司（Opel）已經(jīng)將其用于新車型Astra的儀表板以及車門面板的生產(chǎn)。

在梅塞德斯奔馳C級轎車上，使用Mahle過濾系統(tǒng)公司提供的復(fù)合材料流體過濾組件，該組件采用朗盛公司的35%玻纖增強的Durethan AKV PA 66制成，相對于傳統(tǒng)材料減輕了38%的質(zhì)量。

寶馬公司7系車型，通過擠出模壓成型技術(shù)，使用供應(yīng)商Faist提供的Stamax P30YK430材料，來制作引擎降噪板和底部護板。其綜合成本比玻纖熱塑料（GMT）更低，而且對汽車底部的保護較好。

克萊斯勒集團有限責(zé)任公司Jeep汽車使用了并行片狀模塑料（SMC）遮陽板，其在減重的基礎(chǔ)上也可以增加客戶的使用體驗，3片SMC的遮陽硬頂可以便于用戶的移動。

2.碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的應(yīng)用

經(jīng)過多年發(fā)展玻璃纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，包括SMC、長纖維增強熱塑性材料（LFT）以及GMT等成型工藝都得到不斷的改進，可以進行批量化生產(chǎn)。但玻璃纖維也存在強度和剛度不足的缺點，這就限制了其主要用于非承力構(gòu)件。而碳纖維復(fù)合材料，作為先進復(fù)合材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能已廣泛應(yīng)用于航空航天等軍工產(chǎn)品領(lǐng)域，其可以與汽車所用的鋼結(jié)構(gòu)媲美，并在輕量化方面及能量吸收方面更勝一籌。近年來隨著國際及國內(nèi)碳纖維價格的下降，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用范圍也不斷拓寬。其可作為受力骨架、底盤、車頂、車門、保險杠、輪轂、傳動軸、板簧等，其車種也有高檔跑車到普通轎車、客車和火車等。并且碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也成為車輛高品質(zhì)的象征。

2003年克萊斯勒集團有限責(zé)任公司推出的Dodge Viper型跑車，采用碳纖維復(fù)合材料來制作擋板支架系統(tǒng)，這也是此項技術(shù)在大型底盤和車身外部部件的首次應(yīng)用。新款奔馳SLR的車身殼體、車門和發(fā)動機罩都采用了碳纖維復(fù)合材料。特拉斯開發(fā)的具有電動汽車Roadster的雙座跑車也同樣擁有碳纖維車身。寶馬公司M系列車頂采用碳纖維復(fù)合材料，其使用了Hexcel的多軸增強材料。寶馬公司也宣布與SGL集團成立一家合資公司，開發(fā)生產(chǎn)碳纖維材料。

碳纖維復(fù)合材料不僅可以應(yīng)用于車身，發(fā)動機罩蓋也可以采用碳纖維復(fù)合材料進行制造，其不僅質(zhì)量輕也便于生產(chǎn)，綜合成本低。通用汽車Cheverolet Corvette Z06紀(jì)念版轎車發(fā)動機罩蓋采用碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量僅為9.3kg。此發(fā)動機罩外板采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制備，內(nèi)板為SMC和低密度玻纖共混而成。

法國SP公司通過樹脂膜浸漬技術(shù)使用碳纖維增強材料和樹脂薄膜制備發(fā)動機罩蓋，其可不使用高成本的熱壓罐成型，實現(xiàn)低溫固化，也可保持高質(zhì)量無空隙表面光潔度。

近年來國內(nèi)汽車行業(yè)飛速發(fā)展，對于碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)上也投入較大的研發(fā)力度，并采取與具有技術(shù)基礎(chǔ)雄厚的復(fù)合材料公司進行合作，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司與中國第一汽車集團公司、長安汽車股份有限公司、比亞迪股份有限公司等公司在汽車引擎蓋、傳動軸、輪轂、板簧、整體車身等項目上都具有緊密合作。

目前也有許多全復(fù)合材料轎車問世，以其優(yōu)異的性能和創(chuàng)新的理念吸引各方關(guān)注。意大利研制的“K200 ROAD”全座復(fù)合材料轎車，該車采用熱壓罐成型，使用整體成型方法。荷蘭曾試制全復(fù)合材料電動巴士，長15m、寬2.5m、高1.5m，采用環(huán)氧樹脂，使用真空灌注的方法成型。其不僅具有阻尼性且其復(fù)合材料傳動軸板簧相比于鋼制材料可減重50%～60%。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司采用國產(chǎn)碳纖維完成了全復(fù)合材料電動客車車身，車身全長12m，整車質(zhì)量為8.5t。

3.新形式及環(huán)保型復(fù)合材料的應(yīng)用

相比于傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域有其獨有的特點，如高比強度比模量、可設(shè)計性等特點。針對可設(shè)計性的特點，可將其與其他材料相結(jié)合使其不僅在力學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異也使其具有特定的功能。所以，將復(fù)合材料以新的形式進行開發(fā)和利用，突出其結(jié)構(gòu)功能一體化也成為了一個重要方向。復(fù)合材料雖然具有諸多優(yōu)點，但其回收問題一直是限制復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的難點。近年來對于環(huán)境的重視，對于節(jié)能減排要求的不斷提升，為復(fù)合材料在汽車輕量化方向上提供了發(fā)展契機，也同樣為復(fù)合材料的回收提出了更高的要求。傳統(tǒng)的玻璃纖維與碳纖維復(fù)合材料特別是熱固性材料難回收而且難降解，給環(huán)境帶來困擾。

起亞汽車（Kia Motor）美國公司的插入式混合動力4座小轎車Ray采用大量復(fù)合材料，這款概念車采用了輕質(zhì)回收材料，太陽能電池嵌在玻璃車頂上。法國國家科學(xué)研究中心正在研究大麻和聚氨酯，期望嘗試以其為原料來制作復(fù)合材料，此種材料將會具有價格更便宜、質(zhì)量更輕、韌度更強，而且具有可生物降解的特點。

英國倫敦皇家學(xué)院及其合作者曾研發(fā)出一種碳纖維復(fù)合材料并申請了專利，此材料可用于存儲和釋放電能，不僅耐用、質(zhì)量輕且力學(xué)性能出色，可用于結(jié)構(gòu)件和車身面板的制造。使用該材料制成的汽車，其本身就可以看作一個電池，由于其充放電過程不包含化學(xué)反應(yīng)，因此電池性能不會隨時間而衰減。

三、復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用需求

1.建立復(fù)合材料的設(shè)計理念

復(fù)合材料的設(shè)計不同于傳統(tǒng)材料，其設(shè)計、材料、工藝是3大要點，但其并非獨立，三者之間存在著密切的聯(lián)系。目前復(fù)合材料主要用于代替金屬材料進行使用，所以在設(shè)計方面也會存在“替代材料”的設(shè)計思想。而真正要實現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)勢，就需要在設(shè)計理念上進行創(chuàng)新，針對復(fù)合材料自身特點，結(jié)合材料及工藝性進行設(shè)計。

2.低成本材料

目前復(fù)合材料特別是先進復(fù)合材料主要的應(yīng)用范圍為航空航天領(lǐng)域，所使用的增強材料和基體材料，特別是碳纖維復(fù)合材料中的高性能碳纖維以及熱固性樹脂，其相比于常用材料價格較高。而目前汽車領(lǐng)域的應(yīng)用就需要針對應(yīng)用范圍開發(fā)新型的材料體系，降低原材料成本也成為主要的需求方向。針對汽車使用的原材料，應(yīng)注重研發(fā)其適用的低成本纖維材料，以及低溫固化樹脂以及快速固化樹脂體系。另外基于環(huán)保方面的要求，天然纖維以及混雜纖維的材料體系也將是發(fā)展的主要需求。

3.低成本工藝

復(fù)合材料的成本不僅僅在于材料，很大一部分更在于工藝，因而低成本制造技術(shù)的開發(fā)成為復(fù)合材料能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前復(fù)合材料的成型方法包括模壓成型、熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型、真空灌注成型等多種方法。航空航天結(jié)構(gòu)件主要采用熱壓罐成型的方法，此種方法采用預(yù)浸料進行鋪貼、然后使材料在高溫高壓下成型，制件的表面狀態(tài)和整體性能優(yōu)異，但成本較高。而低成本快速成型的技術(shù)中，樹脂傳遞模塑成型技術(shù)占有較為重要的地位，其中包含有真空輔助模塑傳遞技術(shù)，高壓樹脂傳遞模塑成型等。這類工藝的成產(chǎn)節(jié)奏較快并且不需熱壓罐等設(shè)備，所以可以在一定程度上降低成本。因此如何實現(xiàn)低成本的工藝也是今后復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域發(fā)展的一個重要需求。

4.整體化解決方案

復(fù)合材料的一個重要的優(yōu)勢就是其可實現(xiàn)整體成型，通過整體成型的實現(xiàn)可以有效的減少零件的數(shù)量。目前可采用共固化共膠接等方法來實現(xiàn)整體化方案。通過整體化方案的實施可實現(xiàn)復(fù)合材料在輕量化方向的優(yōu)勢以及減少人工和時間成本。整體化方案的制定需要從設(shè)計、材料、工藝等多方面考慮，其存在著較大難度，也是復(fù)合材料應(yīng)用的一個需求。

四、結(jié)語

目前復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展的時期，而現(xiàn)在也正是汽車需求量不斷增長的階段，并且復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用可解決目前汽車行業(yè)所面臨的輕量化需求，使得復(fù)合材料得到了汽車領(lǐng)域極為廣泛的關(guān)注。經(jīng)過多年的不斷嘗試探索，復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)積累了部分成熟產(chǎn)品，也在不斷創(chuàng)新新型產(chǎn)品，碳纖維復(fù)合材料以及環(huán)保型復(fù)合材料方面也在不斷創(chuàng)新。為使得復(fù)合材料能夠在汽車領(lǐng)域更加有效和廣泛應(yīng)用，建立復(fù)合材料設(shè)計理念，加快對低成本材料體系和低成本制造工藝的探索，以及努力尋求整體化解決方案也成為了今后復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的主要需求。