纖維增強(qiáng)復(fù)合材料跟隨新能源汽車的同步發(fā)展研究

王華龍

（安康職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程學(xué)院，陜西 安康 725000）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被定義為由某些增強(qiáng)后的纖維材料與基體材料經(jīng)過一系列的加工工藝處理得到的復(fù)合材料，根據(jù)使用纖維種類的不同，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為三類，分別是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[1-3]。相比傳統(tǒng)的材料而言，纖維復(fù)合材料都具有極大的優(yōu)勢：材料性能的定向設(shè)計(jì)、熱膨脹系數(shù)小。同時(shí)由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，注定它具有高的比強(qiáng)度和比模量，同時(shí)抗腐蝕性能優(yōu)異[4]。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種種優(yōu)點(diǎn)，人們將其運(yùn)用在各種現(xiàn)代化工業(yè)中，承擔(dān)著在嚴(yán)苛工作環(huán)境下輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料的功能，廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁、海洋和油井等領(lǐng)域中。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)是我國人民生活中不可或缺的一環(huán)，給我們帶來更為便捷的生活方式，但汽車內(nèi)燃機(jī)使用的燃料均為不可再生能源，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源環(huán)境問題已經(jīng)成為人類發(fā)展和生存的重大問題，而在世界各地的大氣污染物的60%以上都來源于汽車尾氣的排放，基于這些原因，新能源汽車開始走進(jìn)世界的視野中[5]。而新能源汽車的電池系統(tǒng)會凈增加車體的重量，車體的重量一定程度上關(guān)系到節(jié)能減排問題和汽車本身的加速和制動性性能，所以汽車輕量化技術(shù)是新能源汽車的必由之路。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展無疑對汽車輕量化的發(fā)展有著很大的助力。

1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

現(xiàn)階段在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的玻璃纖維復(fù)合材料大多包括：玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性材料和樹脂傳遞模塑材料[6]。

1.1 玻璃纖維增強(qiáng)塑性材料

使用塑料材料代替某些金屬材料的使用已經(jīng)成為現(xiàn)在汽車領(lǐng)域研究的熱門，然而塑料的各項(xiàng)力學(xué)性能相比而言還是有很大的不足，為了對塑料材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行優(yōu)化，將玻璃纖維當(dāng)作增強(qiáng)材料成為了研究的熱門方向，稱為玻璃纖維增強(qiáng)塑料[7]。玻璃纖維的加入大幅增強(qiáng)了塑料的機(jī)械性能，使得玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料開始成為工程材料應(yīng)用。

目前汽車領(lǐng)域中使用的玻纖增強(qiáng)塑料主要是玻璃纖維增強(qiáng)處理后的復(fù)合PP、PA66、PA6和PBT等材料。增強(qiáng)PP材料主要應(yīng)用于汽車的發(fā)動機(jī)、冷卻風(fēng)扇葉片等物品上，但由于這些制品對外形工藝要求比較高，增強(qiáng)PP材料制品容易發(fā)生翹曲等現(xiàn)象，因此，研究人員開始使用滑石粉填充PP等代替。增強(qiáng)PA材料一般用于制作轎車或載貨車上的保險(xiǎn)楔塊、油門踏板和嵌裝螺母等小的功能件中。但值得注意的是，當(dāng)生產(chǎn)工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)容易發(fā)生局部斷裂的現(xiàn)象，造成零件的失效。而塑料進(jìn)氣歧管作為增強(qiáng)復(fù)合材料的新工藝產(chǎn)品，與原始的鋁合金制品相比，具有強(qiáng)度高質(zhì)量輕，表面光滑和減震、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，受到全世界汽車廠商的喜愛，但塑料進(jìn)氣歧管的制作原料大部分是玻璃纖維增強(qiáng)PA66或PA6，其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，國內(nèi)的廠商還不能開發(fā)出質(zhì)量相對較優(yōu)的工藝。

1.2 玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性塑料

玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是以玻璃纖維氈為增強(qiáng)骨架，以熱塑性樹脂為基體加工制成的復(fù)合材料，由于其節(jié)能且輕質(zhì)的特點(diǎn)，在全世界的汽車領(lǐng)域中有著極為出色的表現(xiàn)[8]。隨著新能源汽車對輕量化的重視以及環(huán)境友好化的要求，國內(nèi)外汽車工業(yè)對結(jié)構(gòu)部件材料的選擇開始傾向于使用GMT材料，GMT材料制作的產(chǎn)品韌性高、加工成本較低、生產(chǎn)工藝成型快、效率高，現(xiàn)在廣泛適用于生產(chǎn)支架、儀表板托架等。

1.3 片狀模塑料

片狀模塑料作為性能優(yōu)異、生產(chǎn)規(guī)模高和表面等級高的增強(qiáng)熱固性塑料，作為替代金屬車身板被大量應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，低密度SMC材料開始出現(xiàn)在人們的視線中，相比標(biāo)準(zhǔn)SMC材料的相對密度1.9而言，低密度SMC的相對密度低至1.3，在其實(shí)際應(yīng)用的測試中發(fā)現(xiàn)，低密度SMC材料制成的零部件要比標(biāo)準(zhǔn)SMC材料輕30%左右，比金屬制品要輕45%以上。

2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

碳纖維一般指碳含量高達(dá)95%及以上的，具有高強(qiáng)度和高模量的纖維狀石墨微晶材料，由于碳纖維的理化性質(zhì)，在工程上表現(xiàn)出耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變性能高等特點(diǎn)，且密度小質(zhì)量輕，但有著出色的剛度，同時(shí)膨脹系數(shù)也穩(wěn)定處于低值，在服役環(huán)境嚴(yán)苛的工業(yè)領(lǐng)域有著很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢[9]。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的制備方法得到長足的進(jìn)步，碳纖維材料開始從航空航天、交通運(yùn)輸?shù)雀呔忸I(lǐng)域下沉至生活日用中，如體育休閑、汽車制造等領(lǐng)域。然而碳纖維的本質(zhì)形狀是纖維體，很多情況下無法被直接使用，研究人員將柔軟的纖維材料加工成各種織物，再與樹脂、陶瓷或金屬材料相結(jié)合，得到定向性能的復(fù)合材料，極大地豐富了碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。通常來說，碳纖維復(fù)合材料都是以碳纖維作為增強(qiáng)體。

2.1 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）

樹脂基通常分為熱塑型和熱固型兩大類，在樹脂基材料的開始階段，熱固性的樹脂發(fā)展較快，但在近年來，熱塑性的樹脂基材料的發(fā)展反而超過了熱固性樹脂基材料[10]。其原因在于，熱塑性復(fù)合材料不僅僅擁有出色的力學(xué)和物理性能，還具備著短的生產(chǎn)周期的優(yōu)勢，同時(shí)熱塑的性質(zhì)也決定著其可以循環(huán)重復(fù)利用。CFRP普遍具有高硬度、高耐磨和抗沖擊緩震的特點(diǎn)，基于這些優(yōu)點(diǎn)，福特公司于2007年對CFRP在汽車領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析，研究發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的創(chuàng)新，CFRP的加工周期開始縮短，且生產(chǎn)成本降低了60%，生產(chǎn)工藝也使得CFRP的加工成本也減少了30%左右，CFRP所具有的力學(xué)性能也完全符合在汽車領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是通過對多種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行多線程的加工，經(jīng)過多次化學(xué)反應(yīng)后得到的新型化學(xué)合成材料，由于有著陶瓷相的參與，使得碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有類似陶瓷的耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，同時(shí)具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性和高的耐磨性，在汽車的剎車片和離合器等零件有著大量的應(yīng)用[11]。同時(shí)，結(jié)構(gòu)陶瓷材料有著不輸金屬材料的力學(xué)性能的同時(shí)，也遠(yuǎn)比金屬材料產(chǎn)品更為節(jié)能環(huán)保。然而，現(xiàn)在對陶瓷的加工工藝并不成熟，容易出現(xiàn)過燒等問題，導(dǎo)致制成的復(fù)合材料出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，因此制造成本較高，相比其他纖維復(fù)合材料而言應(yīng)用并不是很廣泛。

2.3 碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

輕質(zhì)高強(qiáng)一直以來是汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)材料研究者所追求的終極目標(biāo)，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅具有其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所擁有的強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)異性能的同時(shí)，還可以大幅度降低金屬的膨脹度，所以近年來在新能源汽車制造行業(yè)大量應(yīng)用，特別是汽車的零部件的制造中[12]。金屬基復(fù)合材料制造的零部件強(qiáng)度較高，在兼具金屬材料的高強(qiáng)度高韌性的性能需求下，可以減輕零件的重量，節(jié)能環(huán)保。1970年就有汽車公司嘗試使用碳纖維復(fù)合材料來代替金屬零部件，整體減重約30%，油耗降低50%。

在碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的功能性無疑是其中的佼佼者，且由于鎂基合金本身的輕量化在航天和運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)中大量應(yīng)用。且Cf/Mg復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，對碳纖維增強(qiáng)鎂基材料進(jìn)行正確的加工和設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)其輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)的同時(shí)，兼具如電、磁、熱、耐磨、減震等優(yōu)勢，為汽車新功能化提供新的思路[13]。但由于鎂合金的活性較高，在空氣中就極易被腐蝕，使得復(fù)合材料的制作成本大大升高，為此研究者們對發(fā)展低成本的Cf/Mg抱以很大的期望。現(xiàn)在研究者們通過擴(kuò)散粘結(jié)、擠壓鑄造和粉末冶金等工藝制造出的碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料已經(jīng)擁有了較高的穩(wěn)定性和更高的力學(xué)性能，為其在汽車工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用做出了卓越的貢獻(xiàn)。

3 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

芳綸是芳香族聚酰胺纖維的簡稱，芳綸具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度高、密度較低、斷裂延伸率大，這些特點(diǎn)使得芳綸材料具有吸能耐磨、抗沖擊抗疲勞的特征，且由于它出色的熱穩(wěn)定性，芳綸材料不易收縮和燃燒，拉伸模量高。相對而言，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度小、質(zhì)量輕，且獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)使得材料在受到?jīng)_擊時(shí)，會通過自身纖維的變形和斷裂吸收能量，吸能的效果比金屬塑性變形的吸能形式要優(yōu)越兩倍以上，故而現(xiàn)在主要應(yīng)用于汽車的緩沖器、安全帶和安全氣囊中。但目前芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料并未在車輛能量吸收部件得到廣泛的應(yīng)用，很大程度上是其成本過于高昂的原因[14]。

4 總結(jié)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在各種程度上具有了較為優(yōu)異的力學(xué)性能，在滿足新能源汽車零部件強(qiáng)度要求的同時(shí)，大幅度減輕了車身的重量。在新能源汽車的輕量化過程中有著很大的優(yōu)勢，它的強(qiáng)度、密度和比模量等綜合性優(yōu)勢是其他材料無法企及的。故而，隨著碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝的開發(fā)和研究的深入，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品成本會進(jìn)一步降低，功能性也愈發(fā)強(qiáng)大，會更多地應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中，成為新能源汽車制造業(yè)中不可缺的組成部分。