高分子復(fù)合材料在汽車輕量化的應(yīng)用

摘 要：隨著科技進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量顯著提升，汽車作為日常出行的主要交通工具，已普及至眾多家庭。然而，汽車的廣泛使用也導(dǎo)致了碳排放和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。研究旨在探索一種有效的解決方案——汽車輕量化設(shè)計(jì)，特別是通過應(yīng)用高分子復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。研究方法包括對(duì)高分子復(fù)合材料的性能分析及其在汽車制造中的應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果顯示，采用高分子復(fù)合材料能夠有效降低汽車自重，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。這項(xiàng)研究的意義在于，它不僅為選擇高分子材料提供了技術(shù)支持，而且對(duì)于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化 高分子復(fù)合材料 應(yīng)用

１ 緒論

隨著科技的飛速發(fā)展，我國(guó)人民的生活水平得到了顯著提升，汽車作為現(xiàn)代生活中不可或缺的代步工具，已經(jīng)成為眾多家庭的日常出行選擇。然而，汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也帶來了不容忽視的環(huán)境問題，尤其是碳排放和環(huán)境污染的加劇，對(duì)我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車輕量化設(shè)計(jì)是指在實(shí)現(xiàn)汽車成本控制并且保證汽車安全性能和舒適性的前提下，通過采用輕質(zhì)材料和技術(shù)手段，降低汽車自重，以完成汽車從“高能耗高污染”向“低能耗低排放”的轉(zhuǎn)變[1]，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。在這一過程中，高分子復(fù)合材料的應(yīng)用顯得尤為重要。高分子復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車輕量化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 汽車輕量化

汽車輕量化，作為一種前沿的汽車制造技術(shù)，其核心宗旨在于在確保車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和乘客安全的前提下，盡可能地降低汽車的整車質(zhì)量。這一理念最初源于追求極致性能的賽車領(lǐng)域，因?yàn)闇p輕車身重量能夠顯著提升車輛的操控靈活性、加速性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著國(guó)家提出“雙碳目標(biāo)”，大眾的目光更多地聚焦于節(jié)能環(huán)保，汽車輕量化技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于普通汽車行業(yè)中，它不僅增強(qiáng)了駕駛體驗(yàn)，還展現(xiàn)出了卓越的節(jié)油性能。

詳細(xì)來看，汽車輕量化帶來的主要益處包括以下內(nèi)容。

（1）提升動(dòng)力性和操控性：隨著車輛重量的減輕，汽車的加速反應(yīng)更加迅捷，轉(zhuǎn)向更加靈活，整體駕駛體驗(yàn)得到顯著提升。

（2）減少燃料消耗：車輛重量與油耗之間存在正相關(guān)關(guān)系，因此減輕重量是降低油耗的有效手段，有助于節(jié)約能源。

（3）降低排氣污染：減少油耗的同時(shí)，尾氣排放量也會(huì)相應(yīng)降低，這對(duì)于改善環(huán)境質(zhì)量、減少大氣污染具有積極意義。

為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，業(yè)界采取了以下幾種主要措施。

（1）采用輕質(zhì)材料：利用鋁合金、鎂合金、高性能塑料、陶瓷、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和有限元分析（FEA）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少不必要的材料使用，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（3）改進(jìn)生產(chǎn)工藝：通過采用新型焊接技術(shù)、熱成型技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，如采用承載式車身結(jié)構(gòu)，減少車身板料的厚度等。

然而，汽車輕量化并非全無缺點(diǎn)。例如，在不可避免的交通事故中，較輕的車輛可能不如重型車輛那樣能夠提供足夠的安全保護(hù)，因?yàn)橹匦蛙囕v在碰撞中能更好地吸收沖擊力，為車內(nèi)乘員提供更大的生存空間。

綜上所述，汽車輕量化是推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高能效、減少環(huán)境污染的重要途徑。但在追求輕量化的同時(shí)，也必須綜合考慮車輛的安全性、耐用性以及制造成本，力求在多個(gè)方面達(dá)到最佳平衡。

3 高分子材料應(yīng)用于汽車輕量化的意義

研究高分子復(fù)合材料在汽車輕量化的應(yīng)用及其方法，具有以下重要意義。

（1）節(jié)能減排并且提升汽車?yán)m(xù)航里程：輕量化汽車在行駛過程中能耗更低，有助于減少燃油消耗，降低碳排放，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。根據(jù)前人研究，汽車整車質(zhì)量每降低100kg，燃油車排放可下降4%到10%，每公里減少排放5gCO2，續(xù)航里程可以增加12至13公里[1]。

（2）提高汽車性能：輕量化設(shè)計(jì)可縮短汽車制動(dòng)距離、減少轉(zhuǎn)向力、提高輪胎的使用壽命、減少加速時(shí)間，不僅能提升駕駛體驗(yàn)，還帶來了更高的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)研究，每減少100公斤的車重，制動(dòng)距離可減少5%，這在緊急情況下意味著安全性的顯著提升；同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)還能減少轉(zhuǎn)向力，提高了操控的便捷性和舒適度。

（3）延長(zhǎng)使用壽命：相同體積下，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量只有鋁的四分之一，但它的強(qiáng)度卻是鋁的五倍多[1]；同時(shí)，由于碳纖維復(fù)合材料以樹脂、金屬、陶瓷和橡膠等材料為基體，以碳纖維為增強(qiáng)材料制成，具有獨(dú)特的碳結(jié)構(gòu)[3]，讓它的耐腐蝕性能更加優(yōu)異，可降低汽車零部件的磨損，延長(zhǎng)汽車使用壽命。

（4）降低成本：高分子復(fù)合材料相較于原來的高強(qiáng)度鋼與其他合金材料，成本更加低廉，有利于降低汽車制造成本。

4 汽車輕量化方法

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：材料輕量化、工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化。其中，材料輕量化使用的材料主要包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料及復(fù)合材料，也有少部分其他材料（混合材料、金屬泡沫材料）。工藝輕量化的方法包括液壓成型、熱成型、激光焊接。結(jié)構(gòu)輕量化的方法包括拓?fù)鋬?yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化、多學(xué)科優(yōu)化[1]。

5 選擇高分子復(fù)合材料的原因

目前，在汽車輕量化的材料輕量化上應(yīng)用較廣泛的高分子復(fù)合材料主要有兩種，分別是玻璃纖維材料和碳纖維復(fù)合材料。其中，碳纖維復(fù)合材料又包括高強(qiáng)度型和高模量型。選取高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料（高強(qiáng)度型）六種材料，從密度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、比強(qiáng)度、比模量五個(gè)方面進(jìn)行材料性能比較。數(shù)據(jù)如表1[2]所示。

為了直觀地看出六種材料的綜合性能優(yōu)劣，引入數(shù)學(xué)建模的方法，采用距離法和Topsis優(yōu)劣解法對(duì)六種材料的綜合性能分別打分后求平均值，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。考慮到在汽車輕量化實(shí)際設(shè)計(jì)中，密度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、比強(qiáng)度、比模量五個(gè)指標(biāo)的重要性旗鼓相當(dāng)。因此，它們的權(quán)重均為1，不需要再進(jìn)行加權(quán)。在這五個(gè)指標(biāo)當(dāng)中，只有密度是極小型數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)越小越好），其他指標(biāo)均為極大型數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)越大越好），所有首先將密度進(jìn)行正向化，把它從極小型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極大型數(shù)據(jù)。用MATLAB編寫代碼，將正向化的密度寫入EXCEL表，得到表2。

接著，用MATLAB編寫代碼，將正向化后的密度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、比強(qiáng)度、比模量五個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，采用距離法和Topsis優(yōu)劣解法分別打分并求平均值后，得到結(jié)果。

由表3可以直觀地看出，玻璃纖維復(fù)合材料和高強(qiáng)度型的碳纖維復(fù)合材料分?jǐn)?shù)均高于其他四種材料，并且，高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其他材料，證明其綜合性能非常優(yōu)秀，特別適合用于汽車輕量化設(shè)計(jì)。除此之外，高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金的耐腐蝕性分別為一般、差、強(qiáng)、強(qiáng)，而玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性均非常強(qiáng)。所以，高分子復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于其他材料，是汽車輕量化中材料輕量化的不二之選。

6 高分子復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

6.1 汽車剎車片

（1）高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金等其他材料在制作剎車片時(shí)，由于材料之間的磨損，摩擦系數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，從而影響汽車的制動(dòng)。而碳纖維復(fù)合材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定，維持在0.35～0.40，可保證汽車的平穩(wěn)制動(dòng)，具有良好的適應(yīng)性、安全性。

（2）碳纖維復(fù)合材料相較于其他材料，耐腐蝕性特別強(qiáng)。

（3）碳纖維復(fù)合材料耐熱溫度可達(dá)2500℃，同時(shí)具有很好的耐疲勞性，在使用過程中損耗非常少。

6.2 前地板后本體

SGFRTP材料，密度小、成本低廉、成型效率高，但SGFRTP材料的彈性模量（5.5GPa）遠(yuǎn)低于鋁合金材料的彈性模量（71GPa），無法單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用在汽車輕量化。但是CFRP材料的彈性模量非常高（130Gpa），因此采用“SGFRTP+CFRP”材料組合，即SGFRTP材料用于制作結(jié)構(gòu)件主體，對(duì)地板腳踩區(qū)、手剎區(qū)等主要承載區(qū)域進(jìn)行連續(xù)CFRP片補(bǔ)強(qiáng)[3]，既增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)件的剛度和承載區(qū)的強(qiáng)度，同時(shí)相對(duì)于原來的金屬材料減重10.37%，達(dá)到汽車輕量化的目的。

6.3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇在高溫、高壓環(huán)境下工作，要求其具備高剛性、高韌性、高耐熱性和良好的成型加工性，原先用鑄鋁、鋼、鐵等金屬材料制造，但它們成本過高、不耐腐蝕，逐漸被增強(qiáng)尼龍和改性 PP（聚丙烯）替代。采用玻纖GF和彈性體協(xié)同為PP改性，使其剛性、韌性、耐熱性都得到顯著提高，同時(shí)PP價(jià)格低廉，因此改性PP被廣泛使用。我國(guó)也有這方面的研究：北京化工研究院研制的熱塑性彈性體增韌、玻纖增強(qiáng)的 PP GB-220 已用于中國(guó)一汽集團(tuán)生產(chǎn)的平頭柴油車?yán)鋮s風(fēng)扇，并且表現(xiàn)出優(yōu)于金屬風(fēng)扇的性能——風(fēng)量更大。

7 高分子復(fù)合材料在汽車輕量化應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

（1）在傳統(tǒng)片狀模塑料（SMC）的基礎(chǔ)上，開發(fā)出具有高比強(qiáng)度以及高能量吸收等特性的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)SMC。同時(shí)可采用碳纖維替代玻璃纖維來制得增強(qiáng)型SMC，以實(shí)現(xiàn)制件質(zhì)量的降低。

（2）采用了線纜包覆擠出成型技術(shù)來加工長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料，相較于短切玻纖增強(qiáng)材料，它的剛性、強(qiáng)度和耐熱性更加優(yōu)異，成為增強(qiáng)型 PP 的發(fā)展趨勢(shì)。

8 結(jié)語

高分子復(fù)合材料具有成本低廉、耐熱性好、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低成本、提高汽車的續(xù)航里程與使用壽命、加快汽車行駛速度、提升駕駛體驗(yàn)，同時(shí)發(fā)展趨勢(shì)清晰，在汽車輕量化領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

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