复合材料在汽车上的应用

复合材料在汽车上的应用摘要:概述了纤维增强树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等在汽车上的应用现状，并对复合材料在汽车上的应用前景进行了展望。国内外现状表明，复合材料在汽车上将有广阔的应用前景，同时，也有很多问题有待解决。1树脂基复合材料在汽车上的应用随着汽车工业的飞速发展，节能、环保、安全日益成为当今世界汽车界的研究热点。汽车轻量化无疑是解决这些问题的最佳途径。而复合材料具有比模量高、比强度高、耐腐蚀、可设计性强、综合经济效益明显等优点，正日益成为汽车轻量化的首选材料，逐渐受到世界汽车生产商的青睐。美国作为世界第一大复合材料生产与消耗国，据估算汽车用复合材料年消耗量超过70万t，通用汽车公司、福特汽车公司、戴姆勒·克莱斯勒公司三大汽车公司以及Mack、Aero-star等重型车厂，复合材料的使用都取得了明显收效。在欧洲，复合材料也已经在梅赛德斯－奔驰、宝马、大众、沃尔沃、莲花、曼恩等欧洲汽车公司的各种车型中大量应用。在中国，虽然目前复合材料年产量已达到180万t，但在汽车工业中年用量很小，2008年13万t，因此具有很大的发展空间和广阔的发展前景。常用的树脂基复合材料主要是由纤维来增强。与金属材料相比，纤维增强塑料(FRP)不仅质量轻、比强度高、耐腐蚀性好，生产工序简单，且能实现大批量生产，因而生产效率高，成本较低。如果以单位体积计算，生产塑料制件的费用仅为有色金属的十分之一。另外，FRP还可使形状复杂的金属部件设计简单化，可将相关零件集成在一个系统零件上，达到复杂零件一次成型的目的。如福特汽车通过将汽车发动机盖改成模塑件，可有效整合原来11个金属部件，大大简化了生产过程。1．1玻璃纤维增强塑料(GFRP)GFRP在中国俗称玻璃钢，它不仅质量稳定、资源丰富、成本低，而且吸收冲击能量的性能、耐腐蚀性能较好，降低噪音的效果较好，且设计灵活，因此是目前汽车上应用最多的树脂基复合材料，主要用于发动机、发动机周边部件及车身。美国通用汽车公司从1990年开始，首先用玻璃钢制造轿车发动机气门罩、壳，随后用于进气歧管、油底壳、空滤器壳、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、发动机隔音板等零件的制造，效果很好。另外，玻璃钢还可用于车身结构件(如骨架、梁、柱等)、覆盖件如格栅、前翼子板、顶盖、车门、行李箱盖、后侧板等)以及保险杠、油箱等，也有用于整个车身壳体，如美国的雪佛兰子弹头、东风客车公司生产的DHZ6122HR高速客车等都是采用全玻璃钢车身制造。从减轻汽车自重来看，采用玻璃钢代替钢材已成为车身结构发展的必然趋势。在欧洲、美国及日本等汽车制造业发达的国家，已普遍采用玻璃钢材料制造汽车零部件，如内装饰件(仪表板、车门内板、座椅、发动机罩等);外装饰件(保险杠、挡泥板、导流罩等);功能与结构件(天然气气瓶、油箱、风扇叶片、油气踏板等)。为适应轻量化的要求，欧美等国家中重型卡车外包覆件几乎都是复合材料制造的。在很多名牌汽车上，使用玻璃纤维及其复合材料的也有很多，如美国林肯大陆使用的SMC发动机罩、保险杠、后部行李箱盖、玻纤增强PET空调管、排气门;美国凯迪拉克赛威的玻纤增强PPO后窗下部件;美国道奇InterpidESX2跑车的玻纤增强PET车身板;法国Envivo的玻璃钢天然气瓶;英国TVRChimaera跑车选用玻璃钢作车身。在中国，大型、豪华客车中应用玻璃钢较多，如厦门/苏州金龙、西沃、安凯、郑州宇通、丹东黄海、福田欧V等客车厂的几乎所有车型都有应用，涉及部件有前后围、前后保险杠、翼子板、轮护板、裙板（侧围板)、后视镜、仪表板、仓门板等。在中小型客车中，玻璃钢也有应用，但相对萎缩，如南京依维柯S系列车的SMC前保险杠、手糊/RTM硬顶、BMC前大灯反射罩;都灵V系列车的SMC豪华面罩、电动门总成、三角窗总成、后行李厢门总成和FRP后围总成;英格尔轿车的后导流板和乘用车优尼柯的前导流板;春兰中型车的前导流板和吉利轿车的前、后保险杆、后导流板等。但是，与国外相比，中国生产的汽车用玻璃钢部件较少，而且大部分是用手糊法或RTM生产，劳动生产率低，产品档次也不高。当然，随着近年来引进车型相关部件的国产化以及国产车型的改进和更新，会有越来越多的车型开始采用玻璃钢部件。1.2碳(石墨)纤维增强复合材料(CFRP)碳纤维增强树脂基复合材料具有足够的强度和刚度，以及优良的综合性能，是制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料(仅相当于钢结构质量的六分之一到三分之一)，受到汽车工业广泛重视。常用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能。用CFRP制造的板簧零件强度高、模量大、热膨胀系数小，减磨性好，质量只有14kg，比现有材质质量减轻76%;碳纤维传动轴也已经问世;福特公司用碳纤维制造的车门斜铰链系统，保证了在车门打开时不需要附加支撑;碳纤维汽车座椅加热装置也在推广使用。但是，碳纤维过高的成本使CFRP在汽车中的应用受到限制，目前仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用。如宝马公司的Z-9、Z-22的车身;M3、M6系列车顶篷和车身;通用公司的Ultralite车身;福特公司的GT40车身;保时捷911GT3承载式车身等。为扩大CFRP在汽车中的应用，美国、欧洲、日本等正在加紧研究开发廉价碳纤维的原丝和碳纤维低成本、高速率的生产工艺，以降低碳纤维的价格。国际上也已将CFRP在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展，预期2010年将得到大量应用。1．3芳纶纤维增强复合材料芳纶纤维增强复合材料由于比强度、比模量较高，在航空航天、舰船领域应用广泛，在汽车制造业也有广阔的应用前景。但因为价格太高，目前在汽车上的应用还不多，主要用于汽车上的轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等。作为高性能防护材料，芳纶纤维还可用作汽车防弹装甲，例如汽车门及汽车外壳的防弹内衬。意大利ETR500高速列车的车头前突部分采用了芳纶纤维增强柔性环氧乙烯基酯树脂复合材料，使车头具有优异的抗冲击能力。近年来中国军工企业相继成功开发了多种型号的玻璃纤维和芳纶纤维复合材料用于运钞车和防暴车，还研制了透明防弹板和人体防弹材料，用于汽车观察部位和驾驶员自身防护。随着科研力度的加大，将会有更多性能及用途独特的芳纶纤维增强复合材料得到推广或被进一步改性。1.4GMTGMT（glassfibermatreinforcedthermorplastics）是以热塑性树脂为基体、以玻璃纤维毡为增强体的复合材料。GMT材料密度低、强度高、力学性能均衡，可以回收再利用，在汽车、化工、运输、建筑等行业的应用日趋广泛。车用GMT材料常以片材供应，片材制备是将树脂薄膜或熔融树脂与玻璃纤维毡交替层叠，经过热熔融、加压浸渍和冷却定型复合成片材。玻璃纤维毡对片材性能有重要的影响，复合中采用连续毡片材料，各项力学性能均衡，既有较高的弯曲、拉伸强度，又有很好的抗冲击强度，是PP（聚丙烯）/GMT片材较理想的增强材料。纤维复合体具有高流动性能﹐使薄壁化汽车元件的生产能实现低成本﹐这些元件的耐冲击性能﹑机械强度和硬度都得到提高。以热塑性树脂为基体，通过加温、加压制成的GMT复合材料，是目前国际上极为活跃的复合材料开发新品种，被视为世纪新材料之一。轻质高强度的GMT片材，通过结构优设计，可取代部分金属材料，获得显著的减重效果，而且节省模具费用（仅为金属冲压模具的10%~20%），并有利于多种零件组合，形成模块化生产方式。用GMT片材可较原金属件减重30%~80%，能耗仅为钢制品的60%~80%，铝制品35%~50%，价格低于同体积的金属制品。由聚丙烯制成的玻璃毡片增强型热塑料主要用在汽车工业中表面积大的元件中。德国是应用GMT制造汽车部件最早最多的国家。德国的宝马、奥迪、大众、高尔夫等轿车均应用了GMT部件。据报道，新款奔驰轿车所用的GMT部件超过30kg。美国的GMT产品中有80%用于汽车部件。福特、通用、克莱斯勒等公司轿车部件大多数使用了GMT，如保险杠、蓄电池托架、行李架、备胎盘、仪表板、前围、挡泥板、风扇叶片等。未来的轿车将越来越轻、越来越便宜﹐而同时也要承受更严格的安全﹑舒适度和设计上的要求，这就要求在高强度结构件中更多地利用聚合物和复合材料，它们必须能够吸收相当的负荷和在碰撞时产生的一部分冲击能量。在这方面GMT是一种重要的复合材料，现在轿车的坐椅﹑仪表板等都已是由GMT做成的。GMT不仅提供极佳的性能（模量﹑强度﹑抗冲击﹑密度等）﹐而且依靠流塑工艺﹐很容易被加工成复杂零件﹐这是它的一个优势﹐也使低成本﹑大批量地生产大表面积结构件成为可能。在过去的几年中﹐GMT已取得了较大发展和进步﹐能够满足现在和将来的需要。如国内的上海通用别克凯悦、君悦后靠背骨架总成，上海大众帕萨特B5底部防护板都采用GMT材料制造。GMT可以循环使用、隔热、隔声，是汽车用材料的发展方向，为热塑性复合材料的应用提供了发展机遇。随着GMT新品种的开发，GMT在汽车工业中的应用已达40多种，主要有坐椅骨架、保险杠、仪表板、发动机罩、电池托架、脚踏板、前端、地板、护板、后牵门、车顶棚、行李托架、遮阳板、备用轮胎架等部件，使得GMT在汽车上得到越来越广泛的应用。2金属基复合材料在汽车上的应用2．1金属基复合材料的特点金属基复合材料具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点，这些与树脂基复合材料相似，此外，它还耐高温、防燃，横向强度与刚度高，不吸潮，高导热与高导电，抗辐射性能好，而且在使用时不释放气体。2．2金属基复合材料应用金属基复合材料用于汽车工业的主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基复合材料和镁基复合材料。目前，铝基复合材料一般采用铝硅合金。常用的填充增强剂有陶瓷纤维、晶须和微粒等。与常用汽车材料———铝合金相比，铝基复合材料具有质量轻、比强度高和弹性模量高、耐热性和耐磨性好等优点，是汽车轻量化的理想材料，已经在汽车制动盘、制动鼓、保持架、驱动轴、发动机零件上得到应用。目前，由低密度金属和增强陶瓷纤维组成的高性能铝活塞已有所应用。国外推出了氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞、氧化铝增强的镁合金制造的活塞氧化铝纤维及不锈钢纤维增强的铝基复合材料连杆等，进一步扩大了复合材料在活塞上的应用。中国西安康博新材料公司开发的、小批量生产的微－纳米铝基高功率复合材料活塞质量稳定，现已经装备部队，说明这种复合材料的工业化生产技术已经成熟。用氧化铝纤维及不锈钢纤维增强的铝基复合材料连杆也已经分别在日、美等多家公司试用。这种连杆质量轻、强度好，而膨胀系数小，有利于提高发动机效率。铝基复合材料也被用于刹车轮。其特点是可使质量减轻30%～60%，而且导热性好。美国一汽车公司已研制出用SiC粒子增强的AI-10Si-Mg基复合材料制成的刹车轮。目前，中国上汽集团已经和有关高校合作，进行铝基复合材料汽车制动盘的研制，将用于上汽集团独立开发、具有自主知识产权的轿车刹车系统。用纤维增强的钛合金基复合材料在高达815℃时强度比镍基超耐热合金高2倍，是较理想的涡轮发动机材料，美国已制成压气机圆盘、叶片等。此外，碳纤维增强铝基传动轴、颗粒增强铝基轮胎螺栓也开始应用于汽车，并取得了显著的增重、提高强度、刚度和动力性能的效果。随着复合材料制备技术以及性能的不断提高，以及价格的日益下降，金属基复合材料必将在汽车上得到越来越广泛的应用。3陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨性好、耐腐蚀性好、膨胀系数低、隔热性能好、密度低等特点，且资源丰富，因而应用前景非常广阔。尤其适合应用在一些易磨损部件上。目前，已经在轿车发动机涡轮增压器上取得成功，也有用于轴承、刹车片、气缸盖、活塞、活塞销以及排气管等。但是阻碍陶瓷基复合材料大规模应用的主要障碍是价格和可靠性。如何降低成本和提高可靠性，是世界各国正在努力研究的问题。4总结复合材料应用于汽车已有五十多年的历史，在很多零部件应用方面也取得了成功。但就大批量生产的汽车，复合材料的应用还是很有限的，主要原因是许多和复合材料使用相关的技术问题仍没有得到很好地解决，其中包括