車用復合材料新技術及在汽車上的應用 zund XL-1200-路牌台中雷射切割雕刻代工－呂俊豪焦點新聞熱搜

摘　要：隨著科學技術的發展，具有輕質高強度、耐腐蝕、易合成型等優點的非金屬材料越來越多的取代傳統的金屬材料，在汽車上得到了應用。為了使有關人員了解車用復合材料新技術，文章闡述了車用復合材料的特點、功能和性能，介紹了幾種研發中的車用復合材料（如碳纖維強化塑料、玻璃纖維增強塑料、纖維增強金屬和金屬-塑料層疊材料）及復合材料在車身和懸架等系統上的應用實例；同時指出了車用復合材料未來的發展趨勢。
關鍵詞：車用復合材料；性能特點；發展趨勢

　　隨著科學技術的發展，具有輕質、高強度、耐腐蝕、易合成型等優點的非金屬材料越來越多的取代傳統的金屬材料，在汽車上得到了應用。在汽車工業中非金屬材料有塑料、橡膠、摩擦材料、涂料、膠黏劑、復合材料、玻璃、紡織材料、密封材料及潤滑油等。其中汽車用復合材料在汽車工業中越來越得到廣泛的重視和應用，而且有著一定的市場開發前景。

1　車用復合材料的特點

　　一般稱為復合材料的是由纖維等增強材料與基底（母體）等2種或2種以上性質不同的材料，通過各種工藝手段組合而成。它與纖維增強塑料（FRP）、纖維增強金屬（FRM）、金屬-塑料層疊材料等相當，具有質量輕、強度高、剛度好的特點，這些復合材料在汽車零部件上應用很盛行。
　　復合材料是并向異性的非均質材料，與其他材料相比有以下突出特點：
　　1)比強度與比模量高。比強度、比模量是指材料的強度和模量與密度之比，比強度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的剛性越大。因此對高速運轉的結構件或需減輕自重的運輸工具具有重要意義。
　　2)纖維增強復合材料中的纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，外加載荷由增強纖維承擔。大多數金屬材料的疲勞強度極限是其拉伸強度的30％～50％，而復合材料則可達到60％～80％。
　　3）在熱塑性塑料中摻入少量的短切碳纖維可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍數可為原來的好幾倍。如聚氯乙烯以碳纖維增強后為其本身的3.8倍，聚四氟乙烯為其本身的3倍；聚丙烯為其本身的2.5倍；聚酰胺為其本身的1.2倍；聚酯為其本身的2倍。選用適當塑料與鋼板復合可作耐磨物件，如軸承材料等。用聚四氟乙烯（或聚甲醛）為表層、多孔青銅和鋼板為里層的三層復合材料，可制成滑動軸承的良好材料。
　　4）化學穩定性優良。纖維增強酚醛塑料可長期在含氯離子的酸性介質中使用，用玻璃纖維增強塑料，可制造耐強酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥及容器等設備。如用耐堿纖維與塑料復合，還能在強堿介質中使用。耐堿纖維可用來取代鋼筋與水泥復合。
　　5）耐高溫燒蝕性好。纖維增強復合材料中，除玻璃纖維軟化點較低（700~900℃）外，其他纖維的熔點（或軟化點）一般都在2000℃以上，用這些纖維與金屬基體組成的復合材料，高溫下強度和模量均有提高。例如：用碳纖維或硼纖維增強后，400℃時強度和模量基本可保持室溫下水平。同樣用碳纖維增強金屬鎳，不僅密度下降，而且高溫性能也提高。由于玻璃鋼具有極低的導熱系數，可瞬時耐超高溫，故可做耐燒蝕材料。
　　6）工藝性與可設計性好。調整增強材料的形狀、排布及含量，可滿足構件強度和剛度等性能要求，且材料與構件可一次成型，減少了零部件、緊固件和接頭數目，材料利用率大大提高。

2　復合材料的功用和性能

　　復合材料與傳統材料相比，具有比強度高、質量輕、比模量高、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優點。復合材料的各個組成材料在性能上起協同作用，具有單一材料無法比擬的優越綜合性能。因此，在汽車工業中，復合材料被廣泛應用于車身、燈殼罩、前后護板、保險杠、板彈簧、座椅架及驅動軸等部件的設計與制造。
　　在汽車工業中的復合材料設計應注意3個原則：1）比強度高和比剛度高；2）材料與環境相適應；3）性價比高。另外，在設計車身時，有一些經驗方法，如：在應力高的區域適用碳纖維復合材料；在對韌性和剛度要求比較高的區域使用三合板復合材料；在幾何形狀復雜的區域可以使用層合板。
　　復合材料性能適合車身輕量化的要求，降低油耗。傳統的汽車車身材料處于以薄鋼板為主的單一狀態，不能適應人們追求高速與輕量化的要求，為減輕其質量，改善風阻系數和降低油耗，許多汽車廠家都積極研究和利用新材料以達到上述要求。汽車自重減少50kg，1L燃油行駛距離可增加2Km；若自重減少10％，燃油經濟性可提高約5.5％。許多類型的復合材料都在車身輕量化過程中得到了施展才能的舞臺，并在汽車的輕量化進程中大顯生手。汽車輕量化的目的就是節能和減輕排放污染。同時環境保護已成為可持續發展戰略必不可少的條件，而復合材料的發展趨勢正朝著延長使用期以及可再生的方向發展。

3　幾種研發中的復合材料

　　1）碳纖維強化塑料（CFRP）。碳纖維由纖維和聚丙烯睛經高溫加熱處理制造而成，具有耐熱性高，比重比鋁和玻璃纖維還小，而且與塑料復合其強度可與鋼和鋁相匹敵。可是CFRP的成本與GFRP（玻璃纖維增強塑料）相比，遠高很多，大多限于航空宇宙和體育用品范圍內使用。
　　1979年，美國福特汽車公司發表了用GFRP制作輕型實驗車的新構想（見圖1），其中使用CFRP約300kg，燃費約可降低35％。該實驗車主要是將CFRP材料應用于車體面板，其他是傳動軸和板彈簧等功能性零件，同時，還嘗試在發動機機體和連桿、活塞等零部件上應用。CFRP材料質輕，剛度和強度也高，因材料的各向異性，設計時，可在所需的方向保持其強度和剛性。CFRP的彈性模量是GFRP的4~9倍，是金屬材料的3~4倍。如果成批生產，成本將進一步下降，故而它將是一種期望很高的復合材料。

　　2）纖維增強金屬（FRM）。CFRP與GFRP具有各種優越的機械性能，但其基底是塑料，與金屬相比耐熱性差。因此，作為高溫強度材料使用的FRM的研究十分盛行，并且揭開了可將其在汽車上使用的可能性。增強纖維有：碳元素、碳化硅、硼、氧化鋁等。基底，開始有鋁、銅及鎳，后又有與各種目的相適應的鈦、鎂、鋅及錫等。增強纖維與各種金屬相結合，將制造出各種特性的FRM。現正進行將FRM應用于活塞、連桿及其他一些滑動零件的研究。因這種纖維價格高，以及還未達到成批生產的規模，它作為高溫強度好的材料，其利用價值是相當高的。
　　3)金屬-塑料層輯材料。將高強度鋼板和鋁、塑料等緊密結合在一起的材料是種理想的輕型材料，也是種夾層結構的層疊材料。由于它是在塑料芯的兩面粘結上薄鋼板或鋁板，具自優越的隔熱和隔音性能。層疊材料，它叫發揮與鋼板相匹敵的剛性好的特點，它由塑料芯兩面的金屬板承受彎曲應力，由塑料芯材承受剪切應力。在同樣剛性下，層疊鋼板與一般鋼板相比，質量是其30％~-70％, 如果對于層疊板質量有一定限制要求時，可由改變芯兩面的金屬板與芯板的厚度等來解決。層疊材料的成本一般是鋼板的1～3倍，但它還存在一些需要解決的問題，如：使用在車體面板時，與各面板如何粘結拼合；在其表面金屬鋼板銹蝕時，剛性會降低等。然而隨著層疊材料研究開發的進步，使它實用化將有很大的可能性。
　　4)車用玻璃纖維增強復合材料。由于增強材料和填充材料品種繁多，因此將使用玻纖當做增強材料的材料稱為GFRR。由于玻纖的加入大大地改善了塑料的物理機械性能，通過塑料經過增強后，也能作為工程材料應用。目前汽車上使用的玻纖增強塑料主要有玻纖增強PP、玻纖增強PA66或PA6以及少量PBT和PPO材料。汽車上應用的玻璃纖維增強復合材料包括玻璃纖維增強熱塑性材料、玻璃纖維氈增強熱塑性材料(GMT)、片狀模塑材料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。
　　增強PP主要用于制作發動機冷卻風扇葉片和正時齒帶上下罩蓋等制品，但有些制品存在外觀質量不好、翹曲等缺欠，因此非功能件逐漸被滑石粉添充PP所替代。增強PA材料在轎車、廂式車及載貨車上都已采用，一般都是用于制作些小的功能件，例如：鎖體防護罩、保險楔塊、嵌裝螺母、油門踏板、換擋上下護架-防護罩和開啟手柄等。GMT是目前國際上極為活躍的復合材料開發品種，這是種以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的新穎、節能及輕質的復合材料，一般可以生產出片材半成品，然后直接加工成所需形狀的產品，纖維可以是短切玻璃纖維或連續的玻璃纖維氈。
　　SMC是一種較重要且用途廣的模壓復合材料制品的半成品。與鋼制汽車零件相比，SC生產周期短，便于汽車改型，投資效益好；質量較輕，節約燃油；設計自由；制件的整體性好，零件的數量很少；耐用性和隔熱性好。但是SMC不可以回收，污染環境；雖然性能價格比較好，但一次性投資往往高于對應的鋼制件，如福特金牛座和水星黑貂轎車前圍里的下散熱器托架，原鋼制的有22個零件，而SMC的只有2件，質量大減，成本降低14％。
　　盡管許多汽車廠在生產汽車車身時都已改用由玻璃纖維為增強的材料來替代相對笨重的金屬，但是玻璃纖維是由熔融玻璃拉成的纖維，它在高溫融化后非常容易重新凝固，這給廢舊汽車回收處理帶來了很大困難。為此，法國科學研究中心正在研究一種以大麻和聚氨酯為原料的合成材料，這種材料的特點是除具有金屬和玻璃纖維各有的優點外，價格更便宜，質量更輕，韌度更強，而且叫以生物降解。現在，該中心正在對這種材料的強度及其他特性進行測試，一期目標是用這種材料生產出汽車車門。

4　金屬基復合材料(MMC)在汽車工業中的應用

　　MMC用于汽車工業主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基復合材料。MMC具有高的比強度和比剛度、耐磨性好、導熱性好及熱膨脹系數低等特性，已在工業中得到了較為廣泛的應用。應用于汽車工業的MMC為鋁或鎂基質加粉末或碎屑纖維增強。在汽車制動盤、制動鼓、制動鉗、活塞、傳動軸以及輪胎螺栓上，采用MMC制造。
　　目前，鋁基復合材料一般采用鋁硅合金。常用的填充增強劑有陶瓷纖維和微粒等。它與鋁合金相比具有質量輕、比強度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優點，是汽車輕量化的理想材料。
　　活塞是發動機的主要零件之，它在高溫高壓下工作，因而選合適的活塞材料是至關重要的。目前，應用于活塞的復合材料由低密度金屬和增強陶瓷纖維組成，主要用于高性能鋁活塞。近年來，有所發展的是纖維增強金屬(FRM)，鋁合金基FRM具有抗拉強度高和耐磨耐熱特性。纖維增強的輕金屬能用于僅靠輕合金不能滿足強度和耐磨性的部位上，是很有發展前途的材料。在此基礎上，圍外又推出了氧化鋁纖維增強活塞頂的鋁活塞及氧化鋁增強的鎂合金制造的活塞等，進一步擴大了它在活塞上的應用。
　　美國已將鋁基復合材料應用于剎車輪。其特點是鋁基復合材料使質量減輕了30％～60％，導熱性好，高使用溫度叫達到450℃，其熱性能己達到原先使用的鑄鐵水平。MMC必須用新的方法制造，限制應用的原理是是必須研制匹配的制動踏板。制動鉗采用金屬基復合材料制造時，除了降低質量外，主要的益處是剛度。MMC制動鉗應用于高性能體育賽車上，由于高成本而限制了其大量應用。MMC活塞主要用于柴油機上，但也可用于汽油發動機。因氧化鋁和氧化硅短纖維增強，但是熱疲勞易導致斷裂。采用陶瓷纖維預型坯可弱化這一問題，提高活塞壽命。
　　輪胎螺栓采用MMC制造，質量減輕50％。2000年汽車工業對金屬基復合材料的用量達到0.6萬t。隨著復合材料制備技術、性能的不斷提高，以及價格的日益下降，MMC必將在汽午上得到越來越廣泛的應用。

5　復合材料在車身懸架系統上的應用

　　20世紀60年代以后，由于復合材料的深入研究，比如玻璃纖維增強材料、碳纖維增強材料及高彈性基體復合材料的出現，使大幅度降低整車質量成為可能。其中，玻璃纖維增強材料被較多的采用，原因是雖然碳纖維增強復合材料力學性質穩定，然而其價格昂貴，從經濟性考慮，盡量多的使用玻璃纖維增強材料是一條設計準則。
　　在近幾年的車身制造業中，許多汽車公司開始大量使用一種叫SMC鈑金復合成型的復合材料，低密度SMC的密度只有1.3g/cm³，而它的熱膨脹系數卻與鋼鐵一樣，同時，它在耐腐蝕、抗損傷以及聲學性質上均優于鋼鐵。比如雪弗蘭的車型C5卡福特的金屬車頂，自1999年出產以后，取得了巨大的商業成功。這個長140 cm，寬1.47 cm，頂部厚度0.168 cm，內板厚0.178 cm的框架頂部是普通SMC，側面及內板由低密度SMC構成，它僅重10.5 kg。然而，SMC也有缺點，它的價格比較昂貴，同時在抗磨損的性能上比不上碳纖維復合材料。另外，高溫時，會部分喪失承載能力。針對這些弱點，許多新型的SMC被開發出來，其中，SMC3374是一種較典型的材料，它的密度仍然維持在1.3 g/cm³左右，然而它在93.3℃能夠保持住75％的力學性能，與原來的SMC只能在65.5℃保持有了明顯的提高。因此，在2001奧德汽車極光，龐帝阿克-邦奈威勒2000以及2000別克-薩羅上，都采用了SMC3374材料。
　　從以上的分析不難看出，SMC僅適用于制造車身上溫度不高且承受的載荷不大的區域，比如頂部和側面。而底部以及高溫區域，就需要能夠抗高溫和耐高壓的復合材料了。
　　戴爾福公司在1981年生產出個采用復合材料小彎曲的板撣簧。小彎曲材料有很高的剛度，也就是說，在很大的壓力下，它的應變卻可以保持在很小的范圍內，同時它的密度很小，只有鋼材的50％~70％，因此，小彎曲材料的承載與自身質量之比是鋼材的5倍。另外，實驗數據顯示，它比鋼材要堅硬3.5倍。這些優點都是由材料性能直接帶來的，除此之外，復合材料板撣簧要比鋼板彈簧的結構簡單得多，很容易裝配，維修以及采取防腐措施。而且，由于它比鋼板彈簧小得多的厚度，使它叫以更接近地面，從而節省了汽車的有效空間。必要時，更可以用來降低汽車的底盤，提高汽車的舒適性能。
　　高溫下材料的性能，一直是材料選擇的因素。測試結果顯示，車下板彈簧處的溫度高可以達到130℃，小彎曲材料在這個溫度下性能是穩定的。正是基于以上的諸多優點，小彎曲材料被廣泛應用于制造汽車的板彈簧，從轎車到輕型貨午，甚至重型商業運輸車都采用了這種板撣簧。

6　復合材料與未來汽車

　　未來的汽車是屬于適應環境保護的綠色汽車，因而在此不可避免的要提到復合材料的環保意識。復合材料能提高材料性能，延長使用期，加強功能性，這些都是對環境有利的特性。但應認真對待并努力克服復合材料的再生問題，使復合材料朝著環境協調化的方向發展。
　　復合材料零件的再生利用是非常難的事，會對環境產生些不利的影響。如目前發展快、應用高的聚合物基復合材料中絕大多數屬易燃物，燃燒時會放出大量有毒氣體，污染環境；且在成型時，基體中的揮發成分即溶劑會擴散到空氣中，造成污染。復合材料使用本身就是多種組分材料構成，屬多相材料，難以粉碎、磨細、熔融及降解，復合零件首先分解成單一材料的零件，然而這種分解工藝成本和再生成本較高，而且要使其恢復原有性能十分困難。因此再生利用的主要條件之一是零件容易拆卸，盡可能是單一品種材料，即便是復合材料也要盡量使用復合性少的材料。基于上述原則上的考慮，熱塑性聚烯烴彈性體、聚丙烯發泡材料及GMT增強板材的應用量還會大幅度增加，相反熱固性樹脂的用量將受到限制。目前在再生性和降解性方面的研究工作已經取得了很大的進展。當今社會，人們目光的角度逐漸轉到人與自然的關系問題上，環境與能源問題成為上每個能否生存和發展的關鍵。隨著人們環保意識的不斷提高以及符合環保法規的相繼出臺，綠色汽車已經成為未來汽車發展的必然趨勢，因而如何使汽車滿足環境保護的要求，便提到了汽車廠商們的議事日程。而復合材料作為末來汽車材料發展的主流，必將在其中扮演非常重要的角色。

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