复合材料在汽车领域应用浅析

复合资料是由2种或2种以上不异性质的资料，经过物理或化学的办法组分解的一种具有新功能的资料。由于其优异的力学功能、高比强度和比模量、可设计性等特点，复合资料在航空航天范畴曾经失掉了普遍使用。近年来，化工程度的不时进步，复合资料中纤维以及树脂等原资料的价钱下降，工艺程度不时进步、批量化消费才能的提升，也爲复合资料在交通范畴的使用提供了良好的契机。

目前，关于环境成绩的注重以及关于节能减排的迫切需求使得各国在汽车以及轨道交通范畴关于复合资料的使用加大了研发的投入，各大企业也在复合资料使用方面不时推进技术创新以及拓展复合资料使用范围以进步本身竞争力。

一、不锈钢复合材料在汽车范畴的使用劣势

不锈钢复合材料作爲一种新型资料，以其共同的劣势已普遍使用于航空航天范畴，关于目前竞争日益剧烈以及关于轻量化要求不时进步的汽车范畴，复合资料也在以下几个方面凸显了其在这一范畴的使用劣势。

1.具有优异的力学功能、各向异性非均质

复合资料的特点是比强度与比模量高。比强度、比模量辨别是指资料的强度和模量与密度之比，当比强度越高时，同一强度下零件的自重就越小；当比模量越高时，零件的刚性就越大。因而这2种功能的进步，对需求很高力学功能且高速运转的构造件，和需加重自重与加强承载才能的运输工具具有重要意义。复合资料不同于传统资料，其具有各向异性的特点，例如纤维加强复合资料，其沿纤维方向的比强度比模量分明优于垂直于纤维方向，因而在其力学功能上其具有各向异性。

2.功能具有可设计性，可完成全体化设计与成型

复合资料的构造和对应的功能均具有可设计性，不同于传统非复合资料的功能曾经确定，复合资料的功能可经过相应设计来完成。其中基体资料与加强资料的选择、纤维方向的选择、铺层的设计都可以影响复合资料的全体功能，并可依据组成复合资料的基体资料以及加强资料的参数关于复合资料的功能停止计算。相比于传统资料制造的零件经过铆接、焊接等方式停止衔接，复合资料可经过合理的设计以及适当的工艺完成全体成型，可提升零件全体的功能、降低本钱、加重全体质量。

3.抗疲劳、减震降噪、耐腐蚀

复合资料除了具有良好的力学功能外，也具有抗疲劳、耐腐蚀、减震等优异特性。以普遍使用的纤维加强复合资料爲例，由于其纤维与基体间存在界面，外加载荷由基体传至加强纤维承当。而且界面可以无效地阻止疲劳裂纹的扩展，对大多金属资料而言，其疲劳强度极限是拉伸强度的30％～50％，相应的复合资料则可到达60％～80％。复合资料可以经过复合资料的界面以及夹层构造吸能，可以无效进步其减震降噪的效果，因而也在空中交通的使用中有较大的劣势。此外，复合资料化学波动性很强，如运用纤维加强酚醛树脂，所得资料可以在含氯离子的酸性介质中临时运用；采用玻璃纤维加强的塑料，可用于制造出耐强酸、盐和某些溶剂腐蚀的泵、阀、容器和管道等设备；运用耐碱纤维与塑料复合而成的资料，还可以在强碱性环境中运用。

4.构造功用一体化

热塑性塑料耐磨功能并不出色，但在其中参加大批的短切碳纤维分解复合资料后，其耐磨功能可添加几倍。例如采用碳纤维加强后的聚丙烯（PP）复合资料，其耐磨性爲自身的2.5倍，对应的聚四氟乙烯爲自身的3倍，而聚氯乙烯则到达自身的3.8倍。中选用适当塑料与钢板复合时，能失掉功能极佳、可用于制造耐磨物件的资料。例如用聚四氟乙烯或聚甲醛爲表层、多孔青铜和钢板爲里层制成的3层复合资料，是可制成滑动轴承的良好资料。

所以从降低模具加工本钱，加重制件自身质量以及添加设计自在度和零件集成水平方面思索，复合资料的使用都成爲各国以及各大企业对技术改造和改善的重要方向

二、复合资料在汽车范畴的使用现状

汽车范畴不断追求不时降低油耗和能量耗费，其轻量化已成爲趋向，而复合资料由于其比强度、比模量高的特点，在汽车轻量化进程中有很大的使用前景；反之汽车轻量化的迫切需求，也推进着相关复合资料技术的开展。

复合资料在汽车上的使用曾经拥有较长的历史，从1952年，通用汽车公司推出的一款采用玻璃纤维制造的“Corvette”跑车至今曾经过来了六十余年。在这些年的开展中，复合资料的使用范围被不时推行，其已被普遍使用于发起机盖、前后保险杠、内饰及板弹簧等部件的设计与制造。

1.加强塑料及玻璃纤维复合资料（GFRP）的使用

复合资料使用于汽车上的功用构件及内饰资料较爲成熟，各厂家不时优化资料的工艺性并且进步资料的美感。例如运用加强PP制造发起机冷却风扇叶片和正时齿带上下罩盖等制品。

荷兰利安德巴塞尔公司（LyondellBasell）曾推出的新型Softell配混物，具有柔软的触感，既可作爲汽车内饰资料，亦可添加美感，德国欧宝公司（Opel）曾经将其用于新车型Astra的仪表板以及车门面板的消费。

在梅塞德斯奔驰C级轿车上，运用Mahle过滤零碎公司提供的复合资料流体过滤组件，该组件采用朗盛公司的35%玻纤加强的Durethan AKV PA 66制成，相对于传统资料加重了38%的质量。

宝马公司7系车型，经过挤出模压成型技术，运用供给商Faist提供的Stamax P30YK430资料，来制造引擎降噪板和底部护板。其综分解本比GMT更低，而且对汽车底部的维护较好。

克莱斯勒集团无限责任公司Jeep汽车运用了并行片状模塑料（SMC）遮阳板，其在减重的根底上也可以添加客户的运用体验，3片SMC的遮阳硬顶可以便于用户的挪动。

2.碳纤维复合资料（CFRP）的使用

经过多年开展玻璃纤维复合资料在汽车上的使用曾经非常成熟，包括SMC、长纤维加强热塑性资料（LFT）以及玻纤热塑料（GMT）等成型工艺都失掉不时的改良，可以停止批量化消费。但玻璃纤维也存在强度和刚度缺乏的缺陷，这就限制了其次要用于非承力构件。而碳纤维复合资料，作爲先进复合资料，以其优异的力学功能已普遍使用于航空航天等军工商品范畴，其可以与汽车所用的钢构造媲美。并在轻量化方面及能量吸收方面更胜一筹。近年来随着碳纤维价钱的下降，碳纤维复合资料在汽车上的使用范围也不时拓宽。其可作爲受力骨架、底盘、车顶、车门、保险杠、轮毂、传动轴、板簧等，其车种也有高档跑车到普通轿车、客车和火车等。并且碳纤维复合资料的使用也成爲车辆高质量的意味。

2003年克莱斯勒集团无限责任公司推出的Dodge Viper型跑车，采用碳纤维复合资料来制造挡板支架零碎，这也是此项技术在大型底盘和车身内部部件的初次使用。新款奔驰SLR的车身壳体、车门和发起机罩都采用了碳纤维复合资料。特拉斯开发的具有电动汽车Roadster的双座跑车也异样拥有碳纤维车身。宝马公司M系列车顶采用碳纤维复合资料，其运用了Hexcel的多轴加强资料。宝马公司也宣布与SGL集团成立一家合资公司，开发作产碳纤维资料。

碳纤维复合资料不只可以使用于车身，发起机罩盖也可以采用碳纤维复合资料停止制造，其不只质量轻也便于消费，综分解本低。通用汽车Cheverolet Corvette Z06 留念版轿车发起机罩盖采用碳纤维复合资料，质量仅爲9.3kg。此发起机罩外板采用碳纤维/环氧复合资料制备，内板爲SMC和低密度玻纤共混而成。

法国SP公司经过树脂膜浸渍技术运用碳纤维加强资料和树脂薄膜制备发起机罩盖，其可不运用高本钱的热压罐成型，完成高温固化，也可坚持高质量无空隙外表光亮度。

近年来汽车行业飞速开展，关于碳纤维复合资料的研发上也投入较大的研发力度，并采取与具有技术根底雄厚的复合资料公司停止协作，中航复合资料无限责任公司与中国汽车集团公司、长安汽车股份无限公司、比亚迪股份无限公司等公司在汽车引擎盖、传动轴、轮毂、板簧、全体车身等项目上都具有严密协作。

目前也有许多全复合资料轿车问世，以其优异的功能和创新的理念吸引各方关注。意大利研制的“K200 ROAD”全座复合资料轿车，该车采用热压罐成型，运用全体成型办法。荷兰曾试制全复合资料电动巴士，长15m、宽2.5m、高1.5m，采用环氧树脂，运用真空灌注的办法成型。其不只具有阻尼性且其复合资料传动轴板簧相比于钢制资料可减重50%～60%。中航复合资料无限责任公司采用国产碳纤维完成了全复合资料电动客车车身，车身全长12m，整车质量爲8.5t。

3.新方式及环保型复合资料的使用

相比于传统资料，复合资料在汽车范畴有其独有的特点，如高比强度比模量、可设计性等特点。针对可设计性的特点，可将其与其他资料相结合使其不只在力学功能方面表现优异也使其具有特定的功用性。所以，将复合资料以新的方式停止开发和应用，突出其构造功用一体化也成爲了一个重要方向。复合资料虽然具有诸多优点，但其回收成绩不断是限制复合资料在汽车上使用的难点。近年来关于环境的注重，关于节能减排要求的不时提升，爲复合资料在汽车轻量化方向上提供了开展契机，也异样爲复合资料的回收提出了更高的要求。传统的玻璃纤维与碳纤维复合资料特别是热固性资料难停止回收而且难降解，因而给环境带来困扰。

起亚汽车（Kia Motor）美国公司的拔出式混合动力4座小轿车Ray采用少量复合资料，这款概念车采用了轻质回收资料，太阳能电池嵌在玻璃车顶上。法国国度迷信研讨中心正在研讨大麻和聚氨酯，希冀尝试以其爲原料来制造复合资料，此种资料将会具有价钱更廉价、质量更轻、韧度更强，而且具有可生物降解的特点。

英国伦敦皇家学院及其协作者曾研收回一种碳纤维复合资料并请求了zhuanli，此资料可用于存储和释放电能，不只耐用、质量轻且力学功能出色，可用于构造件和车身面板的制造。运用该资料制成的汽车，其自身就可以看作一个电池，由于其充放电进程不包括化学反响，因而电池功能不会随工夫而衰减。

三、复合资料在汽车范畴使用需求

1.树立复合资料的设计理念

复合资料的设计不同于传统资料，其设计、资料、工艺是3大要点，但其并非独立，三者之间存在着亲密的联络。目前复合资料次要用于替代金属资料停止运用，所以在设计方面也会存在“替代资料”的设计思想。而真正要完成复合资料的劣势，就需求在设计理念上停止创新，针对复合资料本身特点，结合资料及工艺性停止设计。

2.低本钱资料

目前复合资料特别是先进复合资料次要的使用范围爲航空航天范畴，所运用的加强资料和基体资料，特别是碳纤维复合资料中的高功能碳纤维以及热固性树脂，其相比于常用资料价钱较高。而目前汽车范畴的使用就需求针对使用范围开发新型的资料体系，降低原资料本钱也成爲次要的需求方向。针对汽车运用的原资料，应注重研发其适用的低本钱纤维资料，以及高温固化树脂以及疾速固化树脂体系。另外基于环保方面的要求，自然纤维以及混杂纤维的资料体系也将是开展的次要需求。

3.低本钱工艺

复合资料的本钱不只仅在于资料，很大一局部更在于工艺，因此低本钱制造技术的开发成爲复合资料能否普遍使用的关键。目前复合资料的成型办法包括模压成型、热压罐成型、树脂传递模塑成型、真空灌注成型等多种办法。航空航天构造件次要采用热压罐成型的办法，此种办法采用预浸料停止铺贴、然后使资料在低温高压下成型，制件的外表形态和全体功能优异，但本钱较高。而低本钱疾速成型的技术中，树脂传递模塑成型技术占有较爲重要的位置，其下包括有真空辅佐模塑传递技术，高压树脂传递模塑成型等。这类工艺的成产节拍较快并且不需热压罐等设备，所以可以在一定水平上降低本钱。因而如何完成低本钱的工艺也是今后复合资料在汽车范畴开展的一个重要需求。

4.全体化处理方案

复合资料的一个重要的劣势就是其可完成全体成型，经过全体成型的完成可以无效的增加零件的数量。目前可采用共固化共胶接等办法来完成全体化方案。经过全体化方案的施行可完成复合资料在轻量化方向的劣势以及增加人工和工夫本钱。全体化方案的制定需求从设计、资料、工艺等多方面思索，其存在着较大难度，也是复合资料使用的一个需求。