長纖維材料應用與汽車輕量化設計

摘 要：文章主要介紹了長纖維材料的種類、特點、優點及幾種典型的輕量化應用，并分析了汽車輕量化與節能、環保、新材料的關系。

關鍵詞：長纖維材料；輕量化

中圖分類號：U465.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0011-02

隨著汽車向降耗減排、更安全、更環保的方向發展，也伴隨著我國汽車工業自主研發、自主創新、打造自主品牌的戰略需求日益迫切，致使塑料在汽車方面的應用，諸如其零部件制造業、工程塑料、改性塑料供應商，均將面臨新的機遇和挑戰。汽車塑料新材料主要圍繞節能、環保、安全、舒適、成本等主題進行研究，其中能源和環保問題尤為突出。汽車用材輕量化是提高燃油經濟性的最有效措施之一。

1 長玻纖增強塑料復合材料在汽車上的應用

復合材料是兩種或兩種以上化學本質不同的組分人工合成的材料。長玻纖增強復合材料是目前應用較多的復合材料，是近年來逐步研究發展起來的新型塑料材料。長玻纖增強復合材料主要種類及特點見表1。

1.1 長玻纖增強復合材料的優點

1.1.1 低密度

在能源危機的社會背景下，為實現汽車節能降重的目的，結構材料中鋼鐵等材料所占比例將逐步下降，有色金屬、陶瓷材料、復合材料、高分子材料等新型材料的用量將逐步上升。尤其是復合材料等輕型、新型材料取代鋼鐵材料已經成為一種趨勢。有資料介紹，汽車自身質量減輕100 kg，則100 km的燃油消耗量可減少0.2～0.8 L，大約4.5%。要降低汽車自重除了在結構設計上下工夫外，一項重要的手段就是在汽車上大量采用復合材料。長玻纖增強復合材料比重一般都在1.5～2之間，是普通碳鋼的1/5～1/4，比鋁合金輕1/3左右。因此復合材料應用在汽車零部件上是減輕重量的有效途徑，可以很大程度上降低汽車油耗。

1.1.2 高強度

長玻纖增強復合材料具備較高的比強度，是以塑代鋼的理想材料。按照比強度計算，玻纖增強的復合材料不僅超過碳鋼，而且超過合金鋼。如玻纖增強的環氧樹脂，其比強度比鋼高2倍左右。通過不同組分搭配的復合材料，具有很高的機械強度、較好的剛性以及沖擊性能等，可以代替鋼板制作車身覆蓋件或結構件。

1.1.3 耐沖擊

塑料制品的彈性變形特性使其具備一定的碰撞能量吸收功能，對一定速度的撞擊有較大的緩沖作用，對車輛、行人和乘員起到一定的保護作用。單位質量的塑料的抗沖擊性不亞于金屬，長玻纖增強復合材料甚至還高于金屬。因此，采用長玻纖增強復合材料代替金屬外裝飾件，可以減輕外部物體（包括行人）對車身的沖擊力。另外，塑料制品還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。

1.1.4 耐腐蝕

復合材料具有優異的耐酸、耐海水性能，也能耐堿、鹽及有機溶劑。玻纖增強的復合材料的抗腐蝕性能是金屬材料的10倍，可從根本上解決汽車車身覆蓋件的耐腐蝕問題。目前長玻纖增強復合材料用的最多位置及概況如圖1所示。

1.2 幾種典型的應用

1.2.1 汽車備胎倉

用復合材料代替鋼板做備胎倉有較好的抗碰撞反應性能，不易產生裂解，設計自由度和功能綜合集成度高，比鋁減重約25%，比鋼減重50%，成本較少，一般比鋁少40%，比鋼少20%，集體粘接性能好，噪聲阻尼減振明顯，而且環保，能實現循環利用，在歐洲應用已超過10多年。

1.2.2 發動機艙前端模塊

一般汽車發動機艙前端模塊都有20個左右的金屬零件和塑料零件組成，不但裝配復雜、成本高，而且由于裝配誤差的積累造成質量問題，改為復合塑料件后，只有一個模壓件就可以代替20個零件，不需要裝配，使用效果良好。長玻纖增強復合材料制成的發動機艙前端模塊，將汽車前端系統高度集成，具有更好的抗沖擊性能，降低部件重量，改變傳統汽車裝配工序，大幅度降低了部件成本。

1.2.3 座椅骨架

用復合塑料制造的座椅骨架，乘坐舒適性、安全性好，可以將功能綜合，與鋼骨架相比，重量減輕，與鋁骨架相比，成本降低。

2 汽車輕量化設計

汽車輕量化是目前及今后汽車產業發展的一項關鍵性技術，隨著近年來霧霾蔓延及給全國各地帶來的大氣PM2.5的嚴重超標，人們對環保的關注度逐漸提高，國內多個城市都要求車輛達到國V要求，否則無法上牌，另外石油價格逐漸上漲，燃油經濟性也成為人們選擇車輛的一項重要指標，因而汽車輕量化是提升汽車節能環保的有效措施，成為各大汽車企業都在研究的課題。

汽車輕量化的發展方向主要是三個方面：采用輕質量材料，設計結構優化，生產工藝革新。其中輕質量材料分為低密度材料和高強度材料兩種，輕質量材料是汽車輕量化最有力支撐，近年來應用比重不斷攀升。

復合材料在汽車上的應用在汽車上的應用隨著近年來工藝技術的提升，逐步在自主品牌車型上應用，如前端模塊、塑料翼子板等，但與國外差距還較大，目前受限的主要是由復合材料生產的汽車零部件性能指標難以滿足汽車技術要求。長纖復合材料可以很大程度上既滿足輕量化的要求又能滿足零部件性能要求的目的，因而在自主品牌汽車中推廣應用長纖復合材料非常必要。

參考文獻：

[1] 劉景芬.塑料在汽車上的應用現狀及發展趨勢[J].國際塑料商情，2009，（3）.