復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用

徐晶晶

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)得到了較快的發(fā)展，為滿(mǎn)足人們對(duì)汽車(chē)舒適度、安全性等多方面的實(shí)際需求，近年來(lái)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)工業(yè)中。該文針對(duì)金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、SMC、GMT、LFT、MMC、NMT等復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)現(xiàn)階段復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)各類(lèi)汽車(chē)中的應(yīng)用情況進(jìn)行概括，對(duì)未來(lái)復(fù)合材料在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此加深對(duì)復(fù)合材料開(kāi)發(fā)與汽車(chē)行業(yè)發(fā)展之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 汽車(chē)工業(yè) 應(yīng)用 趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U465.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0117-02

隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的逐步落實(shí)，人們?cè)谧非笃?chē)安全性和舒適性的同時(shí)，逐漸認(rèn)識(shí)到汽車(chē)節(jié)能減排的重要性，而縮減風(fēng)阻、提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率、控制摩擦和汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的主要途徑。大量實(shí)踐證明，適當(dāng)?shù)貞?yīng)用復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化，提升汽車(chē)性能，所以針對(duì)復(fù)合材料在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 各類(lèi)復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

1.1 MMC在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

MMC又被稱(chēng)為金屬基復(fù)合材料，其具有比強(qiáng)度、比剛度、耐磨性、導(dǎo)熱性較理想而特膨脹系數(shù)較差的特點(diǎn)，所以在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用具有一定的可行性，其中由于鋁基復(fù)合材料和鎂基復(fù)合材料具有顆粒和短纖維增強(qiáng)的特點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用的范圍相對(duì)廣泛，鋁基復(fù)合材料作為以鋁硅合金為主，添加陶瓷纖維等填充增強(qiáng)劑的復(fù)合材料，相比鋁合金在強(qiáng)度、彈性模量、耐熱耐磨性能等方面都具有優(yōu)越性，而且質(zhì)量更輕，在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用對(duì)提升汽車(chē)性能具有重要的作用[1]。例如，將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)剎車(chē)輪，可使剎車(chē)輪質(zhì)量縮減30%～60%左右，導(dǎo)熱性能大幅提升，在450 ℃的高溫下仍可正常作業(yè)；將其應(yīng)用于汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)中可使導(dǎo)熱和冷卻性能得到顯著提升，除此之外，人們發(fā)現(xiàn)將碳纖維增強(qiáng)鋁基應(yīng)用于輪胎螺栓，可明顯提升其強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力效果；將氧化鋁纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)連桿，可延長(zhǎng)其使用壽命，提升穩(wěn)定性，可見(jiàn)金屬?gòu)?fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用較為普遍，且效果較理想[2]。

1.2 CMC在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

CMC又被稱(chēng)為陶瓷基復(fù)合材料，其通常以玻璃陶瓷、氧化鋁、氮化硅等為基體，在強(qiáng)度、耐磨耐腐蝕性、隔熱性方面性能突出，且具有膨脹系數(shù)和密度較低的特點(diǎn)，現(xiàn)階段其主要應(yīng)用于汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)方面，將其應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)活塞，可在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的隔熱，進(jìn)而為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化提供了可能。實(shí)踐證明，將其應(yīng)用于高強(qiáng)化柴油機(jī)的活塞部分甚至可以舍去對(duì)其轉(zhuǎn)向冷卻處理；將其作為塑料材料的增強(qiáng)劑，對(duì)其耐熱耐磨性能的提升具有重要意義；將其應(yīng)用于汽車(chē)的配氣結(jié)構(gòu)，如挺柱、彈簧座等結(jié)構(gòu)，可使功率損耗得到有效的縮減，而且氣門(mén)座等在應(yīng)用中極易磨損的結(jié)構(gòu)的使用壽命得到明顯提升；將CMC制成的鑲塊應(yīng)用于柴油機(jī)渦流室，可對(duì)燃燒噪聲和碳?xì)浠衔锏呐欧胚M(jìn)行改善，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，陶瓷渦輪相比金屬渦輪具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性都較小，可提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)性近40%；除此之外，在汽車(chē)氣缸蓋、排氣管等位置應(yīng)用CMC，也可使其使用的壽命得到提升，但實(shí)際應(yīng)用中CMC仍受到價(jià)格、可靠性等方面的限制。

1.3 SMC在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

SMC復(fù)合材料屬于玻璃鋼，具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、成本低且可循環(huán)應(yīng)用的特點(diǎn)，其中短切纖維和連續(xù)纖維混雜應(yīng)用的SMC C/R在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用更為廣泛，其使SMC的使用性能得到大幅度提升，但在具體應(yīng)用中必須結(jié)合其應(yīng)用結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況進(jìn)行短切纖維和連續(xù)纖維比例的針對(duì)性設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用于汽車(chē)的保險(xiǎn)杠、加強(qiáng)梁、支撐架等受力結(jié)構(gòu)，可以提升其強(qiáng)度、延長(zhǎng)使用壽命，例如日本馬自達(dá)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)架應(yīng)用800 MPa彎曲強(qiáng)度、短切纖維R和連續(xù)纖維C均為30的SMC C/R，其質(zhì)量相比鋼制縮減近40%，同樣受力彎曲度僅為鋼制的70%。由于SMC復(fù)合材料具有循環(huán)利用的特性，其更符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，所以近年來(lái)受到汽車(chē)行業(yè)的廣泛關(guān)注，研究力度不斷加大。

1.4 GMT在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

GMT復(fù)合材料的基體是熱塑性樹(shù)脂，增強(qiáng)劑為玻璃纖維氈等，具有低材料密度、高強(qiáng)度、可循環(huán)利用的特點(diǎn)，而且其相比多部分復(fù)合材料具有力學(xué)性能均衡的特色，片材的GMT在彎曲、拉伸、抗沖擊強(qiáng)度等方面都可以得到大幅度提升，將其應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)中效果更加理想。實(shí)踐證明通過(guò)對(duì)GMT進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其可以成功地取代汽車(chē)工業(yè)中的部分金屬材料，實(shí)現(xiàn)減重的目的，而且GMT模具費(fèi)用通常僅為金屬模具的10%～20%，有利于汽車(chē)零部件的模塊化生產(chǎn)；GMT制件相比金屬件質(zhì)量縮減達(dá)30%～80%且相比同體積金屬制件價(jià)格更低，能耗相比鋼制品和鋁制品明顯縮減；現(xiàn)階段GMT在奔馳轎車(chē)中的應(yīng)用質(zhì)量超過(guò)30 kg，福特、克萊斯勒等轎車(chē)上的備胎盤(pán)、行李架、保險(xiǎn)杠等也應(yīng)用了此種復(fù)合材料，性能得到較大幅度的改善。由于GMT力學(xué)性能均衡，所以為提升汽車(chē)的安全性和舒適性可將其應(yīng)用于座椅、儀表等位置，例如別克、凱越的后靠背骨架基本由此材料制成；結(jié)合其各方面的性能，現(xiàn)階段GMT在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用已達(dá)到近50種，如護(hù)板、腳踏板、遮陽(yáng)板等，而且應(yīng)用范圍仍有擴(kuò)大的空間。

1.5 LFT在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

LFT復(fù)合材料的纖維長(zhǎng)度通常在2 mm以上，且隨著加工工藝的逐步深化纖維長(zhǎng)度不斷增加，纖維長(zhǎng)度與其沖擊性能呈現(xiàn)正相關(guān)性，其通常具有沖擊強(qiáng)度較大，強(qiáng)度高、成型收縮性低、抗蠕變性能強(qiáng)、耐疲勞性好，可注射或模壓成型，流動(dòng)性能強(qiáng)，可循環(huán)應(yīng)用等特點(diǎn)，現(xiàn)階段在汽車(chē)的前端支架、門(mén)板模塊、行李架、緩沖器、蓄電池殼等結(jié)構(gòu)中都對(duì)此復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。例如邁騰系列和馬自達(dá)3/6都將30%長(zhǎng)波纖維復(fù)合材料直接注射成型，使其生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本、質(zhì)量等都明顯縮減，效果突出；福特和馬自達(dá)公司將其應(yīng)用于門(mén)板模塊，使揚(yáng)聲器、防盜裝置等結(jié)構(gòu)集成于門(mén)板模塊中，有效地對(duì)其高溫或低溫狀態(tài)下的蠕變、翹曲等進(jìn)行了控制；梅塞德斯-奔馳公司將行李架和緩沖器直接進(jìn)行40%長(zhǎng)波纖維復(fù)合材料注射成型，使其強(qiáng)度、韌性等方面得到了大幅度提升，而質(zhì)量和成本卻相對(duì)縮減，實(shí)際意義突出；另外，奔馳公司將蓄電池殼直接用40%長(zhǎng)波纖維復(fù)合材料注射成型，使其強(qiáng)度和硬度得到改善的同時(shí)，蠕變、質(zhì)量、體積等都得到較大的改善。

1.6 NMT在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用分析

NMT由于在耗能、造價(jià)等方面存在一定的缺陷，現(xiàn)階段主要應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)中，如汽車(chē)行李箱、衣帽架、儀表盤(pán)等，例如克萊斯勒公司將NMT應(yīng)用于車(chē)門(mén)的內(nèi)飾方面，使其質(zhì)量、機(jī)械性能、安全性等方面都得到了極大改善；福特汽車(chē)公司將此種復(fù)合材料應(yīng)用冷卻器架和引擎擋板等結(jié)構(gòu)中，使其體積得到較大幅度的縮減；菲亞特公司將此種復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)坐椅、儀表板、車(chē)門(mén)把手等結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)春一汽四環(huán)將其應(yīng)用于車(chē)內(nèi)的雜物箱和其他車(chē)內(nèi)裝飾板中，都使汽車(chē)的質(zhì)量和安全性得到提升，使傳統(tǒng)纖維材料在污染、耗能等方面的缺陷得到較好的改善，現(xiàn)階段通過(guò)對(duì)其增強(qiáng)纖維材料的不斷深入研究，NMT的質(zhì)量、力學(xué)性能、化學(xué)性能、隔音效果、環(huán)保性和防輻射性都得到了極大改善，為其適用范圍的擴(kuò)大提供了可能。

2 復(fù)合材料在各類(lèi)汽車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 復(fù)合材料在各類(lèi)轎車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國(guó)市場(chǎng)上的汽車(chē)大部分來(lái)源于進(jìn)口，如美系的福特、日系的馬自達(dá)、歐系的奔馳寶馬等，完全自主品牌相對(duì)較少，如長(zhǎng)城、獵豹等，現(xiàn)階段進(jìn)口車(chē)中應(yīng)用的復(fù)合材料主要依靠進(jìn)口，本土化生產(chǎn)占有的比例較低，而國(guó)產(chǎn)車(chē)中對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用相對(duì)較少，仍處于初步探索階段，例如一汽大眾生產(chǎn)的奧迪A6車(chē)型，其嘗試將SMC應(yīng)用于后保險(xiǎn)杠的被襯，將GMT應(yīng)用于前端支架和發(fā)動(dòng)機(jī)罩中，使汽車(chē)車(chē)身整體重量得到縮減，且相關(guān)結(jié)構(gòu)的性能得到提升；海南馬自達(dá)公司將馬自達(dá)6的前端模板和車(chē)門(mén)模板進(jìn)行LFT長(zhǎng)波纖維直接注射成型，使其抗沖擊性得到大幅度提升，提升了整體的安全性能；上海通用公司針對(duì)凱悅、君悅系列車(chē)型的天窗板應(yīng)用SMC復(fù)合材料，使其強(qiáng)度大幅提升的同時(shí)，車(chē)身重量得到減輕等。

2.2 復(fù)合材料在各類(lèi)載貨車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各行業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)載貨車(chē)的市場(chǎng)需求數(shù)量不斷提升，為滿(mǎn)足使用者對(duì)載貨車(chē)性能、安全性、耗能等方面的需求，復(fù)合材料在載貨車(chē)方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)中型和重型載貨車(chē)，例如一汽集團(tuán)生產(chǎn)的解放奧威和解放J6系列車(chē)型都在其前保險(xiǎn)杠和前圍面板中應(yīng)用了SMC復(fù)合材料，使其強(qiáng)度和剛度得到大幅度提升，而貨車(chē)自身的重量卻相對(duì)縮減，耗能量明顯減少；東風(fēng)公司生產(chǎn)的153改型和天龍系列、新霸龍系列也在汽車(chē)的不同結(jié)構(gòu)嘗試應(yīng)用了復(fù)合材料，例如天龍系列的前保險(xiǎn)杠和前圍面板都應(yīng)用了SMC復(fù)合材料，153改型和天龍系列的導(dǎo)流罩都應(yīng)用了FRP，使其機(jī)械性能和功能性都得到了提升；洛陽(yáng)福賽特公司生產(chǎn)的福德重卡將RTM復(fù)合材料應(yīng)用于其面罩和保險(xiǎn)杠中，不僅使重卡的安全性得到提升，而且車(chē)身重量和性能也得到極大改善。

2.3 復(fù)合材料在各類(lèi)客車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著客車(chē)市場(chǎng)需求的不斷提升，復(fù)合材料在客車(chē)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，現(xiàn)階段幾乎在所有種類(lèi)的客車(chē)中都可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的身影，例如：西安西沃客車(chē)的前保險(xiǎn)杠和行李箱門(mén)板；上海雙龍客車(chē)的空調(diào)頂置殼體和前保險(xiǎn)杠、翼子板、北方迪奧普毫客車(chē)的側(cè)圍板和后圍等，另外，部分客車(chē)的座椅也采用了SMC復(fù)合材料，如申龍客車(chē)的連體座椅等。

3 未來(lái)復(fù)合材料在汽車(chē)行業(yè)中應(yīng)用的趨勢(shì)

綜上所述，復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用符合汽車(chē)發(fā)展對(duì)汽車(chē)車(chē)身輕量化的要求，而且可以使汽車(chē)在性能正常發(fā)揮的前提下，隨著重量的不斷減輕，油耗逐漸縮減，與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求相一致，所以在未來(lái)汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展過(guò)程中，復(fù)合材料的應(yīng)用將逐步擴(kuò)大。復(fù)合材料的應(yīng)用，可以促使汽車(chē)結(jié)構(gòu)的使用壽命增長(zhǎng)，性能提升，功能性得到優(yōu)化，這在一定程度上有利于環(huán)境的保護(hù)，特別是部分復(fù)合材料具有循環(huán)應(yīng)用的特性，使其環(huán)保性得到保證，所以這在一定程度上與環(huán)保理念相一致；雖然部分復(fù)合材料屬于易燃物質(zhì)，而且在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的污染物，即使在成型后揮發(fā)作用下也會(huì)對(duì)空氣等造成一定的污染，廢棄處理的難度較大，但隨著針對(duì)復(fù)合材料降解、再生等方面的研究不斷加深，其對(duì)環(huán)境的污染也會(huì)不斷縮減，例如可通過(guò)熔融再生、溶解再生等方法實(shí)現(xiàn)復(fù)合CMC材料的再生；對(duì)MMC復(fù)合材料可進(jìn)行組分分離或回收再利用等。由此可見(jiàn)，復(fù)合材料對(duì)環(huán)境的污染程度相比其在汽車(chē)工業(yè)方面發(fā)揮的作用，前者在不斷減小，而后者在不斷加強(qiáng)，所以在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，復(fù)合材料仍將在汽車(chē)工業(yè)中得到應(yīng)用，而且應(yīng)用的范圍有明顯擴(kuò)大的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到將復(fù)合材料科學(xué)地應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，對(duì)提升汽車(chē)性能、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要性，并在實(shí)踐中嘗試將復(fù)合材料應(yīng)用到各種類(lèi)型的汽車(chē)中，實(shí)踐證明其對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面產(chǎn)生的效益突出，應(yīng)結(jié)合實(shí)際推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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