芳綸材料在汽車制品中的應用

袁鋒，高敬民，宋志成，楊佑

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

引言

近年來，隨著石油資源的枯竭和節能環保法規的進一步強化，對汽車制品的尾氣排放提出了更苛刻的要求。據報道，2020年，歐盟、美國的節能環保法律法規規定：新出廠汽車每升汽油續駛里程與所排放的每立方米尾氣不應超過的溫室氣體排放量。這對汽車制造是相當嚴格的，要達到這個標準，意味著整車重量減輕30%～50%。我國工信部也將出臺新的規定：新出廠的小汽車百公里油耗必須在7L以內[1]，因此，汽車輕量化已經成為大勢所趨，這對新材料領域無疑不僅僅是挑戰，同時無疑也是機遇。

目前，汽車輕量化材料研究熱點主要集中在碳纖維和芳綸纖維，其中芳綸纖維以它高強度、高模量、密度低、耐高溫、本質阻燃等諸多優良性能在汽車領域中得到廣泛的應用。芳綸的全稱是芳香族聚酰胺纖維，其定義是：至少有85%的酰胺鏈（-CONH-）直接與兩苯環相連接，芳綸又分為對位芳綸和間位芳綸。

對位芳綸的分子結構具有較好的規則性，如圖1所示。它擁有芳綸纖維所特有的優點，其強度是鋼的3倍，滌綸的4倍；在初始模量方面，比滌綸工業絲高出4～9倍，比聚酰胺纖維高出10倍以上。對位芳綸耐高溫穩性能好，在150℃溫度下基本不會有任何變形，在 260℃高溫下仍可保持原強度的 65 %。

圖1 對位芳綸分子結構式及球棍模型

間位芳綸的分子結構呈鋸齒狀，如圖2 所示，間位芳綸晶體屬于三斜晶系，結構中氫鍵在兩個苯環平面上，以格子狀排列呈氫橋的三維結構[2]，由于氫鍵作用，使其化學結構非常穩定。因此賦予了它極佳的耐火和耐氧化性。它在260℃溫度工作1000h后，其強度保持率仍有65 %；在300℃環境中工作7天，保持率為50%；它的分解溫度接近500℃；幾乎不燃燒，離開火焰后即自熄。故被廣泛應用于軌道交通、汽車、國防軍工等領域。

圖2 間位芳綸分子結構式及球棍模型

1 芳綸材料在汽車制品中的應用現狀

芳綸材料主要用于汽車輪胎、膠管膠帶、電機、剎車片、等部件，據統計，世界上最大的芳綸市場是汽車制動系統的摩擦制品[3]，這一部分的芳綸消耗量約占芳綸總產量的35%，芳綸材料在汽車中應用如圖3所示。

圖3 芳綸材料在汽車制品中應用比例

芳綸材料用于汽車制品最大的優勢主要體現在減輕了汽車重量，并提升整車性能。從表1可以看出汽車輕量化對整車性能的影響[4]。

表1 汽車輕量化對整車性能的影響

1.1 在摩擦制動上的應用

隨著高速公路的快速發展，汽車的行駛速度越來越快，同時人們對汽車的環保性能也提出了更高的要求。因此，在工程機械的高速、重載和快速制動，以及汽車特別是賽車的制動上，對摩擦襯片材質的要求也越來越高。而芳綸纖維以其獨有的特性，非常適合作高溫高摩擦下的摩擦材料。也因此成為取代石棉而成為下一代摩擦材料的增強材料。

制動摩擦材料是一種多組分酚醛樹脂基復合材料，常用作汽車剎車制動片和離合器襯墊。近年來，隨著芳綸纖維在制動摩擦中成功應用，國內研究人員對芳綸纖維增強摩擦材料的配方、制造工藝與制動過程中的摩擦機理的研究越來越多。楊自棟等[5]研究了Kevlar增強摩擦材料在汽車制動過程中的摩擦機理，從微觀層面上對摩擦接觸界面探討，得到了Kevlar含量對摩擦系數的影響最佳的配方，并通過試車取得了良好的耐磨效果。Kato[6]等和Gopal[7]等研究了芳綸漿粕在摩擦制動中的作用，認為芳綸漿粕可以降低制動摩擦材料的摩擦系數，提高耐磨性。Lu[8]等通過研究得到了各種原材料對摩擦性能影響的靜態摩擦性能譜，芳綸漿粕因其具有弱固體潤滑劑特性，在摩擦性能譜中位于潤滑區和過渡區的邊界，耐磨性優異，是可以優先選擇的原材料之一。

芳綸纖維主要用于增強樹脂做剎車制動片和離合器襯墊，特別是芳綸漿粕和沉析纖維兩種產品作為高性能填充材料應用，由于比表面積大，直徑分布均勻，在尼龍和聚四氟乙烯樹脂中分散很均勻，優勢互補，其增強的復合材料的摩擦系數性能大幅提高，因此在交通運輸、國防工業等高技術產業中應用日益增多。

芳綸纖維作為增強劑，雖具有摩擦系數穩定和磨損率低等諸多的優點，但目前國產的漿粕與酚醛樹脂的浸潤性差，所以仍需對芳綸漿粕的表面處理技術進行優化研究，以充分發揮其優良的性能。另外，在汽車摩擦材料中，芳綸纖維不適合作為單一的增強材料使用，并且含量不宜過高。研究表明，接觸面層的芳綸纖維在高強度的制動摩擦情況下，會由于局部的過熱、軟化，導致其失去原有的機械性能，摩擦因素會降低，此時的芳綸纖維在摩擦界面起到了一定的潤滑作用。

1.2 在膠管材料上的應用

汽車用膠管是汽車用主要橡膠制品之一。隨著汽車工業的不斷進步，同時對環保的要求越來越高，汽車用膠管所接觸介質以及使用環境都在不斷變化，故而汽車用膠管近年來對材料構成方面提出了更高的要求[9]。許多的汽車制造商要求一些汽車膠管的壽命與汽車壽命一致，加上能源問題，要求汽車質量越來越輕，因此，現在的汽車膠管相比以前需具有以下特點：高度耐熱、尺寸穩定、抗震動、質量輕。

芳綸纖維以其獨有的特性，已經成為膠管產品增強纖維的首選材料。用芳綸纖維作膠管增強層的骨架材料主要有以下四大優勢：（1）強度高，以滿足膠管產品的耐壓要求；（2）耐疲勞性好；（3）高穩定性以及伸長率低，滿足直接蒸汽硫化的工藝要求，同時可以減小膠管在承壓狀態下的徑向變形；（4）質量輕，符合汽車工業輕量化趨勢，用芳綸增強的膠管，在保證同等強度的條件下，可以比使用錦綸、維綸減輕三分之二以上的重量。

據統計，市面上一半以上車型內燃機采用的是渦輪增壓機型，該內燃機需要把壓縮空氣從渦輪增壓器傳向冷卻器，此時膠管工作溫度非常高， 一般維持在200 ℃ ， 最高可達230 ℃ ，在膠管冷的一端， 膠管也要經受160℃～ 180 ℃ 溫度的作用[10]。而芳綸纖維以其優越的耐熱、耐老化性能用作膠管的骨架材料無疑是最佳的選擇。另外，芳綸被大量的用來生產在燃料、冷卻水和加熱水、空調器、潤滑油和管線中使用的膠管。根據不同使用環境,對膠管的耐壓強度、介質阻力等有不同要求。如ContiTech公司生產了一種汽油管,為泵送燃料而發展了管中管的原理，這類管不僅僅是用一種材料如橡膠所制成的,而是由好幾層組成的。每一層橡膠都根據特殊需要進行增強,所用的增強材料有鋼、芳綸、聚酰胺、棉花等的纖維。這是對環境保護做出了不小的貢獻。

目前，國內由于受到多方面因素影響，作為汽車膠管骨架增強層所使用的材料仍然以錦綸和滌綸為主，其中以滌綸最為廣泛，芳綸應用比例不足10%。而在國外，特別是歐洲國家，芳綸纖維已經成為汽車膠管增強層的主要原材料。德國某公司采用芳綸作增強層，用氟橡膠作內膠層、三元乙丙橡膠作外膠層生產了汽車發動機燃油膠管；美國蓋茨公司和克萊斯勒公司用芳綸纖維作為增強層制作了汽車散熱器膠管。這種膠管均可在 150℃下長期使用，現在已經成為中高檔轎車的必配部件。據統計，歐洲國家汽車用膠管耗用的芳綸占所有橡膠制品耗用芳綸的70%以上。

我國汽車工業的快速發展給汽車膠管帶來了發展良機，按照每輛汽車所需膠管 20m計算，據統計，2014年我國汽車新增2.3×107輛，而2015年新增2.5×107輛，并仍在持續增長，所需要的汽車膠管在5×108m以上，再加上維修所用的膠管，市場潛力非常大。為了適應國內汽車工業的發展，近些年，盡管受到國內芳綸纖維主要依靠進口的制約，很多企業通過引進技術和自主開發，研制出了高性能芳綸纖維用于汽車膠管的制造。如中藍晨光生產的牌號 STARAMID對位芳綸纖維[11]，研究了其性能、表面處理對汽車膠管剝離強度的影響，得到了較好結果，為國產化對位芳綸在汽車膠管中的應用提供了寶貴的經驗。

雖然膠管對骨架材料和橡膠之間的粘合要求不像輪胎那么苛刻，但是仍然需要有一定的粘合水平。而芳綸纖維具有很高的化學惰性，表面很難活化，從而使得其與橡膠直接粘合存在困難。很多研究者對此進行了改進、優化，如表面化學反應、等離子體處理、粘合劑處理、浸膠、輻照等，這些方法不同程度的增加了芳綸纖維骨架與橡膠之間的粘合。杜邦公司擁有一種簡單方便的處理方式，能夠讓 Kevlar和Nomex纖維與橡膠的粘合能力成倍提高，甚至提高十倍，但是目前處于保密階段。

1.3 在膠帶材料上的應用

膠帶產品耗用芳綸在橡膠制品耗用芳綸中所占比例：在歐洲為12.5%，在全世界則達到了22%以上的份額。在橡膠產品中，它每年消耗的芳綸纖維僅次于膠管產品。芳綸用于膠帶有以下幾大優勢[12]：

①強度/線繩細度之比高，以最小的材料消耗和能源消耗制造大功率膠帶；

②高模量，尺寸穩定性好，工作壽命長；

③耐高溫性優越，在高溫環境工作仍能保持高精確度。

隨著生活水平的提高，汽車已經不再是人們眼中的奢侈品，而是一種普遍的交通工具，因此人們越來越關注現代汽車的安全性、舒適性、經濟性，是否能長時間在高速下行駛且噪聲低，同時也希望低維修保養頻率，或者是免維護，是否環保等等。要滿足這些要求，離不開高性能動力傳動膠帶的支持，而芳綸無疑是可確保高精度傳動比、高可靠性、長工作壽命的傳動帶的理想骨架材料。

1.4 在輪胎材料上的應用

芳綸有“合成鋼絲”的美稱，20%的芳綸纖維用于橡膠骨架材料，汽車輪胎是其主要應用之一。從技術層面出發，芳綸可作為輪胎任何部位的骨架材料[11]，它可以用來作子午胎的胎體、帶束層、冠帶層等部位的增強材料。斜交工程輪胎緩沖層的增強材料、載重輪胎胎圈加強層的增強材料也可用芳綸材料替代。此外，芳綸短纖維經過粘合處理后還可被用到輪胎胎面等部件膠料中，起到補強作用。

芳綸輪胎具有以下優點[13]：

（1）質量輕，舒適性好。鋼絲的密度 7.85g/cm3，而芳綸密度為 1.44 g/cm3，僅為鋼絲的五分之一，單胎質量減輕6%～9%。芳綸輪胎胎面、側胎柔軟，以及胎面對地面的移動性和剪切力小，因而其緩沖性能好，行駛噪音低，乘坐舒適。

（2）滾動阻力低，節油性能佳。由于芳綸簾線動態模量高、損耗因子低，具有較小的滯后損失，非常適宜作低滾動阻力高性能輪胎骨架。據了解，其滾動阻力最多可降低20%，降低了能源的消耗，達到節油目的，符合環保要求。

（3）耐切割、耐刺扎。芳綸的剛性是鋼的 4～6倍，韌性是鋼的2倍，并且由于分子結構呈惰性，具有很強的耐化學、物理腐蝕，耐磨性能優越，因此其使用壽命更長。

（4）耐熱、耐疲勞性能好。以芳綸纖維作輪胎簾子線，其剛性好、伸長率低、蠕變小，具有優良的耐熱性能。芳綸纖維在 150℃下收縮率為零，能夠長期運行，特別適用于跑氣保用輪胎的胎體骨架材料。另外，在動態力學方面，芳綸具有復合模量隨溫度的增加而遞增，損耗模量隨溫度的增加而遞減的特性，使得其具有優異的高溫使用性能。在輪胎工作時，簾子線不僅要承受內胎的內壓，還要承受汽車重力及運動過程中的作用力，高速運轉中與地面摩擦產生大量的熱會使輪胎溫度升高，因此芳綸非常適合替代鋼絲作為汽車輪胎簾子線。

（5）成本低。輪胎重量減輕意味著單胎材料成本降，芳綸與膠料的粘合效果不受水分、溫度的影響，較鋼絲效果好，并且可以不需要促進鋼絲粘合的專用粘合劑，因而膠料的成本低于鋼絲輪胎膠料，大約可降低成本18%。

據荷蘭Acordis-Akzo公司統計，2000年全世界輪胎行業消耗了160t以上的芳綸骨架材料，其中歐洲占了40%的份額。美國 DuPont公司曾報道，加上芳綸短纖維，這一年全世界輪胎制造業消耗了1000t以上的芳綸纖維。

芳綸在子午胎中絕大部分被用來取代鋼絲簾線做帶束層的增強材料，在乘用車胎和輕型載重胎中以全纖維胎體、帶束層結構取代半鋼結構，獲得了非常好的效果。鄧祿普公司成功地開發出使用Kevlar作帶束層的超輕量輪胎，其重量較原來減輕30%，單胎重量從11.8kg減至8.6kg，節約了燃油費。同時還改進了輪胎的接地性能，提高了乘坐舒適性等。21世紀初期，國內數家輪胎廠用進口芳綸簾子布做胎體或帶束層骨架材料生產子午胎，每年用量為15t左右。另外，TEIJIN公司在輪胎100份生膠中摻加1～3份Tawron芳綸短纖維，發現其耐久性提高了 18%～20%，生熱降低了 10%，滾動阻力在不同車速下降低了10%～25%，同時膠料的抗崩花掉塊性能提高了近20%[14]。

賽車用輪胎是芳綸在輪胎市場中最大的客戶，所有一級方程式賽車的輪胎都是用芳綸作為主要的增強材料。當然，其他輪胎領域，芳綸的用量也呈現出增長趨勢，如米其林公司生產的Pilot Super Sport系列輪胎，采用Twaron作輪胎帶束層，夠有效抓住胎面中央部位，消除胎面隆起的現象。一方面讓胎面受力分布均勻，抓地力在胎面中央的緊張程度高于胎肩，增強了對輪胎向心力的控制，一方面保證了胎面磨損均勻，增加了其壽命。另外在輪胎面采用了Dual-Compound胎面復合配方技術，左右兩側使用不同的比例的膠料配比，強化了輪胎的支撐性能，甚至在頻繁高強度轉彎的情況下依舊能保證超長時間的耐久性。目前，該系列輪胎主要用于法拉利F12 Berlinetta車型和599 GTO跑車。

圖4 Pilot Super Sport系列輪胎

另外，人們對跑氣保用輪胎的關注越來越多，這也在一定程度上促進了芳綸纖維用量的增長。因為跑氣保用輪胎要解決的主要問題是泄氣后輪胎溫升過高、耐熱問題，而芳綸為胎體骨架材料的跑氣保用輪胎相比人造絲具有更好的強度、耐高溫性能。

近期歐盟對新生產的輕型轎車制定了CO2限排標準，從2012年起，汽車制造商和進口商在歐盟地區注冊的車輛如果CO2排放量不達標，將逐步被淘汰。在2010年6月11～12日召開的橡膠工業骨架材料中外技術論壇上專家表示，新法規將對未來汽車材料選擇帶來重大影響，低密度、高強度新型材料以及跑氣保用輪胎等新產品將更受青睞。

雖然芳綸輪胎有諸多優點，但是由于國內芳綸研究起步較晚，芳綸生產廠家少，且高端芳綸材料仍主要依靠進口，導致其價格居高不下，限制了其在國內廣泛的應用。另外，由于芳綸同鋼絲、尼龍的區別，采用現有的設備，在產品成型中還存在一些問題有待解決，如成型壓合時出現存氣，芳綸簾布不能自動卷曲和供料等。這些問題也成為了今后研究熱點和方向。

1.5 在電機、電路板絕緣材料上的應用

采用芳綸纖維制成的芳綸絕緣紙用于電機絕緣材料，有著其它絕緣材料不可比擬的優勢。在眾多的絕緣材料，絕緣性優于芳綸紙的雖然很多，但在高等級耐熱絕緣領域，芳綸紙有著不可替代的重要地位。如DMD絕緣材料（聚酯纖維無紡布與聚酯薄膜的復合物），F級（155℃）電氣絕緣已經是其耐熱極限。而F級絕緣只是間位芳綸紙的基礎應用，它更多用于H級（180℃）絕緣上。隨著我國汽車工業的發展，對車用電機產品要求也越來越高，特別是因為石油危機、環境問題，越來越多的汽車制造商開始尋求燃油以外的新能源汽車，純電動汽車、半電動汽車已經開始成為一種新的發展趨勢，這些都無疑增加了車用電機產品需求量，并希望其具有更加優越的耐熱、耐高溫、壽命長等性能，因此間位芳綸絕緣紙在車用電機絕緣材料中的應用便成了最佳的選擇。筆者所在公司——TMT生產的芳綸紙、紙板及異型件已經應用到高速列車牽引電機、變壓器等電氣設備關鍵部位，并得到客戶高度認可。目前，公司正在進行建廠擴產，其目標主要定位在高端芳綸絕緣紙及其芳綸制品，市場并不局限于軌道交通領域，同時有望在電動汽車、城市無軌列車中得到廣泛的應用。

圖5 芳綸絕緣紙在電機中的應用圖例

除此之外，電動汽車的發展勢必會增加電路板的消耗，同時對其性能要求也有所提高，芳綸纖維復合材料特種電路基板具有無可比擬的優越性。首先，在溫度變化時，芳綸纖維復合材料特種電路基板幾乎不產生熱變形。而普通玻璃鋼線路板經過多次高低溫沖擊必然引起開裂。研究表明芳綸復合材料電路板具有較低的介電損耗系數和介電常數，且芳綸復合材料電路板比相同玻璃鋼電路板輕20%。美國杜邦公司生產的芳綸復合材料電路板，其尺寸穩定性極佳，早在1982年就開始出售。日本帝人公司也將它的Technora纖維用作無引線陶瓷基片載體的增強材料，制成特種電路基板，它與其它基板相比，尺寸穩定性好，介電常數低，更小巧輕質。這些都有利于汽車電子產品小型化和輕量化。

1.6 在其它方面的應用

芳綸在汽車其它方面的應用主要集中在芳綸復合材料，因為其具有高強、輕質、耐磨、阻燃等一系列優異性能，在中高端汽車、大型汽車、特別是軍用汽車領域應用尤為廣泛。

1.6.1 用于車體骨架結構

芳綸蜂窩夾層結構復合材料是一種以芳綸紙經過涂膠、切紙、疊合、熱壓、拉伸、浸膠、片切等工序，然后將碳纖維面板、鋁板等材料貼合在芳綸蜂窩表面制作而成。其具有比鋁蜂窩更輕質和更好的力學、阻燃、隔音性能。其主要可替代鋼板用于汽車底板非承重部位和汽車座椅骨架，能有效減輕車體質量的3%以上。此外，意大利某公司用厚度12.5mm的 48kg/m3芳綸蜂窩為芯材，采用采用真空袋壓及熱壓罐成型工藝，制備了滿足不同部位彎曲程度、不同形狀的復合材料夾心結構。這意味著芳綸蜂窩夾層結構復合材料不僅僅只能用于制造平面結構或者只能在一個方向上彎曲的零部件，可以更好的應用到汽車發動機艙蓋板、車門、車頂等部位，為輕量化汽車的制造提供有力的保障[15]。

1.6.2 用于電機貯能飛輪

在電動機/發電機飛輪系統，采用芳綸復合材料制成的貯能飛輪，其性能表現突出。德國某公司在汽車上將車軸與飛輪裝置連接在一起，當車輛剎車或下坡運行時，汽車前進能轉化為驅動飛輪快速旋轉，可以很好的將剎車浪費的能量貯存起來，然后利用此能量還可以作為汽車行駛的動力，延長了電池使用壽命，同時可節省燃料達20%，減少了廢氣排出。

1.6.3 用于汽車防彈裝備

因對位芳綸具有本質阻燃和高效的防彈特性，隨著武器裝備整體性能的提升，芳綸復合材料在軍用防彈裝甲領域越來越廣，如坦克復合裝甲、警用防彈車、軍用裝載運輸車內飾板等均采用對位芳綸復合材料或者碳纖維/芳綸混雜復合材料制備而成[16]，提升其防彈性能，并且可以減輕車體重量，節省能源。美國ATL公司采用芳綸為基材織物生產出了一種可以折疊的高強度防彈軍用油箱，它的強度/質量比是鋼絲骨架的3倍以上，并且具有很好的耐燃性[17]。這種油箱質量的減輕意味著同樣條件下可裝載更多燃油，有數據表明，該油箱可比其它油箱多充 25%的燃油；同時加上其優越的防彈和阻燃性能，在很大程度上提升了軍隊作戰能力。

1.6.4 用于汽車軸承

芳綸纖維在車用無油自潤滑軸承中也有一定的應用，某些特殊車輛需要苛刻條件下工作，如處在粉塵環境中，或者空氣中含有腐蝕性氣體 CO，SO2，重型汽車等，這對車輛軸承潤滑帶來很多問題，傳統的油、脂潤滑極易發生磨損或者腐蝕損壞，維修周期短，此時無油自潤滑軸承就體現出它獨有的優勢。高性能芳綸長絲纖維是一種非常優越的無油自潤滑襯墊材料，廣泛應用于航空、汽車領域，它具承載能力高、壽命長、免維護及自潤滑的優點。我國自潤滑襯墊用的芳綸纖維均為美國杜邦公司進口，隨著我國重點裝備大量研發及其自潤滑關節軸承應用的大幅提高，發達國家對我國實行了更加嚴密的封鎖，自潤滑襯墊用芳綸長絲纖維已經成為制約我國重點型號研制和生產的瓶頸，受制于人的局面相當嚴峻，因此芳綸長絲纖維國產化是目前國內急需解決的難題。

2 展望

因為芳綸的各種優異性能，在各個領域中的應用越來越廣泛，也受到越來越多的研究者的關注。在汽車制造中，輪胎、膠管膠帶、制動片、內飾材料等很多部件均能見到芳綸的影子。而在我國，芳綸用于汽車制品仍然較少，占芳綸總用量的 10%不到。原因是國內對芳綸材料的研究較晚，并且由于早期研究力量分散，取得的成效不大，近些年才開始逐步走向規模化生產，但品種單一，芳綸材料各項性能較杜邦、帝人公司芳綸產品仍存在較大差距，在高品質芳綸產品應用中，國內幾乎全部依靠進口，導致其價格居高不下。因此國內應該繼續大力支持芳綸研究者們的工作，加大力度對不同種類高性能芳綸纖維的研究，爭取早日實現高性能芳綸國產化替代。

在汽車制品應用方面，芳綸纖維與橡膠的粘合問題以及產品成型問題是限制其應用的主要難題，這也將是今后研究的熱點方向。雖然目前芳綸材料仍主要見于高端汽車制品中，但隨著汽車輕量化趨勢、環保新規要求以及人們對汽車舒適性、安全性等的追求，芳綸材料在汽車領域中的應用將會越來越普及。

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