玄武巖復合材料在汽車上的應用研究

王帥，李飛，門立忠，崔健，李多

（華晨汽車工程研究能量管理室，遼寧 沈陽 110141）

工藝裝備

玄武巖復合材料在汽車上的應用研究

王帥，李飛，門立忠，崔健，李多

（華晨汽車工程研究能量管理室，遼寧 沈陽 110141）

玄武巖連續纖維材料是用火山噴發形成的玄武巖為原料加工而成的無機纖維材料，無廢氣、廢水、廢渣排放，是一種低投入、高產出、低耗能、少排放的環境友好型新材料。玄武巖纖維是玄武巖石料在1450℃到1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，本身具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高等優勢。

玄武巖纖維復合材料；托盤支架；以塑代鋼

Abstract:Research on the Application of Basalt Fiber Composite in Automobile Continuous basalt fiber composite (CBFC)is prepared by using inorganic basalt fiber as reinforcement, which is extracted from basalt formed by volcanic eruption.CBFC is a kind of new material, which is environment friendly, productive and with low cost and low emissions.Manufacturing process of CBFC does not let any exhaust gas, waste water and waste residue. Basalt fiber(BF) is . Basalt is melt when heated to 140 ~ 150 degree centigrade, and the continuous fiber will be drawn by using Platinum-rhodium alloy stripping plates. CBFC has advantages of high temperature resistance, high oxidation resistance, high radiation resistance,good thermal insulation, good sound insulation, good filterability, high compressive strength, high shear strength , etc.

Keywords: Continuous basalt fiber composite (CBFC); Bracket; Steel to plastic

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-125-03

前言

美國玄武巖纖維工業聯盟指出：“玄武巖纖維是碳纖維的低價替代品，具有一系列優異性能，尤為重要的是，由于它取自天然礦石而無任何添加劑，是目前為止惟一的無環境污染的不致癌的綠色健康的結晶（玻璃）質纖維產品。美國作為世界保護環境的倡導者，將全力發展無污染的綠色工業材料，所以玄武巖纖維在復合材料領域的應用已引起廣泛的重視并將快速發展。”歐洲業界人士親昵地把玄武巖纖維稱為“金色纖維”。玄武巖纖維已成功應用汽車消音器、防火墻、耐熱件，外墻建筑節能保溫和體育休閑用品等方面；在航天、導彈、汽車板簧、管材、阻燃織物等方面已取得實質性進展。

本文針對國內汽車企業的玄武巖纖維復合材料應用，重點分析玄武巖纖維在結構承重件上的應用。

1 玄武巖纖維復合材料性能優勢

玄武巖復合材料的特性主要表現在力學性能、熱物理性能、化學性能、可設計性和吸音系數較高等幾個方面。

a）顯著的耐高溫性能和熱震穩定性。CBF的使用溫度范圍為－260℃～880℃，這一溫度遠遠高于芳綸纖維（-49～474℃）、無堿E玻纖（-70～300℃）、石棉（480～550℃）、巖棉（-268～700℃）、不銹鋼（-196～538℃），接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維1260℃；熱震穩定性好，在500℃溫度下保持不變,在900℃時原始質量僅損失3%。

b）較低的熱傳導系數。CBF的熱傳導系數為 0.031W/m·K～0.038W/m·K，低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無堿玻纖、巖棉、硅纖維0.167、玄武巖纖維和不銹鋼。

c）高的彈性模量和抗拉強度。玄武巖纖維的彈性模量為：9100kg/mm2～11000kg/mm2，高于無堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維。CBF的抗拉強度為 3800～4800MPa，比大絲束玄武巖纖維、芳綸、PBI纖維、不銹鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高，與S玻璃纖維相當。

d）化學穩定性好。CBF的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外線照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可與天然玄武巖石頭相比美。

e）吸音系數較高。CBF的吸音系數為0.9～0.99，高于無堿玻纖（0.8～0.93）和硅纖維；優良的透波性和一定的吸波性，吸音和隔音性能優異，具有良好的隱身性能,可制做隱身材料。

f）良好的電絕緣性和介電性能。CBF的比體積電阻較高為 1×1012Ω·m，大大高于無堿玻纖和硅纖維；體積電阻率比電絕緣 E玻璃纖維高一個數量級,介電損失角正切高50%。

g）較低的吸濕性。CBF的吸濕性低于0.1%,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。

h）天然的硅酸鹽相溶性。與水泥﹑混凝土的分散性好，結合力強，熱脹冷縮系數一致，耐候性好。

i）生產過程零污染，完全環保。

j）價格適中（22元/kg），是進口碳纖維的十分之一。

2 某車型玄武巖纖維復合材料汽車應用研究

2.1 碳纖維復合材料原材料制作

圖1 玄武巖纖維復合材料

歐洲第一批大面積使用玻纖復材的汽車進入報廢期，因為使用的是傳統的熱固性復材，所以大量的不可降解廢棄物給當地環境帶來影響。并且，現有復材生產效率低，而熱塑性塑料具有非常好的成型工藝性，可快速成型且多次熔化加工。因此，開發可多次熔融的熱塑性復材在汽車領域的應用成為了未來汽車輕量化材料的發展方向。

2.2 碳纖維復合材料電池托盤方案設計

電池托盤方案以 PP為樹脂基體，應用玄武巖纖維母粒與PP基材熔融的方式進行注塑，玄武巖纖維比例30%，經過加熱冷卻即可成型，不發生化學反應，成型效率極高，可以成型復雜結構。

圖2 玄武巖纖維復合電池托盤結構設計

2.2 碳纖維復合材料電池托盤性能要求和仿真優化

a）模態

b）剛度

c）強度

d）耐候性

表1 玄武巖纖維性能對比

根據設計要求，設計碳纖維復合材料電池托盤以替代金屬托盤，滿足空間安裝要求，設計數據。材料選擇 PP填充長玄武巖纖維提高托盤剛度強度和耐高溫性能，以注塑工藝成型，局部加筋。

圖3 玄武巖纖維復合電池托盤仿真優化

完成數據設計后對電池托盤進行劃分網格和結構優化仿真計算，利用仿真軟件對托盤模態、剛度、強度進行仿真分析，優化結構。 后期經過樣件測試對比，托盤剛度和強度性能高于相同比例長玻纖樣件10-20%。

3 玄武巖纖維復合材料托盤優勢

碳纖維復合材料，以玄武巖纖維作為增強體，采用 PP熱塑性材料作為基體，可以設計符合汽車要求的復合材料，該材料不僅機械性能優良，而且隔熱性能與吸音性能也很優異，符合當前汽車用內飾材料的發展趨勢，原材料價格介于玻纖和碳纖維之間，以塑代鋼前景廣闊。

4 結論

綜上所述，由于玄武巖纖維具有良好的耐高溫性能和熱震穩定性、較低的熱傳導系數、高的彈性模量和抗拉強度、化學穩定性好、吸音系數較高、良好的電絕緣性和介電性能、較低的吸濕性、天然的硅酸鹽相溶性、生產過程零污染，完全環保等優勢，所以玄武巖纖維的應用是目前汽車行業輕量化的重點研究方向之一。充分利用玄武巖纖維的優勢開發新型的汽車材料，既順應了世界發展綠色新材料的要求，又能大大提高汽車的使用價值，為汽車行業創造更高的效益。

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[3] 吳劍青,鐘智麗.玄武巖纖維在汽車行業上的應用前景.產業用紡織品, 1004- 7093( 2012) 04-0026-03.

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Research on China VI evaporative emission of pollutants

Wang Shuai, Li Fei, Men Lizhong, Cui Jian, Li Duo
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

U465 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-125-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.042

王帥，就職于華晨汽車工程研究能量管理室。