纖維增強復合材料跟隨新能源汽車的同步發展研究

王華龍

（安康職業技術學院工程學院，陜西 安康 725000）

纖維增強復合材料被定義為由某些增強后的纖維材料與基體材料經過一系列的加工工藝處理得到的復合材料，根據使用纖維種類的不同，將纖維增強復合材料分為三類，分別是玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料[1-3]。相比傳統的材料而言，纖維復合材料都具有極大的優勢：材料性能的定向設計、熱膨脹系數小。同時由于纖維增強復合材料的結構，注定它具有高的比強度和比模量，同時抗腐蝕性能優異[4]。由于纖維增強復合材料的種種優點，人們將其運用在各種現代化工業中，承擔著在嚴苛工作環境下輕質高強的結構材料的功能，廣泛應用在建筑、橋梁、海洋和油井等領域中。

近年來，隨著我國經濟的高速發展，汽車已經是我國人民生活中不可或缺的一環，給我們帶來更為便捷的生活方式，但汽車內燃機使用的燃料均為不可再生能源，隨著世界經濟的快速發展，能源環境問題已經成為人類發展和生存的重大問題，而在世界各地的大氣污染物的60%以上都來源于汽車尾氣的排放，基于這些原因，新能源汽車開始走進世界的視野中[5]。而新能源汽車的電池系統會凈增加車體的重量，車體的重量一定程度上關系到節能減排問題和汽車本身的加速和制動性性能，所以汽車輕量化技術是新能源汽車的必由之路。纖維增強復合材料的發展無疑對汽車輕量化的發展有著很大的助力。

1 玻璃纖維增強復合材料

現階段在汽車領域應用的玻璃纖維復合材料大多包括：玻璃纖維增強熱塑性材料、玻璃纖維氈增強熱塑性材料和樹脂傳遞模塑材料[6]。

1.1 玻璃纖維增強塑性材料

使用塑料材料代替某些金屬材料的使用已經成為現在汽車領域研究的熱門，然而塑料的各項力學性能相比而言還是有很大的不足，為了對塑料材料的各項性能進行優化，將玻璃纖維當作增強材料成為了研究的熱門方向，稱為玻璃纖維增強塑料[7]。玻璃纖維的加入大幅增強了塑料的機械性能，使得玻璃纖維增強熱塑性材料開始成為工程材料應用。

目前汽車領域中使用的玻纖增強塑料主要是玻璃纖維增強處理后的復合PP、PA66、PA6和PBT等材料。增強PP材料主要應用于汽車的發動機、冷卻風扇葉片等物品上，但由于這些制品對外形工藝要求比較高，增強PP材料制品容易發生翹曲等現象，因此，研究人員開始使用滑石粉填充PP等代替。增強PA材料一般用于制作轎車或載貨車上的保險楔塊、油門踏板和嵌裝螺母等小的功能件中。但值得注意的是，當生產工藝不符合標準時容易發生局部斷裂的現象，造成零件的失效。而塑料進氣歧管作為增強復合材料的新工藝產品，與原始的鋁合金制品相比，具有強度高質量輕，表面光滑和減震、隔熱等優點，受到全世界汽車廠商的喜愛，但塑料進氣歧管的制作原料大部分是玻璃纖維增強PA66或PA6，其生產工藝較為復雜，國內的廠商還不能開發出質量相對較優的工藝。

1.2 玻璃纖維氈增強熱塑性塑料

玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料是以玻璃纖維氈為增強骨架，以熱塑性樹脂為基體加工制成的復合材料，由于其節能且輕質的特點，在全世界的汽車領域中有著極為出色的表現[8]。隨著新能源汽車對輕量化的重視以及環境友好化的要求，國內外汽車工業對結構部件材料的選擇開始傾向于使用GMT材料，GMT材料制作的產品韌性高、加工成本較低、生產工藝成型快、效率高，現在廣泛適用于生產支架、儀表板托架等。

1.3 片狀模塑料

片狀模塑料作為性能優異、生產規模高和表面等級高的增強熱固性塑料，作為替代金屬車身板被大量應用，隨著技術的發展，低密度SMC材料開始出現在人們的視線中，相比標準SMC材料的相對密度1.9而言，低密度SMC的相對密度低至1.3，在其實際應用的測試中發現，低密度SMC材料制成的零部件要比標準SMC材料輕30%左右，比金屬制品要輕45%以上。

2 碳纖維增強復合材料

碳纖維一般指碳含量高達95%及以上的，具有高強度和高模量的纖維狀石墨微晶材料，由于碳纖維的理化性質，在工程上表現出耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變性能高等特點，且密度小質量輕，但有著出色的剛度，同時膨脹系數也穩定處于低值，在服役環境嚴苛的工業領域有著很強的競爭優勢[9]。近年來，隨著技術的發展，碳纖維的制備方法得到長足的進步，碳纖維材料開始從航空航天、交通運輸等高精尖領域下沉至生活日用中，如體育休閑、汽車制造等領域。然而碳纖維的本質形狀是纖維體，很多情況下無法被直接使用，研究人員將柔軟的纖維材料加工成各種織物，再與樹脂、陶瓷或金屬材料相結合，得到定向性能的復合材料，極大地豐富了碳纖維應用領域的擴展。通常來說，碳纖維復合材料都是以碳纖維作為增強體。

2.1 碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）

樹脂基通常分為熱塑型和熱固型兩大類，在樹脂基材料的開始階段，熱固性的樹脂發展較快，但在近年來，熱塑性的樹脂基材料的發展反而超過了熱固性樹脂基材料[10]。其原因在于，熱塑性復合材料不僅僅擁有出色的力學和物理性能，還具備著短的生產周期的優勢，同時熱塑的性質也決定著其可以循環重復利用。CFRP普遍具有高硬度、高耐磨和抗沖擊緩震的特點，基于這些優點，福特公司于2007年對CFRP在汽車領域應用進行了可行性分析，研究發現，隨著技術的創新，CFRP的加工周期開始縮短，且生產成本降低了60%，生產工藝也使得CFRP的加工成本也減少了30%左右，CFRP所具有的力學性能也完全符合在汽車領域的標準。

2.2 碳纖維增強陶瓷基復合材料

碳纖維增強陶瓷基復合材料是通過對多種化學物質進行多線程的加工，經過多次化學反應后得到的新型化學合成材料，由于有著陶瓷相的參與，使得碳纖維增強陶瓷基復合材料具有類似陶瓷的耐高溫、耐腐蝕的特點，同時具有高硬度、高強度、高韌性和高的耐磨性，在汽車的剎車片和離合器等零件有著大量的應用[11]。同時，結構陶瓷材料有著不輸金屬材料的力學性能的同時，也遠比金屬材料產品更為節能環保。然而，現在對陶瓷的加工工藝并不成熟，容易出現過燒等問題，導致制成的復合材料出現脆斷現象，因此制造成本較高，相比其他纖維復合材料而言應用并不是很廣泛。

2.3 碳纖維增強金屬基復合材料

輕質高強一直以來是汽車行業結構材料研究者所追求的終極目標，碳纖維增強金屬基復合材料不僅具有其他纖維增強復合材料所擁有的強度高、比模量高等優異性能的同時，還可以大幅度降低金屬的膨脹度，所以近年來在新能源汽車制造行業大量應用，特別是汽車的零部件的制造中[12]。金屬基復合材料制造的零部件強度較高，在兼具金屬材料的高強度高韌性的性能需求下，可以減輕零件的重量，節能環保。1970年就有汽車公司嘗試使用碳纖維復合材料來代替金屬零部件，整體減重約30%，油耗降低50%。

在碳纖維增強金屬基復合材料中，碳纖維增強鎂基復合材料的功能性無疑是其中的佼佼者，且由于鎂基合金本身的輕量化在航天和運輸產業中大量應用。且Cf/Mg復合材料的可設計性較強，對碳纖維增強鎂基材料進行正確的加工和設計，可以實現其輕質高強特點的同時，兼具如電、磁、熱、耐磨、減震等優勢，為汽車新功能化提供新的思路[13]。但由于鎂合金的活性較高，在空氣中就極易被腐蝕，使得復合材料的制作成本大大升高，為此研究者們對發展低成本的Cf/Mg抱以很大的期望。現在研究者們通過擴散粘結、擠壓鑄造和粉末冶金等工藝制造出的碳纖維增強鎂基復合材料已經擁有了較高的穩定性和更高的力學性能，為其在汽車工業領域中的應用做出了卓越的貢獻。

3 芳綸纖維增強復合材料

芳綸是芳香族聚酰胺纖維的簡稱，芳綸具有優異的力學性能，其拉伸強度高、密度較低、斷裂延伸率大，這些特點使得芳綸材料具有吸能耐磨、抗沖擊抗疲勞的特征，且由于它出色的熱穩定性，芳綸材料不易收縮和燃燒，拉伸模量高。相對而言，纖維增強復合材料的密度小、質量輕，且獨特的纖維結構使得材料在受到沖擊時，會通過自身纖維的變形和斷裂吸收能量，吸能的效果比金屬塑性變形的吸能形式要優越兩倍以上，故而現在主要應用于汽車的緩沖器、安全帶和安全氣囊中。但目前芳綸纖維增強復合材料并未在車輛能量吸收部件得到廣泛的應用，很大程度上是其成本過于高昂的原因[14]。

4 總結

碳纖維增強復合材料在各種程度上具有了較為優異的力學性能，在滿足新能源汽車零部件強度要求的同時，大幅度減輕了車身的重量。在新能源汽車的輕量化過程中有著很大的優勢，它的強度、密度和比模量等綜合性優勢是其他材料無法企及的。故而，隨著碳纖維增強復合材料工藝的開發和研究的深入，碳纖維增強復合材料制品成本會進一步降低，功能性也愈發強大，會更多地應用在汽車領域中，成為新能源汽車制造業中不可缺的組成部分。