高分子復合材料在汽車輕量化方面的研究

李蕓蕓

摘 要：汽車行業是我國經濟發展的重要基礎，能夠滿足群眾的出行需求。通過調查發現，汽車在行駛中會排放大量尾氣，造成嚴重的資源消耗，導致環境污染及能源消耗問題不斷加劇。為解決上述問題，必須加強對汽車輕量化的研究。為提高研究效果，減少汽車的能源消耗及對環境產生的影響，文章通過分析文獻資料，研究了高分子復合材料在汽車輕量化中的應用，以期為汽車行業可持續發展提供參考。

關鍵詞：高分子復合材料;汽車輕量化;研究

中圖分類號：TB3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.045

在環境污染及能源消耗問題不斷加劇的背景下，由于汽車輕量化技術能夠減少汽車的能源消耗及尾氣排放量，逐漸受到了社會的關注。當前，我國采用的輕量化技術效果相對欠佳，且在短時間內無法取得突破。為保護生態環境，實現節能減排目標，應對高分子復合材料形成正確認知，充分掌握其核心內容，促進輕量化技術的發展，對汽車工業實現健康發展具有重要意義。

1 高分子復合材料

1.1 性能及特征

高分子復合材料是一種以有機聚合物為基礎，由相應的纖維與樹脂組合而成，且在當前制造技術中應用較多的復合材料。相比傳統材料，高分子復合材料具有良好的強度及可設計性，且具備較強的耐化學腐蝕性能、減振性能及抗疲勞斷裂性能等。目前，已被廣泛應用于化工、汽車工業及航空航天等多個領域，具有良好的發展前景及應用價值。

1.2 汽車高分子復合材料制造工藝

應用在汽車領域的高分子復合材料，可根據不同性質劃分為熱塑性樹脂基復合材料及熱固性樹脂基復合材料。熱固性樹脂基復合材料的成型方法呈現多樣化，主要包括片狀模塑料模壓成型、纏繞成型、樹脂傳遞模塑成型、噴射成型、拉擠成型及沖壓成型等[1]。

片狀模塑料模壓成型方法相比其他成型法，在汽車零部件制造作業中具有更高的應用率。通過將片狀模塑料模壓成型方法與鋼制汽車零件比較，可發現該種成型法涉及的材料質量相對較輕，對模具的要求相對較小，且制件具備良好的整體性，對降低生產成本費用具有重要作用。通過片狀模塑料模壓成型法生產的汽車零部件數量相對較多，主要有后備門、擾流板及保險杠等。

通過樹脂傳遞模塑成型法生產的汽車零部件主要包括車頂、承載式車身、底板及橫梁等。歐洲某企業通過樹脂傳遞模塑成型法，成功研發出碳纖維復合材料底板。該種地板零件數量相對較少，質量約是金屬的50%，對提高原車身整體性能具有重要作用。

熱塑性樹脂基復合材料成型法主要包括擠拉成型、吹塑成型、玻纖氈增強熱塑性材料模壓成型及長纖維增強熱塑性材料模壓成型等。長纖維增強熱塑性材料模壓成型法，已被廣泛應用在汽車儀表盤骨架、備胎倉及防撞梁等多構件的生產作業中，并成功取得良好的應用效果。例如，德國某企業通過該種模壓成型工藝制作汽車前端模塊，發現其質量相比金屬制造質量明顯較低，約為60%左右。由此可見，該種成型法具有良好的輕量化效果。

玻纖氈增強熱塑性材料模壓成型法，在通常情況下多被應用于汽車保險杠、備用車輪、座椅殼體及汽車防護裝置等方面的生產作業中，且具有良好的應用效果。如韓國某企業通過該項成型法生產的保險杠，相比傳統保險杠具有更輕的質量，且由于材料本身具備可回收、再加工特征，該種保險杠可回收利用，提高資源利用效率、保護生態環境具有重要意義。

2 高分子復合材料在汽車輕量化中的應用

隨著能源危機的出現，汽車產業的轉型已經成為發展的必然趨勢，輕量化的發展方式已經成為當前汽車產業首要解決的重要難點。其中，高分子復合材料的合理應用，對汽車輕量化的發展過程起到了重要促進作用。

2.1 在汽車種類上的應用

2.1.1 純電動汽車

從現實角度出發，可發現純電動汽車的動力源是可充電電池，該電池在汽車整體質量中占比25%左右[2]。在增加電池數量的情況下，汽車行駛時間將明顯提高，但由于電池質量相對較大，汽車質量也將增加。在此基礎上，純電動汽車的能量利用效率將明顯降低。因此，為提高汽車續航能力，必須要對汽車本身的重量給予重視，并采取相應措施，盡可能降低車重。車身材料輕量化是降低汽車本身重量的重要手段。此前，工作人員應用車身材料輕量化技術時，多會采用金屬材料，以此在一定程度上降低汽車的重量。但由于純電動汽車的輕量化要求相對較高，傳統輕量化材料已無法滿足純電動汽車的基本需求。因此，必須對新型高分子復合材料給予重視。例如，可選擇采用碳纖維復合材料，實現純電動汽車輕量化。通過文獻資料可以發現，某企業通過碳纖維材料設計汽車車身，成功降低了汽車整體質量，實際降低程度約為300 kg。在此基礎上，車身重量將明顯降低，駕駛人員的生命安全也將得到保障。

電池外殼輕量化是純電動汽車輕量化的另一方向[3]。通過利用相應的高分子復合材料，部件的整體質量明顯降低，電池阻燃性能及耐腐性能也明顯加強，可提升汽車的續航里程。與傳統電池外殼相比，此類電池外殼的整體性能更強。例如，美國某企業利用碳纖維增強塑料制作復合電池外殼，發現其質量比鋁材料低。此外，以該材料為基礎制作的電池外殼，還具有良好的耐腐蝕性能及防水性能。由此可見，將高分子復合材料應用到純電動汽車電池外殼輕量化中，具有較強的現實意義。

2.1.2 氫燃料電池汽車

隨著世界各國環保意識的提升，氫燃料已經成為人們重點應用的燃燒材料。氫燃料在燃燒過程不會釋放一氧化碳等氣體，對于環境起著重要保障作用。

現階段，為減少車輛日常廢氣排放，我國逐漸研發出了氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車的車載儲氫系統輕量化是氫燃料電池汽車輕量化發展的重要方向。

常溫高壓儲氫氣瓶的研究是促進輕量化技術健康發展的重要基礎。2020年，科研人員已研發出符合規范要求的70 MPa Ⅲ型儲氫氣瓶，并已實現批量生產。據相關學者預測，2025年將成功研制出儲氫壓力達到70 MPa的Ⅳ型瓶，與上一代儲氫氣瓶相比，具有更好的體積儲氫密度與質量儲氫密度，且具備成本費用較低、熱導率較低及高強度等多項特征。例如，某企業通過科學利用高密度聚乙烯及碳纖維，成功研發出新型儲氣瓶。此類儲氣瓶儲存的液態氫明顯較高，且儲氣量超過傳統儲氣瓶約30%，對提高汽車的續航能力具有重要作用。

2.1.3 混動汽車

社會經濟不斷發展，進一步提升了人們的生活水平。隨著人們出行需求的不斷提高，人們對汽車行業的要求也越來越高，尤其注重汽車品質。汽車地板在車身部件中具有重要地位，對車身性能起著決定性作用[4]。

在新能源汽車持續發展的背景下，底板總布置及車身結構已經發生改變。在開展混動汽車車身設計工作時，必須綜合考量電池包布置空間。行李艙空間相對較小，如果選擇以行李艙空間為基礎布置電池包結構，極有可能會對汽車整體載荷分配產生影響。因此，應盡可能將其布置在地板下方。

開展混動汽車地板設計工作時，應確保強度與剛度符合標準，綜合考量地板隔熱性能及吸聲性能等，確保與規范要求相匹配。通過調查可以發現，增強熱塑性塑料材料在汽車地板制作中具有良好的應用效果。

據文獻資料顯示，某公司成功研發出了新型汽車地板。該種地板結構是三明治式多層復合材料，主體材料是玻璃纖維增強聚丙烯塑料，外部通過鋁薄片包裹。相比傳統地板模塊，三明治式多層復合材料的質量明顯較低，具有良好的隔熱及隔聲性能，且被應用在不同的車身結構中，對車身減重目標的實現具有重要意義。此外，由于三明治式多層復合材料結構具有一定的特殊性，能夠在汽車發生碰撞時將相應能量均勻分布到不同構件中，提高地板的碰撞吸能水平，為駕駛人員的安全提供保障。

2.1.4 太陽能汽車

隨著科學技術的不斷發展，我國對于太陽能技術的應用，也取得了巨大的研發空間。其中，最為普遍的就是太陽能熱水器的應用，可以節省能源消耗，為人們的生活帶來便利。現階段，相關技術人員已經研發出太陽能汽車，進一步方便了人們的出行。

太陽能汽車在現代具有較高的應用率，是一種以太陽能為驅動的新能源汽車，由于太陽能汽車與光能轉換具有密切聯系，且受到光能轉換的直接影響，為延長太陽能汽車的行駛時間，必須要對其采取相應措施，促使太陽能汽車實現輕量化。為實現上述目標，要科學利用高分子復合材料。

根據文獻資料記載，某大學與某協會合作開發了一款太陽能汽車[5]。在設計過程中選擇對懸架桿端關節軸承采取輕量化設計措施，并利用超高相對分子質量聚乙烯材料替代傳統鋁材，在滿足部件原有基礎力學性能相關要求的基礎上減輕了車身重量，延長了太陽能汽車的行駛時間，并為駕駛員的正常出行提供了保障。

2.2 在汽車部件上的應用

2.2.1 裝飾部件

在汽車內飾件中采用高分子復合材料，能夠滿足低光澤、防劃傷、耐沖擊的要求。儀表盤要求耐高溫、高強度、防刮傷，隔板側重于輕便和低光澤，座位則要求緩沖能力強，需要堅固的內飾以增加座椅的舒適度。與內部相比，外部主要用于生產保險杠、散熱器格柵和擋泥板。保險杠由塑料代替鋼，由柔性材料制成，變形大，在車輛發生碰撞時變形較大，起到了能量緩沖和車身保護的作用。汽車的內部和外部對汽車的整體功能影響不大，明亮、閃亮和平滑的曲線是這種材料的首選屬性。

另外，汽車內外飾塑料的消耗量相對較高，占整車塑料總量的半數左右。傳統的室內外裝飾以金屬和纖維制品為主，無法減輕重量，在外觀和風格上也有所欠缺。環保節能減排意識日益增強，高分子材料以其質輕、強度高、耐腐蝕、表面光滑、成本低等特點，受到人們的青睞。

2.2.2 引擎部件

汽車發動機動力強勁，不過具有高溫、大扭矩特點。在引擎元件塑料化方面，國外的汽車產業已在氣門套和進氣總管制造上獲得了新的發展。而新型玻璃纖維增強尼龍六和六十六，以及熱固性乙烯基酯化合物因其重量輕、易加工和成本低的特點，已逐步替代傳統的金屬閥門襯套。因此，杜邦在技術公報中宣稱，將塑料發動機蓋的質量減輕了65%，與油氣分離裝置一體成形，減少了油耗，并改善了發動機性能。將曲軸箱的通風閥門用螺釘緊固于發動機罩外部，閥門還可以通過低振動焊接技術實現絕緣，從而提高車輛的啟動性能。

2.2.3 結構材料

汽車輕量化技術除了應用于內外裝飾件，還逐步向車身覆蓋件和結構件方面發展。汽車結構件應用前景廣闊，并兼具環保功能，是未來發展的主要方向。如英國Thompson的汽車分公司，將Cannon的Interwet技術與玻璃纖維增強聚氨酯相結合，能夠使結構材料輕量化。在生產過程中，將塑料板插入模板中，然后注入一層玻璃纖維和聚氨酯纖維材料的切割聚氨酯混合物，在此過程中生產的零件的耐磨性、抗噪性和抗震性也得到了提高。得益于技術創新，該工藝用于生產發動機側部件、氣門座、進氣管以及座椅和儀表板等內部部件。該工藝結合了硬質聚氨酯結構、高柔韌性、良好的沖擊強度、隔熱、耐磨、耐溶劑和油脂等優點，以及抗紫外線、表面光滑、耐劃傷、易染色和耐化學性等優點。通過改性工藝獲得的各種高性能材料，如合金、化合物和復合材料，可以滿足汽車行業對塑料結構件及材料的要求。

3 發展趨勢展望

高分子復合材料的高效利用，是目前車輛輕質化技術的主要途徑。從實際使用角度考慮，高強度復合材料也是車輛輕質化結構的理想材質，能夠更好地提高車輛的實用性與可操作性。汽車的輕量化發展趨勢，也對應著汽車輕量化材料的不斷發展。傳統的汽車車身大部分由鋼鐵構成，大約占整機重的40%。雖然已經將部分零件改為鎂鋁合金或者碳纖維材質等高強度復合材料，但由于近年來電動汽車的高速發展，車輛中動力及電池系統的比重也將顯著提高。

在今后的實際應用過程中，對高分子復合材料的發展還存在著如下挑戰：在環境保護領域，政府必須促進復合材料回收再使用技術的研發，以進一步提高復合材料的再使用率，降低了對環境的負面影響，實現材料資源的可持續發展。在機械性能方面，要改善復合材料性能不足的問題，推廣到多尺度增強復合材料，使復合材料在車輛上的使用更加多樣化。

4 結語

綜上所述，傳統汽車在運行過程中將排放大量尾氣、消耗大量能源，致使生態環境受到嚴重影響。因此，為促進生態環境及汽車工業的健康發展，必須正確認識輕量化技術，明確其對實現節能減排目標的重要作用，全面加強對輕量化技術的研究力度。并且，要結合相關標準將高分子復合材料應用到汽車輕量化領域，降低汽車重量，減少能源消耗，推動汽車工業實現可持續發展。

參考文獻

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[3] 馬殿普，李俊，袁英杰，等.汽車零部件用阻燃高分子材料的應用研究進展[J].云南化工，2021，48（9）：1-7.

[4] 趙雨.汽車輕量化材料及制造工藝分析[J].內燃機與配件，2021，27（16）：44-45.

[5] 湯佳銘，俞亮.高分子復合材料在汽車輕量化方面的研究進展[J].現代塑料加工應用，2021，33（2）：58-60.