熱塑性復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)

蔡偉達，周 松，付延濤，陸 禺

（1.無錫瑞來新材料科技有限公司，江蘇 無錫 214000； 2.西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 太倉 215400）

在技術(shù)持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，我國的汽車產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。總結(jié)現(xiàn)階段我國汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，其面臨的主要問題為能源安全與節(jié)能減排。現(xiàn)如今，國家出臺了一系列的政策與法規(guī)，目的是要對汽車的能耗以及排放指標(biāo)等進行限制，而要真正地解決汽車能耗問題，還是要從汽車輕量化入手。碳纖維復(fù)合材料的機械性能十分優(yōu)異，且其抗疲勞性能要明顯地優(yōu)于金屬的密度條件，所以在汽車輕量化實踐中碳纖維材料應(yīng)該作為首選[1]。

對目前的市場進行總結(jié)，90%以上的汽車在使用碳纖維復(fù)合材料的時候利用的是熱固性樹脂體系，這類材料在后續(xù)回收利用等方面存在著問題，而熱塑性碳纖維復(fù)合材料則可以很好地解決這一問題。連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料的機械性能更加的突出，且目前已經(jīng)實現(xiàn)了成型。不過受到工藝特性的限制，一些特殊結(jié)構(gòu)的成型要求還沒辦法滿足。在現(xiàn)階段的該問題解決中，主要采用的是注塑成型的方式，但是這種方式成型的制品機械性能并不理想。模壓工藝和注塑工藝有各自的優(yōu)勢，如果將其進行結(jié)合，并以連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料作為骨架，然后通過注塑成型的方式來進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型，這樣，熱塑性復(fù)合材料在汽車車身構(gòu)件中的利用會更加的顯著。

1 熱塑性復(fù)合材料

要在汽車車身構(gòu)件設(shè)計開發(fā)的過程中充分利用熱塑性復(fù)合材料，首先需要對熱塑性復(fù)合材料有全面的認(rèn)知和了解。就定義而言，所謂的熱塑性復(fù)合材料指的是以熱塑性樹脂作為基體，以各種纖維為增強材料而制成的復(fù)合材料。對熱塑性復(fù)合材料的類別劃分進行分析，按照樹脂基體和復(fù)合之后的性能，熱塑性復(fù)合材料主要分為兩大類：（1）高性能復(fù)合材料，其以優(yōu)良纖維增強高性能熱塑性樹脂，比如碳纖維、芳綸纖維、聚苯硫醚等均屬于高性能復(fù)合材料，這類材料的比強度和比模量較高，能夠在200℃以上長期使用[2]。（2）通用型復(fù)合材料，其指的是以玻纖及制品增強一般通用的熱塑性樹脂，比如目前廣泛使用的PP、PE、PVC 等均屬于這一類材料。

在實踐中要強調(diào)熱塑性復(fù)合材料的有效利用，還需要對熱塑性復(fù)合材料的特性進行了解。就目前的實踐研究來看，熱塑性復(fù)合材料具有6 大特性：（1）其密度小，強度高，機械性能更加優(yōu)越。（2）具備性能可設(shè)計性。和熱固性復(fù)合材料進行比較，熱塑性樹脂的種類更多，能夠選擇的區(qū)間更大，所以其具有更好的設(shè)計性。另外，熱塑性復(fù)合材料的物理、化學(xué)性能可以基于具體的要求通過合理的材料選擇和工藝?yán)脕韺崿F(xiàn)。（3）耐熱性好。熱塑性復(fù)合材料的耐熱性一般維持在100℃左右，不過在用玻纖增強后熱塑性材料的使用溫度會極大地提升。現(xiàn)如今在實踐中利用的高性能熱塑性復(fù)合材料，其耐熱能夠達到250℃以上[3]。（4）耐化學(xué)腐蝕性。復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性和基體材料的特性是有密切關(guān)系的，耐腐蝕性比較好的熱塑性樹脂種類是比較多的，所以在實踐中可以選擇耐腐蝕性比較好的熱塑性樹脂作為基體材料，這樣，熱塑性復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性會顯著提升。（5）電性能。復(fù)合材料的電性能與樹脂基體、增強材料的性能有關(guān)，所以在實踐中可以基于使用要求來進行性能設(shè)計。（6）加工性能。熱塑性復(fù)合材料的工藝性能要明顯地優(yōu)于熱固性復(fù)合材料，而且其能夠?qū)崿F(xiàn)多次成型，還可以實現(xiàn)廢料的回收利用。

2 熱塑性復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)

從上文分析的結(jié)果來看，熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢是十分突出的，其在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)勢必會解決汽車輕量化問題，所以積極討論熱塑性復(fù)合材料的具體應(yīng)用與開發(fā)，這對于實踐問題的解決有積極的指導(dǎo)意義，以下是結(jié)合實踐對熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用開發(fā)總結(jié)。

2.1 模壓-注塑座椅橫梁的選材設(shè)計

以某中型汽車為例進行分析，其車座的橫梁主要由三部分構(gòu)成，分別是前座椅前橫梁、前座椅后橫梁以及后座椅橫梁。就前座椅后橫梁為例進行分析，其主要構(gòu)成為3 部分，具體為橫梁本體、左側(cè)加強件以及后側(cè)的加強件。該零件的結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)，即3個獨立的鈑金件被焊接在了一起，同時利用螺接的方式實現(xiàn)與座椅的連接，其是比較典型的車身梁類結(jié)構(gòu)，其總質(zhì)量為1.85kg。

對模壓-注塑混合結(jié)構(gòu)進行分析，其為了讓模壓層和注塑層之間的界面性能得到保證，在模壓區(qū)域和住宿區(qū)域需要選用相同的樹脂體系。對常用的一些熱塑性樹脂進行分析，部分材料的流行性是比較差的，其無法滿足注塑成型過程中充模的具體要求，而且材料成本偏高，所以不再考慮范圍[4]。對流動性能比較好的材料進行對比分析，PA6 所具有的性價比最高，而且在性能等各個方面均能夠滿足汽車零部件的實際需要，所以PA6 可以作為首選的樹脂材料。

在增強纖維的選擇方面，主要常用的有玻璃纖維與碳纖維。從成本角度進行考慮，玻璃纖維的價格比較低，不過其拉伸模量也比較低。相比于玻璃纖維，碳纖維的強度以及模量都非常高，不過其價格太高，所以其目前還不符合汽車成本控制的要求。對不同纖維增強復(fù)合材料的性能進行對比，玻纖增強PV6 的拉伸強度要遠遠高于原來的鈑金件，但是其拉伸模量卻不足鋼材的三分之一。基于等剛度設(shè)計條件，將零部件的厚度增加至原來鈑金厚度的3 倍以上，這雖然能夠解決拉伸模量的問題，但是卻無法滿足輕量化需要。這個時候考慮碳纖維，一切問題可以迎刃而解[5]。需要注意的是，碳纖維的成本過高，所以也不是最優(yōu)方案，可以考慮通過結(jié)構(gòu)筋的形式進行零部件的性能提升，基于此，較大程度地替換連續(xù)纖維增強PV6 材料，可以達到減重降本的目標(biāo)。基于具體的目標(biāo)，在剛度條件滿足的情況下將零部件的主材料選擇為PV6，并混合部分碳纖維增強PV6 材料，這樣可以使零部件的整體剛度獲得提升。在材料確定之后利用玻纖-PV6 注塑筋做局部的剛度補充，這樣可以將模壓-注塑座椅橫梁的選材方案進行確定。

2.2 模壓-注塑座椅橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對模壓-注塑座椅橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析，其主要包括了集成設(shè)計、變厚度設(shè)計和連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，以下是具體的內(nèi)容。

首先是集成設(shè)計。對原始的座椅橫梁鈑金件進行分析可知其主要為橫梁主體、左側(cè)加強件和右側(cè)加強件，同時還包括了2 個焊接螺母以及1 個焊接加強版。對各個部件之間的連接方式進行分析，其為焊接。當(dāng)改變?yōu)槟?注塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之后，原來需要單獨制作的6 個零部件會變被簡化為1 個零部件。在進行注塑的時候，螺母可以預(yù)埋在零部件上[6]。分析集成設(shè)計，橫梁上部為模壓結(jié)構(gòu)，其主要的作用和荷載，同時與周圍的零部件做連接。橫梁的下部為注塑結(jié)構(gòu)，其是對零部件剛度的一種補強。

其次是變厚度設(shè)計。對復(fù)合材料座椅橫梁做變厚度設(shè)計，主要的做法是將在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用之后增加鋪層的厚度，實現(xiàn)性能要求的滿足。在橫梁的中間區(qū)域，主要構(gòu)成是橫梁本體，其為單層鋼板結(jié)構(gòu)，剛度比較低，所以可以減少鋪層的厚度，這樣能夠達到材料質(zhì)量降低與成本控制的目的[7]。通過變厚度設(shè)計對復(fù)合材料橫梁的總體質(zhì)量進行劑量，其只有1.23kg，和原來的鈑金件相比，減重達到了30%以上。

最后是連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在替換為復(fù)合材料之后，座椅橫梁無法和地板以及周邊的零部件做焊接，所以采用膠粘的方式。對膠粘這種連接方式進行分析，其不僅在滿足零部件結(jié)構(gòu)連接性能方面有比較好的效果，在復(fù)合材料與鋼材的界面隔離方面也有不錯的作用，其能夠有效地降低CFRP 和鋼材接觸部分發(fā)生電化學(xué)腐蝕風(fēng)險[8]。另外，膠層還能夠發(fā)揮協(xié)同作用，這對于車體內(nèi)部的噪聲降低等有積極意義。

3 熱塑性復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)效果

熱塑性復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)具體獲得了哪些效果，還需要通過試驗分析進行比較。就目前的部分試驗結(jié)果來看，其效果主要體現(xiàn)在如下方面。

3.1 汽車開發(fā)的成本控制問題

在汽車研發(fā)的過程中，成本高居不下一直困擾著汽車企業(yè)。對汽車研發(fā)進行分析，在整個過程中，材料的選擇和利用對成本控制有重要的影響。傳統(tǒng)的鈑金件結(jié)構(gòu)在汽車成本控制方面有效果，但是鈑金件的利用卻難以滿足目前的汽車設(shè)計輕量化目標(biāo)。碳纖維復(fù)合材料在汽車生產(chǎn)中的利用不僅可以將汽車零部件的整體性能進行提升，還能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)，但是碳纖維復(fù)合材料的成本過高，超過了企業(yè)的成本控制標(biāo)準(zhǔn)[9]。基于汽車成本控制和輕量化目標(biāo)的實現(xiàn)，強調(diào)熱塑性復(fù)合材料的利用，并重視模壓-注塑成型方式的具體利用，這樣，在一般的熱塑性復(fù)合材料中進行少量的碳纖維增加便可以增強零部件的整體性能，同時還可以實現(xiàn)輕量化目標(biāo)。可以說，熱塑性復(fù)合材料在汽車成本控制方面的效果是顯著的。

3.2 汽車性能效果

對利用熱塑性復(fù)合材料設(shè)計開發(fā)的汽車車身結(jié)構(gòu)件的具體性能進行檢測，從檢測的結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)件的各方面性能和鈑金件的各方面性能存在著比較大的差異，而且明顯是利用熱塑性復(fù)合材料設(shè)計開發(fā)的汽車車身結(jié)構(gòu)件性能更加優(yōu)越，這說明熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢是非常明顯的，而且其產(chǎn)品的性能優(yōu)勢也是非常顯著的，這為熱塑性復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的廣泛推廣和利用打下了堅實的基礎(chǔ)[10]。

3.3 材料處理方面

在汽車車身結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)加工的過程中，受工藝等影響，不可避免地會出現(xiàn)一些廢棄材料。這些廢棄材料如果能夠?qū)崿F(xiàn)有效回收和利用，那么其便可以“變廢為寶”。對熱塑性復(fù)合材料的具體使用進行分析，這類材料和熱固性復(fù)合材料相比，其固化周期更短，而且更容易收集，所以在實踐中，熱塑性復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)集中的回收再利用，對于解決廢棄物等問題有積極意義，這對于汽車企業(yè)的成本控制工作也有顯著效果[11]。

綜上所述，現(xiàn)階段的試驗表明熱塑性復(fù)合材料的性能是十分優(yōu)越的，所以其在交通、航天等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。結(jié)合目前的交通行業(yè)發(fā)展實踐，立足于汽車的輕量化目標(biāo)實現(xiàn)對熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)和利用，尤其是在汽車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計和開發(fā)的過程中，強調(diào)熱塑性復(fù)合材料的利用，并對比熱塑性復(fù)合材料的實際應(yīng)用效果，這可以為材料的持續(xù)推廣和使用提供參考與指導(dǎo)，從而使熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用價值獲得更好的發(fā)揮。