高分子復合材料在汽車輕量化的應用

摘 要：隨著科技進步，人們的生活質量顯著提升，汽車作為日常出行的主要交通工具，已普及至眾多家庭。然而，汽車的廣泛使用也導致了碳排放和環境污染問題日益嚴重。研究旨在探索一種有效的解決方案——汽車輕量化設計，特別是通過應用高分子復合材料來實現這一目標。研究方法包括對高分子復合材料的性能分析及其在汽車制造中的應用實踐。結果顯示，采用高分子復合材料能夠有效降低汽車自重，從而實現節能減排。這項研究的意義在于，它不僅為選擇高分子材料提供了技術支持，而且對于推動汽車產業的綠色可持續發展具有重要作用。

關鍵詞：汽車輕量化 高分子復合材料 應用

１ 緒論

隨著科技的飛速發展，我國人民的生活水平得到了顯著提升，汽車作為現代生活中不可或缺的代步工具，已經成為眾多家庭的日常出行選擇。然而，汽車產業的快速發展也帶來了不容忽視的環境問題，尤其是碳排放和環境污染的加劇，對我國的生態文明建設提出了嚴峻挑戰。為了解決這一問題，汽車輕量化設計成為業界關注的焦點。汽車輕量化設計是指在實現汽車成本控制并且保證汽車安全性能和舒適性的前提下，通過采用輕質材料和技術手段，降低汽車自重，以完成汽車從“高能耗高污染”向“低能耗低排放”的轉變[1]，從而實現節能減排的目標。在這一過程中，高分子復合材料的應用顯得尤為重要。高分子復合材料以其輕質、高強度、耐腐蝕等優點，在汽車輕量化領域具有廣泛的應用前景。

2 汽車輕量化

汽車輕量化，作為一種前沿的汽車制造技術，其核心宗旨在于在確保車輛的結構強度和乘客安全的前提下，盡可能地降低汽車的整車質量。這一理念最初源于追求極致性能的賽車領域，因為減輕車身重量能夠顯著提升車輛的操控靈活性、加速性能以及燃油經濟性。隨著國家提出“雙碳目標”，大眾的目光更多地聚焦于節能環保，汽車輕量化技術也開始廣泛應用于普通汽車行業中，它不僅增強了駕駛體驗，還展現出了卓越的節油性能。

詳細來看，汽車輕量化帶來的主要益處包括以下內容。

（1）提升動力性和操控性：隨著車輛重量的減輕，汽車的加速反應更加迅捷，轉向更加靈活，整體駕駛體驗得到顯著提升。

（2）減少燃料消耗：車輛重量與油耗之間存在正相關關系，因此減輕重量是降低油耗的有效手段，有助于節約能源。

（3）降低排氣污染：減少油耗的同時，尾氣排放量也會相應降低，這對于改善環境質量、減少大氣污染具有積極意義。

為了實現汽車輕量化，業界采取了以下幾種主要措施。

（1）采用輕質材料：利用鋁合金、鎂合金、高性能塑料、陶瓷、玻璃纖維或碳纖維復合材料等輕質高強度材料替代傳統的鋼鐵材料。

（2）優化結構設計：借助計算機輔助設計（CAD）和有限元分析（FEA）等先進技術，對汽車結構進行優化，以減少不必要的材料使用，同時保持結構強度。

（3）改進生產工藝：通過采用新型焊接技術、熱成型技術等，實現車身的輕量化，如采用承載式車身結構，減少車身板料的厚度等。

然而，汽車輕量化并非全無缺點。例如，在不可避免的交通事故中，較輕的車輛可能不如重型車輛那樣能夠提供足夠的安全保護，因為重型車輛在碰撞中能更好地吸收沖擊力，為車內乘員提供更大的生存空間。

綜上所述，汽車輕量化是推動汽車產業技術進步、提高能效、減少環境污染的重要途徑。但在追求輕量化的同時，也必須綜合考慮車輛的安全性、耐用性以及制造成本，力求在多個方面達到最佳平衡。

3 高分子材料應用于汽車輕量化的意義

研究高分子復合材料在汽車輕量化的應用及其方法，具有以下重要意義。

（1）節能減排并且提升汽車續航里程：輕量化汽車在行駛過程中能耗更低，有助于減少燃油消耗，降低碳排放，為我國實現碳達峰、碳中和目標作出貢獻。根據前人研究，汽車整車質量每降低100kg，燃油車排放可下降4%到10%，每公里減少排放5gCO2，續航里程可以增加12至13公里[1]。

（2）提高汽車性能：輕量化設計可縮短汽車制動距離、減少轉向力、提高輪胎的使用壽命、減少加速時間，不僅能提升駕駛體驗，還帶來了更高的安全性和經濟效益。據研究，每減少100公斤的車重，制動距離可減少5%，這在緊急情況下意味著安全性的顯著提升；同時，輕量化設計還能減少轉向力，提高了操控的便捷性和舒適度。

（3）延長使用壽命：相同體積下，碳纖維復合材料的質量只有鋁的四分之一，但它的強度卻是鋁的五倍多[1]；同時，由于碳纖維復合材料以樹脂、金屬、陶瓷和橡膠等材料為基體，以碳纖維為增強材料制成，具有獨特的碳結構[3]，讓它的耐腐蝕性能更加優異，可降低汽車零部件的磨損，延長汽車使用壽命。

（4）降低成本：高分子復合材料相較于原來的高強度鋼與其他合金材料，成本更加低廉，有利于降低汽車制造成本。

4 汽車輕量化方法

實現汽車輕量化主要有三種途徑：材料輕量化、工藝輕量化、結構輕量化。其中，材料輕量化使用的材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料及復合材料，也有少部分其他材料（混合材料、金屬泡沫材料）。工藝輕量化的方法包括液壓成型、熱成型、激光焊接。結構輕量化的方法包括拓撲優化、形狀和尺寸優化、多學科優化[1]。

5 選擇高分子復合材料的原因

目前，在汽車輕量化的材料輕量化上應用較廣泛的高分子復合材料主要有兩種，分別是玻璃纖維材料和碳纖維復合材料。其中，碳纖維復合材料又包括高強度型和高模量型。選取高強度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料（高強度型）六種材料，從密度、抗拉強度、彈性模量、比強度、比模量五個方面進行材料性能比較。數據如表1[2]所示。

為了直觀地看出六種材料的綜合性能優劣，引入數學建模的方法，采用距離法和Topsis優劣解法對六種材料的綜合性能分別打分后求平均值，確保結果的準確性。考慮到在汽車輕量化實際設計中，密度、抗拉強度、彈性模量、比強度、比模量五個指標的重要性旗鼓相當。因此，它們的權重均為1，不需要再進行加權。在這五個指標當中，只有密度是極小型數據（即數據越小越好），其他指標均為極大型數據（即數據越大越好），所有首先將密度進行正向化，把它從極小型數據轉化為極大型數據。用MATLAB編寫代碼，將正向化的密度寫入EXCEL表，得到表2。

接著，用MATLAB編寫代碼，將正向化后的密度、抗拉強度、彈性模量、比強度、比模量五個指標分別進行標準化后，采用距離法和Topsis優劣解法分別打分并求平均值后，得到結果。

由表3可以直觀地看出，玻璃纖維復合材料和高強度型的碳纖維復合材料分數均高于其他四種材料，并且，高強度的碳纖維復合材料分數遠高于其他材料，證明其綜合性能非常優秀，特別適合用于汽車輕量化設計。除此之外，高強度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金的耐腐蝕性分別為一般、差、強、強，而玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料的耐腐蝕性均非常強。所以，高分子復合材料的綜合性能優于其他材料，是汽車輕量化中材料輕量化的不二之選。

6 高分子復合材料在汽車輕量化中的應用

6.1 汽車剎車片

（1）高強度鋼、鎂合金、鋁合金等其他材料在制作剎車片時，由于材料之間的磨損，摩擦系數會隨著時間的增加而增加，從而影響汽車的制動。而碳纖維復合材料摩擦系數穩定，維持在0.35～0.40，可保證汽車的平穩制動，具有良好的適應性、安全性。

（2）碳纖維復合材料相較于其他材料，耐腐蝕性特別強。

（3）碳纖維復合材料耐熱溫度可達2500℃，同時具有很好的耐疲勞性，在使用過程中損耗非常少。

6.2 前地板后本體

SGFRTP材料，密度小、成本低廉、成型效率高，但SGFRTP材料的彈性模量（5.5GPa）遠低于鋁合金材料的彈性模量（71GPa），無法單獨作為結構件應用在汽車輕量化。但是CFRP材料的彈性模量非常高（130Gpa），因此采用“SGFRTP+CFRP”材料組合，即SGFRTP材料用于制作結構件主體，對地板腳踩區、手剎區等主要承載區域進行連續CFRP片補強[3]，既增強了結構件的剛度和承載區的強度，同時相對于原來的金屬材料減重10.37%，達到汽車輕量化的目的。

6.3 發動機冷卻風扇

發動機冷卻風扇在高溫、高壓環境下工作，要求其具備高剛性、高韌性、高耐熱性和良好的成型加工性，原先用鑄鋁、鋼、鐵等金屬材料制造，但它們成本過高、不耐腐蝕，逐漸被增強尼龍和改性 PP（聚丙烯）替代。采用玻纖GF和彈性體協同為PP改性，使其剛性、韌性、耐熱性都得到顯著提高，同時PP價格低廉，因此改性PP被廣泛使用。我國也有這方面的研究：北京化工研究院研制的熱塑性彈性體增韌、玻纖增強的 PP GB-220 已用于中國一汽集團生產的平頭柴油車冷卻風扇，并且表現出優于金屬風扇的性能——風量更大。

7 高分子復合材料在汽車輕量化應用的發展趨勢

（1）在傳統片狀模塑料（SMC）的基礎上，開發出具有高比強度以及高能量吸收等特性的輕質夾層結構SMC。同時可采用碳纖維替代玻璃纖維來制得增強型SMC，以實現制件質量的降低。

（2）采用了線纜包覆擠出成型技術來加工長玻纖增強材料，相較于短切玻纖增強材料，它的剛性、強度和耐熱性更加優異，成為增強型 PP 的發展趨勢。

8 結語

高分子復合材料具有成本低廉、耐熱性好、輕質高強、耐腐蝕性強等優點，被廣泛應用于汽車輕量化設計，可以實現節能減排、降低成本、提高汽車的續航里程與使用壽命、加快汽車行駛速度、提升駕駛體驗，同時發展趨勢清晰，在汽車輕量化領域有廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1]劉琪.基于汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術及設計[J].化纖與紡織技術，2023（03）：29-31.

[2]楊慶，王哲，歐弘飛，等.新能源汽車輕量化領域鋁合金焊接技術研究綜述[J].內燃機與配件，2023（10）：104-106.

[3]李帆.碳纖維復合材料在汽車領域中的應用[J].塑料助劑，2023（05）：68-69+102.