復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用摘要: 概述了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等在汽車(chē)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀表明，復(fù)合材料在汽車(chē)上將有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)，也有很多問(wèn)題有待解決。1 樹(shù)脂基復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用 隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、安全日益成為當(dāng)今世界汽車(chē)界的研究熱點(diǎn)。汽車(chē)輕量化無(wú)疑是解決這些問(wèn)題的最佳途徑。而復(fù)合材料具有比模量高、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)，正日益成為汽車(chē)輕量化的首選材料，逐漸受到世界汽車(chē)生產(chǎn)商的青睞。 美國(guó)作為世界第一大復(fù)合材料生產(chǎn)與消耗國(guó)，據(jù)估算汽車(chē)

2、用復(fù)合材料年消耗量超過(guò)70 萬(wàn)t，通用汽車(chē)公司、福特汽車(chē)公司、戴姆勒克萊斯勒公司三大汽車(chē)公司以及Mack、Aero-star 等重型車(chē)廠，復(fù)合材料的使用都取得了明顯收效。在歐洲，復(fù)合材料也已經(jīng)在梅賽德斯 奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、蓮花、曼恩等歐洲汽車(chē)公司的各種車(chē)型中大量應(yīng)用。 在中國(guó)，雖然目前復(fù)合材料年產(chǎn)量已達(dá)到180 萬(wàn)t，但在汽車(chē)工業(yè)中年用量很小，2008 年13 萬(wàn)t，因此具有很大的發(fā)展空間和廣闊的發(fā)展前景。 常用的樹(shù)脂基復(fù)合材料主要是由纖維來(lái)增強(qiáng)。與金屬材料相比，纖維增強(qiáng)塑料(FRP) 不僅質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，且能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因而生產(chǎn)效率高，成本較低。如果以

3、單位體積計(jì)算，生產(chǎn)塑料制件的費(fèi)用僅為有色金屬的十分之一。另外，F(xiàn)RP 還可使形狀復(fù)雜的金屬部件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，可將相關(guān)零件集成在一個(gè)系統(tǒng)零件上，達(dá)到復(fù)雜零件一次成型的目的。如福特汽車(chē)通過(guò)將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋改成模塑件，可有效整合原來(lái)11 個(gè)金屬部件，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程。11 玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP) GFRP 在中國(guó)俗稱玻璃鋼，它不僅質(zhì)量穩(wěn)定、資源豐富、成本低，而且吸收沖擊能量的性能、耐腐蝕性能較好，降低噪音的效果較好，且設(shè)計(jì)靈活，因此是目前汽車(chē)上應(yīng)用最多的樹(shù)脂基復(fù)合材料，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件及車(chē)身。 美國(guó)通用汽車(chē)公司從1990 年開(kāi)始，首先用玻璃鋼制造轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)罩、殼，隨后用于進(jìn)氣歧

4、管、油底殼、空濾器殼、齒輪室蓋、導(dǎo)風(fēng)罩、進(jìn)氣管護(hù)板、風(fēng)扇導(dǎo)風(fēng)圈、加熱器蓋板、水箱部件、發(fā)動(dòng)機(jī)隔音板等零件的制造，效果很好。 另外，玻璃鋼還可用于車(chē)身結(jié)構(gòu)件( 如骨架、梁、柱等)、覆蓋件如格柵、前翼子板、頂蓋、車(chē)門(mén)、行李箱蓋、后側(cè)板等)以及保險(xiǎn)杠、油箱等，也有用于整個(gè)車(chē)身殼體，如美國(guó)的雪佛蘭子彈頭、東風(fēng)客車(chē)公司生產(chǎn)的DHZ6122HR 高速客車(chē)等都是采用全玻璃鋼車(chē)身制造。從減輕汽車(chē)自重來(lái)看，采用玻璃鋼代替鋼材已成為車(chē)身結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在歐洲、美國(guó)及日本等汽車(chē)制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，已普遍采用玻璃鋼材料制造汽車(chē)零部件，如內(nèi)裝飾件( 儀表板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等);外裝飾件( 保險(xiǎn)杠、擋泥板、導(dǎo)

5、流罩等);功能與結(jié)構(gòu)件( 天然氣氣瓶、油箱、風(fēng)扇葉片、油氣踏板等)。為適應(yīng)輕量化的要求，歐美等國(guó)家中重型卡車(chē)外包覆件幾乎都是復(fù)合材料制造的。在很多名牌汽車(chē)上，使用玻璃纖維及其復(fù)合材料的也有很多，如美國(guó)林肯大陸使用的SMC 發(fā)動(dòng)機(jī)罩、保險(xiǎn)杠、后部行李箱蓋、玻纖增強(qiáng)PET 空調(diào)管、排氣門(mén);美國(guó)凱迪拉克賽威的玻纖增強(qiáng)PPO 后窗下部件;美國(guó)道奇Interpid ESX2 跑車(chē)的玻纖增強(qiáng)PET 車(chē)身板; 法國(guó)Envivo的玻璃鋼天然氣瓶; 英國(guó)TVRChimaera 跑車(chē)選用玻璃鋼作車(chē)身。 在中國(guó)，大型、豪華客車(chē)中應(yīng)用玻璃鋼較多，如廈門(mén)/蘇州金龍、西沃、安凱、鄭州宇通、丹東黃海、福田歐V 等客車(chē)廠的幾

6、乎所有車(chē)型都有應(yīng)用，涉及部件有前后圍、前后保險(xiǎn)杠、翼子板、輪護(hù)板、裙板（側(cè)圍板)、后視鏡、儀表板、倉(cāng)門(mén)板等。在中小型客車(chē)中，玻璃鋼也有應(yīng)用，但相對(duì)萎縮，如南京依維柯S 系列車(chē)的SMC 前保險(xiǎn)杠、手糊/RTM 硬頂、BMC 前大燈反射罩;都靈V 系列車(chē)的SMC 豪華面罩、電動(dòng)門(mén)總成、三角窗總成、后行李廂門(mén)總成和FRP 后圍總成;英格爾轎車(chē)的后導(dǎo)流板和乘用車(chē)優(yōu)尼柯的前導(dǎo)流板;春蘭中型車(chē)的前導(dǎo)流板和吉利轎車(chē)的前、后保險(xiǎn)桿、后導(dǎo)流板等。但是，與國(guó)外相比，中國(guó)生產(chǎn)的汽車(chē)用玻璃鋼部件較少，而且大部分是用手糊法或RTM 生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，產(chǎn)品檔次也不高。當(dāng)然，隨著近年來(lái)引進(jìn)車(chē)型相關(guān)部件的國(guó)產(chǎn)化以及國(guó)產(chǎn)車(chē)型

7、的改進(jìn)和更新，會(huì)有越來(lái)越多的車(chē)型開(kāi)始采用玻璃鋼部件。1. 2 碳( 石墨) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( CFRP)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及優(yōu)良的綜合性能，是制造汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料(僅相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的六分之一到三分之一)，受到汽車(chē)工業(yè)廣泛重視。常用于制造汽車(chē)車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，可有效降低汽車(chē)自重并提高汽車(chē)性能。用CFRP 制造的板簧零件強(qiáng)度高、模量大、熱膨脹系數(shù)小，減磨性好，質(zhì)量只有14 kg，比現(xiàn)有材質(zhì)質(zhì)量減輕76%;碳纖維傳動(dòng)軸也已經(jīng)問(wèn)世;福特公司用碳纖維制造的車(chē)門(mén)斜鉸鏈系統(tǒng)，保證了在車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)不需要附加支撐;碳纖維汽車(chē)座椅加熱裝置也在推廣使用。但是，碳

8、纖維過(guò)高的成本使CFRP 在汽車(chē)中的應(yīng)用受到限制，目前僅在一些F1 賽車(chē)、高級(jí)轎車(chē)、小批量車(chē)型上有所應(yīng)用。如寶馬公司的Z-9、Z-22 的車(chē)身;M3、M6系列車(chē)頂篷和車(chē)身; 通用公司的Ultralite 車(chē)身;福特公司的GT40 車(chē)身;保時(shí)捷911 GT3 承載式車(chē)身等。為擴(kuò)大CFRP 在汽車(chē)中的應(yīng)用，美國(guó)、歐洲、日本等正在加緊研究開(kāi)發(fā)廉價(jià)碳纖維的原絲和碳纖維低成本、高速率的生產(chǎn)工藝，以降低碳纖維的價(jià)格。國(guó)際上也已將CFRP 在汽車(chē)中的應(yīng)用列為汽車(chē)輕量化材料發(fā)展計(jì)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，并取得了重大進(jìn)展，預(yù)期2010年將得到大量應(yīng)用。1 3 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度、比模量較

9、高，在航空航天、艦船領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在汽車(chē)制造業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景。但因?yàn)閮r(jià)格太高，目前在汽車(chē)上的應(yīng)用還不多，主要用于汽車(chē)上的輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等。作為高性能防護(hù)材料，芳綸纖維還可用作汽車(chē)防彈裝甲，例如汽車(chē)門(mén)及汽車(chē)外殼的防彈內(nèi)襯。意大利ETR500 高速列車(chē)的車(chē)頭前突部分采用了芳綸纖維增強(qiáng)柔性環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂復(fù)合材料，使車(chē)頭具有優(yōu)異的抗沖擊能力。近年來(lái)中國(guó)軍工企業(yè)相繼成功開(kāi)發(fā)了多種型號(hào)的玻璃纖維和芳綸纖維復(fù)合材料用于運(yùn)鈔車(chē)和防暴車(chē)，還研制了透明防彈板和人體防彈材料，用于汽車(chē)觀察部位和駕駛員自身防護(hù)。隨著科研力度的加大，將會(huì)有更多性能及用途獨(dú)特的芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料得到推廣或

10、被進(jìn)一步改性。 4 GMTGMT（glass fiber mat reinforced thermorplastics）是以熱塑性樹(shù)脂為基體、以玻璃纖維氈為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。GMT 材料密度低、強(qiáng)度高、力學(xué)性能均衡，可以回收再利用，在汽車(chē)、化工、運(yùn)輸、建筑等行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。車(chē)用GMT 材料常以片材供應(yīng)，片材制備是將樹(shù)脂薄膜或熔融樹(shù)脂與玻璃纖維氈交替層疊，經(jīng)過(guò)熱熔融、加壓浸漬和冷卻定型復(fù)合成片材。玻璃纖維氈對(duì)片材性能有重要的影響，復(fù)合中采用連續(xù)氈片材料，各項(xiàng)力學(xué)性能均衡，既有較高的彎曲、拉伸強(qiáng)度， 又有很好的抗沖擊強(qiáng)度， 是PP（聚丙烯）/GMT片材較理想的增強(qiáng)材料。 纖維復(fù)合體具有高流動(dòng)性

11、能使薄壁化汽車(chē)元件的生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)低成本這些元件的耐沖擊性能機(jī)械強(qiáng)度和硬度都得到提高。以熱塑性樹(shù)脂為基體，通過(guò)加溫、加壓制成的GMT 復(fù)合材料，是目前國(guó)際上極為活躍的復(fù)合材料開(kāi)發(fā)新品種，被視為世紀(jì)新材料之一。輕質(zhì)高強(qiáng)度的GMT 片材， 通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)設(shè)計(jì)， 可取代部分金屬材料， 獲得顯著的減重效果， 而且節(jié)省模具費(fèi)用（僅為金屬?zèng)_壓模具的10%20%）， 并有利于多種零件組合， 形成模塊化生產(chǎn)方式。用GMT 片材可較原金屬件減重30%80%， 能耗僅為鋼制品的60%80%， 鋁制品35%50%，價(jià)格低于同體積的金屬制品。 由聚丙烯制成的玻璃氈片增強(qiáng)型熱塑料主要用在汽車(chē)工業(yè)中表面積大的元件中。德國(guó)是應(yīng)用G

12、MT 制造汽車(chē)部件最早最多的國(guó)家。德國(guó)的寶馬、奧迪、大眾、高爾夫等轎車(chē)均應(yīng)用了GMT 部件。據(jù)報(bào)道，新款奔馳轎車(chē)所用的GMT 部件超過(guò)30 kg。美國(guó)的GMT 產(chǎn)品中有80% 用于汽車(chē)部件。福特、通用、克萊斯勒等公司轎車(chē)部件大多數(shù)使用了GMT，如保險(xiǎn)杠、蓄電池托架、行李架、備胎盤(pán)、儀表板、前圍、擋泥板、風(fēng)扇葉片等 。未來(lái)的轎車(chē)將越來(lái)越輕、越來(lái)越便宜而同時(shí)也要承受更嚴(yán)格的安全舒適度和設(shè)計(jì)上的要求，這就要求在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件中更多地利用聚合物和復(fù)合材料，它們必須能夠吸收相當(dāng)?shù)呢?fù)荷和在碰撞時(shí)產(chǎn)生的一部分沖擊能量。在這方面GMT是一種重要的復(fù)合材料，現(xiàn)在轎車(chē)的坐椅儀表板等都已是由GMT 做成的。GMT 不

13、僅提供極佳的性能（模量強(qiáng)度抗沖擊密度等）而且依靠流塑工藝很容易被加工成復(fù)雜零件這是它的一個(gè)優(yōu)勢(shì)也使低成本大批量地生產(chǎn)大表面積結(jié)構(gòu)件成為可能。在過(guò)去的幾年中 GMT 已取得了較大發(fā)展和進(jìn)步能夠滿足現(xiàn)在和將來(lái)的需要。如國(guó)內(nèi)的上海通用別克凱悅、君悅后靠背骨架總成，上海大眾帕薩特B5 底部防護(hù)板都采用GMT 材料制造。 GMT 可以循環(huán)使用、隔熱、隔聲，是汽車(chē)用材料的發(fā)展方向，為熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用提供了發(fā)展機(jī)遇。隨著GMT 新品種的開(kāi)發(fā)，GMT 在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用已達(dá)40 多種， 主要有坐椅骨架、保險(xiǎn)杠、儀表板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、電池托架、腳踏板、前端、地板、護(hù)板、后牽門(mén)、車(chē)頂棚、行李托架、遮陽(yáng)板、備用輪胎

14、架等部件， 使得GMT 在汽車(chē)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2 金屬基復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用2 1 金屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，這些與樹(shù)脂基復(fù)合材料相似，此外，它還耐高溫、防燃，橫向強(qiáng)度與剛度高，不吸潮，高導(dǎo)熱與高導(dǎo)電，抗輻射性能好，而且在使用時(shí)不釋放氣體。2 2 金屬基復(fù)合材料應(yīng)用金屬基復(fù)合材料用于汽車(chē)工業(yè)的主要是顆粒增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料和鎂基復(fù)合材料。目前，鋁基復(fù)合材料一般采用鋁硅合金。常用的填充增強(qiáng)劑有陶瓷纖維、晶須和微粒等。與常用汽車(chē)材料鋁合金相比，鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)輕量化的

15、理想材料，已經(jīng)在汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鼓、保持架、驅(qū)動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)零件上得到應(yīng)用。目前，由低密度金屬和增強(qiáng)陶瓷纖維組成的高性能鋁活塞已有所應(yīng)用。國(guó)外推出了氧化鋁纖維增強(qiáng)活塞頂?shù)匿X活塞、氧化鋁增強(qiáng)的鎂合金制造的活塞氧化鋁纖維及不銹鋼纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿等，進(jìn)一步擴(kuò)大了復(fù)合材料在活塞上的應(yīng)用。中國(guó)西安康博新材料公司開(kāi)發(fā)的、小批量生產(chǎn)的微 納米鋁基高功率復(fù)合材料活塞質(zhì)量穩(wěn)定，現(xiàn)已經(jīng)裝備部隊(duì)，說(shuō)明這種復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟。用氧化鋁纖維及不銹鋼纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿也已經(jīng)分別在日、美等多家公司試用。這種連桿質(zhì)量輕、強(qiáng)度好，而膨脹系數(shù)小，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。鋁基復(fù)合材料也被用于剎車(chē)輪。其特

16、點(diǎn)是可使質(zhì)量減輕30% 60%，而且導(dǎo)熱性好。美國(guó)一汽車(chē)公司已研制出用SiC 粒子增強(qiáng)的AI-10Si-Mg 基復(fù)合材料制成的剎車(chē)輪。目前，中國(guó)上汽集團(tuán)已經(jīng)和有關(guān)高校合作，進(jìn)行鋁基復(fù)合材料汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)的研制，將用于上汽集團(tuán)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轎車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)。用纖維增強(qiáng)的鈦合金基復(fù)合材料在高達(dá)815時(shí)強(qiáng)度比鎳基超耐熱合金高2 倍，是較理想的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)材料，美國(guó)已制成壓氣機(jī)圓盤(pán)、葉片等。此外，碳纖維增強(qiáng)鋁基傳動(dòng)軸、顆粒增強(qiáng)鋁基輪胎螺栓也開(kāi)始應(yīng)用于汽車(chē)，并取得了顯著的增重、提高強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力性能的效果。隨著復(fù)合材料制備技術(shù)以及性能的不斷提高，以及價(jià)格的日益下降，金屬基復(fù)合材料必將在汽車(chē)上得到越

17、來(lái)越廣泛的應(yīng)用。3 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、耐磨性好、耐腐蝕性好、膨脹系數(shù)低、隔熱性能好、密度低等特點(diǎn)，且資源豐富，因而應(yīng)用前景非常廣闊。尤其適合應(yīng)用在一些易磨損部件上。目前，已經(jīng)在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器上取得成功，也有用于軸承、剎車(chē)片、氣缸蓋、活塞、活塞銷(xiāo)以及排氣管等。但是阻礙陶瓷基復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是價(jià)格和可靠性。如何降低成本和提高可靠性，是世界各國(guó)正在努力研究的問(wèn)題。4 總結(jié)復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)已有五十多年的歷史，在很多零部件應(yīng)用方面也取得了成功。但就大批量生產(chǎn)的汽車(chē)，復(fù)合材料的應(yīng)用還是很有限的，主要原因是許多和復(fù)合材料使用相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題仍沒(méi)有得到很好地解決，其中包

18、括準(zhǔn)確的材料定性、生產(chǎn)、油漆、維修、和金屬材料的連接以及回收等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，近年來(lái)適應(yīng)綠色環(huán)保要求的熱塑性復(fù)合材料、天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正成為汽車(chē)用復(fù)合材料的新發(fā)展方向。有理由相信，在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，尤其是隨著復(fù)合材料原材料、工藝與技術(shù)的不斷發(fā)展，更高性能的復(fù)合材料將越來(lái)越多地應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域中。5 參考文獻(xiàn)1 復(fù)合材料在車(chē)輛制造中得到日益廣泛的應(yīng)用J /OL 化工網(wǎng): 2008-08-19http: / /china puworld com/html / / Html2 鄭學(xué)森，潘徽輝 玻璃鋼/復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向J 新材料產(chǎn)業(yè)，2008( 3) : 25-323 李彥春 國(guó)內(nèi)外玻璃鋼/復(fù)合材料在汽車(chē)上應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J 熱固性樹(shù)脂，2001( 6) : 14-174 汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用玻璃纖維概況J /OL