復(fù)合材料在汽車(chē)上的運(yùn)用研究

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由于大部分復(fù)合材料都是與目標(biāo)產(chǎn)品同時(shí)形成的，所以很少有固定的復(fù)合材料型號(hào)等信息，采用相同原材料而不同種工藝或同種工藝不同參數(shù)所制造的復(fù)合材料性能也會(huì)有所不同，如果拋開(kāi)成本因素，復(fù)合材料所涉及的專(zhuān)一方面性能指標(biāo)比金屬還要寬泛。

1.行業(yè)特點(diǎn)

復(fù)合材料行業(yè)特點(diǎn)：原材料品種多，工藝方法繁多，成本跨度極大。按每公斤價(jià)格而言，復(fù)合材料可以由幾元到幾千元以上不等，一般同等重量成本均高于鋼鐵。很多材料配方和工藝方法原理簡(jiǎn)單，容易上手，但由于工藝自由度較多，真正的工藝參數(shù)系統(tǒng)性控制難度大，產(chǎn)品離散性較大，產(chǎn)品缺陷的可探測(cè)性差，所以用簡(jiǎn)易辦法較難區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

行業(yè)門(mén)檻低，個(gè)體戶(hù)亦可從事經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)活動(dòng)；復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，既可做花盆，也是航空航天等高科技領(lǐng)域不可缺少的材料。國(guó)內(nèi)缺乏高技術(shù)含量自主研發(fā)產(chǎn)品，配套設(shè)備設(shè)施也不健全，限制了復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展。復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)方面具有典型的應(yīng)用，并占有突出的三大優(yōu)勢(shì)：一是自身減重；二是集成化功能，使系統(tǒng)減重；三是使系統(tǒng)的制造、安裝和維修簡(jiǎn)化。而且，大部分復(fù)合材料部件具有減振降噪的效果。從復(fù)合材料的內(nèi)在特點(diǎn)而言，所有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料部件，對(duì)微裂紋及輕微外傷的敏感性都非常弱。采用這種復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件，安全性更高，可有效降低二次傷害的可能性和程度。

復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用

自開(kāi)始制造汽車(chē)以來(lái)，復(fù)合材料便以各種形式應(yīng)用于汽車(chē)中，樹(shù)脂基復(fù)合材料正式應(yīng)用于汽車(chē)中始于1953年。世界上第一輛全復(fù)合材料車(chē)身的Corvette車(chē)由手糊工藝生產(chǎn)（見(jiàn)圖1）。復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用分為幾大類(lèi)：覆蓋件（內(nèi)外飾）、結(jié)構(gòu)件（以其力學(xué)性能為主要應(yīng)用）、功能件（以其某些方面特殊性能為主要應(yīng)用）。當(dāng)然，更多情況下都是多種性能同時(shí)應(yīng)用的，只是在不同的場(chǎng)合中個(gè)別性能稍有突出而已。復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用是從覆蓋件開(kāi)始的，也是用量最大的一個(gè)類(lèi)別，主要采用SMC（片狀模塑料）、RTM和手糊等工藝制造。復(fù)合材料用于覆蓋件的優(yōu)點(diǎn)是耐沖擊性、耐候性、耐腐蝕、阻燃、行人保護(hù)以及豐富的造型設(shè)計(jì)等。

對(duì)覆蓋件的要求主要集中在外觀和尺寸以及成本上，而對(duì)材料本身等性能要求不高，導(dǎo)致這個(gè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)極其激烈，結(jié)果是成本下降的同時(shí)，質(zhì)量也受到影響，在某種程度上這也是復(fù)合材料名聲不好的原因之一。結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)發(fā)展較緩慢，主要是由于這類(lèi)部件的技術(shù)要求相對(duì)較高，不易掌握，企業(yè)缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試驗(yàn)證能力，在沒(méi)有足夠證據(jù)證明新材料、新部件符合要求的情況下，主機(jī)廠只能延用原來(lái)的材料。初期開(kāi)發(fā)需要一定的投入，在國(guó)內(nèi)，開(kāi)發(fā)投入基本都由供應(yīng)商承擔(dān)，開(kāi)發(fā)成功后，其成果又很容易被竊取，這也是阻礙汽車(chē)用復(fù)合材料發(fā)展的因素之一。

功能件的應(yīng)用狀況與結(jié)構(gòu)部件有相似之處，目前應(yīng)用雖然很多，但多數(shù)是合資車(chē)型，延用國(guó)外原有設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)缺乏自主設(shè)計(jì)能力以及相關(guān)的驗(yàn)證能力，也缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)原型在國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，迫于技術(shù)水平所限或成本壓力，其材料體系、工藝技術(shù)有時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，引起部件質(zhì)量下降，最后很可能被歸結(jié)為材料本身的原因。中國(guó)的汽車(chē)用塑料平均每輛車(chē)在100kg以下，占塑料總產(chǎn)量的10%以下，而美國(guó)占15%，德國(guó)占18%，并且逐年增長(zhǎng)。汽車(chē)塑化是目前比較熱門(mén)的話(huà)題，但我們知道，汽車(chē)也不可能被完全塑化，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)理想的平衡狀態(tài)。

1.轎車(chē)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在轎車(chē)上的應(yīng)用以SMC產(chǎn)品為主要代表，主要應(yīng)用于車(chē)頂板、車(chē)頂外延板、側(cè)裙板、翼子板、機(jī)艙蓋板、保險(xiǎn)杠、儀表板和內(nèi)飾板等。應(yīng)用實(shí)例如圖2～圖6所示。其中圖2富康行李箱蓋為粘接結(jié)構(gòu)，RTM工藝成形。圖3奇瑞A5行李箱蓋為粘接結(jié)構(gòu)，其外板采用SMC工藝，內(nèi)板采用RTM工藝。圖4和圖5所示的零部件均采用SMC工藝成形。圖6中的寶來(lái)喜登2002年5月在東風(fēng)出產(chǎn)，采用RTM工藝全塑車(chē)身，為國(guó)內(nèi)全復(fù)合材料車(chē)身產(chǎn)品，整車(chē)使用復(fù)合材料136.5kg，外觀藍(lán)色部件全部為復(fù)合材料制造。碳纖維具有絕佳的韌性和抗拉強(qiáng)度，且重量只有鋼的1/4。輕量、高強(qiáng)的特性正是高性能汽車(chē)所需的。轎車(chē)前端模塊，采用LFT–D在線(xiàn)混煉壓制或LFT–D在線(xiàn)注塑工藝，可節(jié)省材料成本25%，如圖7所示。備胎艙采用LFT或GMT材料，具有良好的抗沖擊性和防腐性，單件減重可達(dá)45%（約4kg左右），設(shè)計(jì)自由度高、可制作出較復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)。2009年，寶馬集團(tuán)與西格里集團(tuán)合資，建立了西格里汽車(chē)碳纖維公司，首款產(chǎn)品4門(mén)寶馬i3的碳纖維復(fù)合材料車(chē)廂采用RTM工藝成形（見(jiàn)圖8）。蘭博基尼的Aventador超級(jí)跑車(chē)車(chē)廂也由碳纖維復(fù)合材料制成。

2.客車(chē)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在客車(chē)上的應(yīng)用主要包括前后圍、保險(xiǎn)杠、頂圍、行李箱門(mén)板和整個(gè)車(chē)身等（見(jiàn)圖9和圖10）。

3.載貨汽車(chē)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在載貨汽車(chē)上的應(yīng)用，主要包括高頂、面罩、保險(xiǎn)杠、傳動(dòng)軸、腳踏板、板簧、側(cè)裙板、翼子板、導(dǎo)風(fēng)罩、導(dǎo)流板和導(dǎo)流罩等。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)8.6m自卸車(chē)車(chē)廂通過(guò)采用復(fù)合材料（見(jiàn)圖11），車(chē)的質(zhì)量從原來(lái)的6.8t減至4.5t，承載50t以上，每年可為用戶(hù)增創(chuàng)7萬(wàn)元左右的利潤(rùn)。

復(fù)合材料的新應(yīng)用

除以上所述，復(fù)合材料在其他汽車(chē)零部件上的應(yīng)用也很多。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)室罩、齒輪室罩和油底殼等，都可以用復(fù)合材料制造（見(jiàn)圖12）。復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用日益廣泛，隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料正在向新的種類(lèi)發(fā)展（見(jiàn)圖13）。

復(fù)合材料的回收

對(duì)于樹(shù)脂基復(fù)合材料而言，定義為可回收材料是毫無(wú)疑問(wèn)的，無(wú)論是熱固性還是熱塑性復(fù)合材料，回收技術(shù)上并不存在問(wèn)題，只是回收方式不同。所有復(fù)合材料的回收難度普遍要比單一材料大，回收的利潤(rùn)率更小。熱固性材料更適用于化學(xué)回收，比如裂解或燃燒；熱塑性材料更適用于物理方法回收。由于物理方法更容易被掌握，所以公眾普遍認(rèn)為熱塑性材料可回收性更好。目前，復(fù)合材料的回收產(chǎn)業(yè)鏈的形成還需時(shí)日，這也依賴(lài)于全行業(yè)的共同努力以及國(guó)家相關(guān)政策的引導(dǎo)。（本文作者：凌靜、王慶明 單位：北京中材汽車(chē)復(fù)合材料有限公司）