雷紹闊, 鐘國留, 劉 偉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

淺論復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

雷紹闊, 鐘國留, 劉 偉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

闡述了復(fù)合材料應(yīng)用于汽車業(yè)的意義。介紹了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料這四種復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用現(xiàn)狀及最新趨勢，闡明了這些復(fù)合材料具有比強(qiáng)度與比模量高、化學(xué)穩(wěn)定性和一體化成型性好以及可阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展的優(yōu)良特性。最后指出了復(fù)合材料在未來汽車應(yīng)用的研究方向。

復(fù)合材料； 汽車； 應(yīng)用

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有輕質(zhì)、耐腐蝕性、易成型等優(yōu)點(diǎn)的非金屬材料越來越多的被應(yīng)用在汽車上，如：汽車外飾上的保險(xiǎn)杠、車燈、格柵和后視鏡等以及內(nèi)飾上的門飾板、立柱飾板、后背門飾板等。近年來，國家提出降低汽車油耗的嚴(yán)格要求，使得汽車輕量化技術(shù)被高度重視，從而更加關(guān)注大量以塑代鋼的制造技術(shù)，其中汽車用復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用尤為顯著，而且有著一定的市場開發(fā)前景。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料[1]。在實(shí)際的生產(chǎn)中，很多改性的塑料材料，如：PP、ABS增強(qiáng)熱塑性材料，已經(jīng)在汽車生產(chǎn)上大量應(yīng)用。本文主要介紹纖維增強(qiáng)體與基體復(fù)合材料，如：SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料等這些復(fù)合材料在汽車零部件上研究及應(yīng)用。

1 復(fù)合材料應(yīng)用于汽車業(yè)的意義

2009-2016年，中國汽車產(chǎn)銷量快速增長，2016年汽車銷量接近2 500萬輛。與之相對應(yīng)，中國汽車保有量持續(xù)增長，從2009年的5 100萬輛，達(dá)到2016年的19 327萬輛。照此速度發(fā)展，預(yù)計(jì)2020 年中國汽車保有量將突破20 000萬輛，圖1所示為2009-2016年中國汽車保有量及增速。

圖1 2009-2016年中國汽車保有量及增速

中國不僅是人口大國，而且是汽車大國。2013年7月，中國已超越美國，成為全球最大石油進(jìn)口國。隨著每輛車的廢氣排放，二氧化碳引起的氣候變暖等問題將越來越嚴(yán)重。據(jù)研究，一輛轎車每減少質(zhì)量100 kg，每百公里燃油消耗就平均減少0.5 L，二氧化碳排放也隨之減少500 g[2]。這就要求更輕、更強(qiáng)的材料應(yīng)用于汽車上，而復(fù)合材料具備這些優(yōu)勢。與其他材料相比，復(fù)合材料有以下突出特點(diǎn)。

(1) 比強(qiáng)度與比模量高。比強(qiáng)度越高，零件自重越??；比模量越高，零件的剛性越大[3]。復(fù)合材料對汽車零件的輕量化貢獻(xiàn)很大，可使得零件厚度更薄、零件更輕、強(qiáng)度更高。

(2) 抗沖擊性能好。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)；同時，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種各向異性的材料，沿著纖維方向的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直纖維方向。因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時候可以人為控制纖維排布，充分發(fā)揮纖維性能。

(3) 化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。復(fù)合材料不僅具備傳統(tǒng)工程塑料的優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性，且由于多數(shù)復(fù)合材料增強(qiáng)物為纖維，基體為熱固性材料，這將大大提升材料的化學(xué)穩(wěn)定性。因此，可用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造耐強(qiáng)酸、耐鹽、耐酯和耐某些溶劑的化工管道、泵、閥及容器等設(shè)備。

(4) 一體化成型性好。材料與構(gòu)件可一次成型，減少了零部件、緊固件和接頭數(shù)量，同時大大減少了模具數(shù)量，降低了成本。

表1針對四種材料的成本、減重效果、材料性能和可加工性能進(jìn)行了評級對比。由表1中可以看出，碳纖維復(fù)合材料減重效果、材料各項(xiàng)性能、工藝靈活性均為優(yōu)，但材料成本高，評級較低，由此可見，若能克服關(guān)鍵技術(shù)解決成本的問題，碳纖維復(fù)合材料將會有廣闊的應(yīng)用空間。目前，四種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，汽車研發(fā)工程師可根據(jù)不同車型、零部件的需求，廣泛選擇使用不同的材料及工藝。

2 復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用情況

近年來，復(fù)合材料越來越受到重視，在各大汽車廠商應(yīng)用廣泛，但目前主要集中在商用車上，僅占復(fù)合材料產(chǎn)量的1/10。復(fù)合材料在重型卡車上的應(yīng)用大概是40～50 kg/輛，轎車以寶馬(BMW)、美星華通(GMC)、日產(chǎn)尼桑(NISSAN)、大眾(VW)應(yīng)用最為廣泛。歐洲國家復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已達(dá)到了1/3，目前復(fù)合材料在德系車上應(yīng)用最多，至少2～3 kg/輛；歐系汽車在很多外飾件和結(jié)構(gòu)件上采用復(fù)合材料，如：前端水箱支架、導(dǎo)流罩、導(dǎo)流板、翼子板、側(cè)裙板、面罩和保險(xiǎn)杠等。目前我國汽車領(lǐng)域應(yīng)用的不多[4]。

表1 不同復(fù)合材料的性能對比

2.1 SMC材料

SMC(Sheet Molding Compound)為片狀模塑料，主要原料由GF(專用紗)、MD(填料)及各種助劑組成，是一種較重要且用途廣的模壓復(fù)合材料制品的半成品。與鋼制汽車零件相比，SMC材料質(zhì)量較輕，能實(shí)現(xiàn)減重目的；對模具的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈑金件，能實(shí)現(xiàn)造型設(shè)計(jì)自由，同時制件的整體性好，零件的數(shù)量很少，可在一定程度上降低成本。但是SMC材料最大的缺點(diǎn)是回收性差，污染環(huán)境，目前多數(shù)是以填料方式用于建筑行業(yè)。

目前美國汽車用復(fù)合材料年消耗量超過70萬t，其中32%的熱固性復(fù)合材料用于汽車及其相關(guān)領(lǐng)域，相當(dāng)一部分部件采用了SMC材料的模壓工藝。在美國，有65%的美國轎車采用SMC材料作為前臉和散熱器護(hù)柵板，國內(nèi)也有很多車型采用SMC材料作為后背門，如：DS6車型和3008車型等。

美國CSP公司研發(fā)了TCA Ultra Lite，此類SMC材料密度僅有1.2 g/cm3，同時可直接用于A級外觀零件上，避免了采用模內(nèi)噴涂技術(shù)來掩蓋模壓的缺陷。2017年1月5日，日本帝人集團(tuán)(Teijin)宣布，已完成對美國大陸結(jié)構(gòu)塑料公司(Continental Structural Plastics，簡稱CSP)的收購。帝人集團(tuán)目前的重點(diǎn)是建立汽車復(fù)合材料產(chǎn)品的發(fā)展平臺，旨在為汽車制造商提供更廣泛的解決方案。相信在不久的未來，A類車身覆蓋件將會有所增加。

由SMC材料制備產(chǎn)品時采用的是一種化學(xué)反應(yīng)的方法，在工藝上與傳統(tǒng)熱塑性模壓差別很大。如何基于化學(xué)反應(yīng)過程及原理來實(shí)現(xiàn)縮短周期、控制產(chǎn)品的性能，是未來需要加強(qiáng)研究的。

2.2 LFT材料

LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)為長纖維增強(qiáng)熱塑性材料。在通常情況下，一般纖維增強(qiáng)熱塑性材料中的纖維長度為小于1 mm，而LFT中的纖維長度大于2 mm，目前的加工工藝已經(jīng)能夠?qū)FT中的纖維長度保持在5 mm以上，LFT材料主要分為以下兩類。

(1) LFT-G材料。LFT-G材料主要應(yīng)用于注塑工藝，盡管注塑機(jī)經(jīng)過很多改良，但限于注塑工藝的原因，在最后的制成品中纖維只能達(dá)到3.2～6.4 mm。同時，纖維在流動方向的差異，導(dǎo)致制品各向異性。所以在評估制品性能的時候需采用聯(lián)合仿真，即應(yīng)用模流分析軟件將玻纖取向模擬出來，輸入到力學(xué)仿真軟件中，充分考慮到纖維的取向問題，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。目前廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院已經(jīng)在前端模塊、電池托盤等產(chǎn)品中應(yīng)用此技術(shù)，有效地提高了分析的準(zhǔn)確性。

(2) LFT-D材料。LFT-D材料的加工是采用在線直接生產(chǎn)制品的一種工藝技術(shù)，一般采用模壓工藝，保證了纖維的含量和長度。LFT-D壓制成型制品比LFT-G成型后的制品的纖維長很多，因此其抗沖擊性能明顯高于LFT-G。在目前的應(yīng)用中，前端模塊都有選用LFT-G材料或者LFT-D材料。

LFT-D材料壓制的成型制品，其抗沖擊性能比GMT材料略低，但LFT-D材料的成本優(yōu)勢使之在市場上占據(jù)了一定地位。

2.3 GMT材料

GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)材料是一種以熱塑性樹脂為基體、玻璃纖維氈為增強(qiáng)骨架的復(fù)合材料，一般可以生產(chǎn)出片材半成品，然后直接加工成所需要形狀的產(chǎn)品。圖2所示為GMT材料在汽車上應(yīng)用，一般可用于生產(chǎn)前端部件、座椅殼體、保險(xiǎn)杠、備胎池等部件。GMT材料另一個重要特點(diǎn)是可回收利用，可對采用GMT材料制成的部件回收并進(jìn)行加熱，再模壓成同等質(zhì)量的同類部件或其他類型部件。

圖2 GMT材料在汽車上的應(yīng)用

2.4 CFRP材料

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，碳纖維的含碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于90%的纖維總稱，它發(fā)展于20世紀(jì)60年代，是一種高科技新材料，是纖維狀的碳材料。

CFRP材料通常應(yīng)用在賽車及跑車上，因?yàn)槔锰祭w維可有效提高其性能，同時，此類車對成本一般不作限定。近年來隨著復(fù)合材料成本的下降以及設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，國內(nèi)各大汽車廠均加大了對CFRP材料的研發(fā)及應(yīng)用，主要應(yīng)用于制造汽車車身、底盤、覆蓋件、驅(qū)動軸等部件。

選用CFRP材料的制品其成型工藝甚多，從傳統(tǒng)的手糊工藝，發(fā)展到真空導(dǎo)入工藝、樹脂傳遞模塑成型(RTM，resin transfer molding)和真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM，vacuum assisted resin transfer molding)，制品外觀質(zhì)量越來越好，制造周期越來越短，使得選用CFRP材料的制品成本逐年減少。

在BMW i3汽車車身采用了高壓樹脂傳遞模塑(HP-RTM)工藝，使得成型周期僅為3～5 min。其中在Life模塊結(jié)構(gòu)的34塊碳纖維復(fù)合材料制件中，有13件采用HP-RTM工藝制造，2件采用泡沫夾芯RTM工藝制造，其余19件采用模壓工藝制造[5]。圖3所示為BMW i3的碳纖維車身。

目前國內(nèi)康得復(fù)合材料有限責(zé)任公司從國外引進(jìn)的2條由德國迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)和克勞斯瑪菲公司(KraussMaffei)共同開發(fā)的高壓樹脂傳遞模塑(HP-RTM)自動化生產(chǎn)線以及中國恒瑞有限公司導(dǎo)入的西班牙卡普勒高碳纖維快速多孔注入壓縮成型(RMCP)全自動生產(chǎn)線，解決了多年以來碳纖維零部件不能進(jìn)行大批量生產(chǎn)的技術(shù)難關(guān)。在國家的大力支持下，越來越多企業(yè)投入到CFRP材料及其生產(chǎn)工藝的研究中。

圖3 BMW i3碳纖維車身

2017年，哈爾濱天順化工科技開發(fā)公司宣布，該公司繼在2015年底成功達(dá)到量產(chǎn)低成本T700級碳纖維基礎(chǔ)上，經(jīng)過一年刻苦攻關(guān)，利用自產(chǎn)千噸線生產(chǎn)的原絲，再次突破低成本T800級碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過日本T800級碳纖維技術(shù)水平。

2017年1月20日，寶馬公司(BMW)攜手康得集團(tuán)打造輕量化碳纖維復(fù)合材料零件生產(chǎn)線，雙方就碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的合作進(jìn)行深入探討，并達(dá)成了合作共識。

3 復(fù)合材料在未來汽車應(yīng)用的研究方向

未來的汽車是定制化、外形美觀、環(huán)保型的汽車，傳統(tǒng)鈑金對造型的約束已經(jīng)不能滿足汽車的發(fā)展趨勢，隨之而來的復(fù)合材料可滿足大部分造型的要求。筆者認(rèn)為，為同時滿足定制化生產(chǎn)和傳統(tǒng)車廠批量化生產(chǎn)，復(fù)合材料還需在縮短制造周期、研發(fā)更先進(jìn)制造工藝方向加大力度。現(xiàn)有多數(shù)復(fù)合材料制品成型，動輒數(shù)分鐘，難以滿足整車廠節(jié)拍，大量庫存又會帶來倉庫管理成本，所以后續(xù)除了在成型工藝上需充分優(yōu)化外，材料的固化時間也需要提升。同時針對國內(nèi)復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)，還需要從傳統(tǒng)思維中走出來，積極培養(yǎng)相關(guān)人才。對于鈑金車身設(shè)計(jì)，各大整車廠經(jīng)驗(yàn)豐富，但是一旦鈑金更改為復(fù)合材料，如何從結(jié)構(gòu)上提升產(chǎn)品性能、以滿足車體性能要求，值得研發(fā)人員高度重視。再者，對于環(huán)保，在設(shè)計(jì)過程中需提高復(fù)合材料的環(huán)保意識：一方面，復(fù)合材料能提高材料性能，增加產(chǎn)品的功能，這些都是對環(huán)境有利的；但復(fù)合材料零件的再利用是非常困難的事，需要努力解決復(fù)合材料的再生問題，使復(fù)合材料朝著環(huán)保的方向發(fā)展[4]。

此外，研究復(fù)合材料應(yīng)用不能使用單一的復(fù)合材料，應(yīng)該抓住此四類復(fù)合材料的共性，在結(jié)構(gòu)和工藝上相互借鑒。從上述分析可知，此四類材料可同時應(yīng)用在同一類部件上，存在一個交集區(qū)域，那么怎么有選擇地應(yīng)用于汽車上不同的零件，實(shí)現(xiàn)輕量化的最大化，這個課題就需要更深入的研究。

不管怎樣，隨著輕量化的推進(jìn)，采用復(fù)合材料應(yīng)該是未來汽車材料發(fā)展的主流，同時也是汽車材料業(yè)發(fā)展的大趨勢。誰先掌握復(fù)合材料的制造，誰將會贏得市場。

4 結(jié)語

本文介紹了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料這四種復(fù)合材料在汽車行業(yè)應(yīng)用意義及現(xiàn)狀。由于復(fù)合材料具有突出的力學(xué)性能、耐腐蝕性能及可加工性能，能夠有效實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，從而降低油耗，減少廢氣排放?；谏鲜鰞?yōu)良性能，復(fù)合材料正在全球各大汽車主機(jī)廠中得到廣泛研究及應(yīng)用，未來汽車復(fù)合材料將向著新工藝、新結(jié)構(gòu)、環(huán)保、多種復(fù)合材料綜合應(yīng)用方向發(fā)展。

[1] 何亞飛，矯維成，楊帆，等.樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展[J].纖維復(fù)合材料,2011(2)：7-9.

[2] 劉昌，楊世文.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在汽車業(yè)上的應(yīng)用及面臨困難[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015(11)：132-133.

[3] 楊忠敏.復(fù)合材料在交通工具輕量化中的作用[J].化學(xué)工業(yè),2013, 31(4)：41-43.

[4] 李平舟.低碳經(jīng)濟(jì)給力撬動車用復(fù)合材料大市場[J].聚氨酯工業(yè)，2014(5)：76-81.

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Primary Study on Application of Composite Material in Automobile

LEIShao-kuo，ZHONGGuo-liu，LIUWei

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Institute， Guangzhou 511434，Guangdong，China)

The significance of composite material applied in automotive industry was summarized.The application status and development trend of SMC, LFT, GMT and CFRP in automobiles were introduced. The paper presented composite material with high specific strength, high specific modulus, good chemical stability,good integration formability and preventing spread of crack. At last,the research direction of composite material applied in automotive industry was pointed out.

composite material； automobile； application

雷紹闊(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車輕量化復(fù)合材料的研究。

TQ 325

A

1009-5993(2017)02-0008-05

2017-03-28)