近年來(lái)，對(duì)于汽車輕量化的研究越來(lái)越多，主要包括結(jié)構(gòu)上的輕量化設(shè)計(jì)以及對(duì)于汽車輕量化材料的研究。本文主要介紹了工程塑料及復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，以及帶來(lái)的輕量化效果。

1 采用玻璃纖維聚酰胺復(fù)合材料的汽車鉸鏈部件的輕量化設(shè)計(jì)[1]

汽車門鉸鏈非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢詫㈤T與汽車連接起來(lái)，并且可以以所需的角度打開和關(guān)閉門。轎車車型中的汽車后蓋鉸鏈如圖1所示。鉸鏈機(jī)構(gòu)與扭桿，拉伸和扭轉(zhuǎn)彈簧一起工作。

圖1 汽車后蓋鉸鏈

在安全方面，后罩的運(yùn)動(dòng)應(yīng)具備以下邊界條件：

（1）后罩開關(guān)打開時(shí)，鉸鏈應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)10°并保持靜止；

（2）客戶應(yīng)該可以在10°至60°的范圍內(nèi)打開后罩，同時(shí)減少機(jī)構(gòu)中的彈簧的影響；

（3）后罩機(jī)構(gòu)應(yīng)該從60°自行打開到86°，并且在此時(shí)必須保持恒定。

這些邊界條件的目的是在打開后罩時(shí)防止身體的受傷。另外，由于機(jī)構(gòu)中的彈簧，這些條件應(yīng)該幫助人們輕松打開和關(guān)閉引擎蓋，而不會(huì)感覺(jué)到它的重量。鉸鏈的另一個(gè)功能是防止后發(fā)動(dòng)機(jī)罩在發(fā)生事故時(shí)通過(guò)與后發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖定機(jī)構(gòu)串聯(lián)工作而與車身分離。

在這項(xiàng)研究中，使用復(fù)合拓?fù)鋬?yōu)化方法開發(fā)了汽車后門鉸鏈。最初的設(shè)計(jì)是使用鋼材開發(fā)的，以確保當(dāng)前的運(yùn)行條件和邊界條件。從拓?fù)浜挽o態(tài)分析得到的結(jié)果表明，使用復(fù)合材料可以開發(fā)更輕的鉸鏈。后來(lái)，使用PA66 GF35，PA66 GF50和PA66 GF60玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料開發(fā)了新的鉸鏈設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，使用PA66 GF60材料可以開發(fā)既提供輕質(zhì)又能提供所需應(yīng)力和位移限制的設(shè)計(jì)。作為對(duì)這種材料進(jìn)行分析和研究的結(jié)果，與初始設(shè)計(jì)相比，鉸鏈的重量減少了8.12%。結(jié)果表明，復(fù)合材料是輕型車輛部件設(shè)計(jì)的重要替代品，可以有效使用。

2 椰殼粉末增強(qiáng)PVC復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的力學(xué)性能研究[2]

天然纖維增強(qiáng)聚合物是一種可提供以下益處的材料：環(huán)保型、容易再生、低成本、重量減輕、靈活性和可以生物降解。近年來(lái)，纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中已經(jīng)成為內(nèi)部和外部組件使用中呈現(xiàn)很高的需求。對(duì)于汽車的內(nèi)飾部件主要由以下部分組成：聚合物（包括PVC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。這些部件平均重量為20公斤。

目前，汽車行業(yè)對(duì)PVC的需求處于高峰期，例如，它被用作：儀表板、地毯、門面板、扶手、握把、內(nèi)部密封、遮陽(yáng)板、座椅覆蓋物、行李箱、電纜絕緣、模制插頭、進(jìn)氣管道。天然纖維復(fù)合材料的作用是利用纖維作為基體樹脂的增強(qiáng)材料。為了優(yōu)化車輛性能，減少車輛質(zhì)量（或輕量化）是強(qiáng)制性的。

圖2 椰殼粉末對(duì)PVC復(fù)合材料吸收速率的影響

圖2 表明，與純度僅為1%的PVC相比，20phr的CSP組合物獲得4.2%的吸收率。它表明吸水率隨纖維含量的增加而增加。這種現(xiàn)象是由于PVC的疏水特性和來(lái)自天然纖維的親水性質(zhì)的具體質(zhì)量，其具有更好的纖維和基質(zhì)之間的界面面積。

在強(qiáng)度方面，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)纖維含量增加時(shí)強(qiáng)度增加。因此，在汽車行業(yè)（特別是在聚合物生產(chǎn)中），與使用純PVC相比，如果發(fā)生事故，保險(xiǎn)杠或內(nèi)飾件等部件可以得到保護(hù)。另外，它可以減少原始材料，通過(guò)添加這種纖維來(lái)提高強(qiáng)度。因此，這種復(fù)合“椰殼粉（CSP）”對(duì)于降低成本和重量的汽車工業(yè)非常有用，同時(shí)也提高了PVC強(qiáng)度性能。

3 應(yīng)對(duì)未來(lái)汽車挑戰(zhàn)的復(fù)合材料[3]

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于鋼和碳纖維復(fù)合材料的鋁合金，重量可以降低60%、40%。由于它是一種壓縮成型工藝而不是沖壓工藝，因此可以通過(guò)為工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)減少零件數(shù)量，從而可以進(jìn)一步減輕重量并實(shí)現(xiàn)零件整合，從而增加碳纖維復(fù)合材料的價(jià)值。在很多共同開發(fā)的情況下，通過(guò)用碳纖維復(fù)合材料替換B柱鋼插入件，每輛車可節(jié)省6公斤重量。因此，通過(guò)切換到碳纖維部件，減少車輛重量的機(jī)會(huì)很大，而確定哪種應(yīng)用最能從碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度中獲益是關(guān)鍵。

(1)因變量測(cè)度。旅游產(chǎn)業(yè)升級(jí)理應(yīng)體現(xiàn)產(chǎn)品高附加值化和產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型躍遷兩個(gè)層面的含義。不過(guò)，現(xiàn)有研究置重于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變遷程度的測(cè)量，容易忽視產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)中生產(chǎn)率的變化。所以，本文選用經(jīng)典文獻(xiàn)的測(cè)度指標(biāo)[24-25]，即旅游業(yè)細(xì)分行業(yè)的收入份額與勞動(dòng)生產(chǎn)率的極差標(biāo)準(zhǔn)化值的乘積求和變量。

為了達(dá)到環(huán)境和性能目標(biāo)，非常需要降低新能源和傳統(tǒng)車輛的重量。我們相信碳纖維復(fù)合材料在這方面扮演著重要角色。通過(guò)一些項(xiàng)目上的合作，我們將獲得顯著的學(xué)習(xí)曲線優(yōu)勢(shì)，然后我們可以在傳統(tǒng)車輛中使用它。圖3為回收的碳纖維圖。

圖3 回收碳纖維圖

盡管在車輛中使用再生碳纖維的程度取決于OEM的設(shè)計(jì)理念。我們看到大多數(shù)OEM希望采用混合多種材料的方法，其中碳纖維占整個(gè)車輛結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比例相當(dāng)?shù)?，其?yīng)用是那些使用碳纖維可提供最高效益的應(yīng)用，這項(xiàng)工作已經(jīng)開始，第一個(gè)組件將在四月底生產(chǎn)。最初，使用回收碳纖維的車輛將用于中國(guó)市場(chǎng)，但奇瑞是中國(guó)最大的汽車出口商之一。最初每年將生產(chǎn)約10,000輛汽車，盡管其進(jìn)一步引入大批量生產(chǎn)取決于經(jīng)濟(jì)性和重量節(jié)省之間的平衡。

4 應(yīng)用于汽車行業(yè)的現(xiàn)代材料[4]

汽車是世界上最大的材料消費(fèi)領(lǐng)域之一。提高汽車零件的耐久性和可靠性是材料科學(xué)的一個(gè)相關(guān)和重要問(wèn)題。汽車工業(yè)的發(fā)展，提高對(duì)舊材料重量和安全的要求，需要?jiǎng)?chuàng)造和應(yīng)用新的形式。

而且，由于制造消費(fèi)品所需的材料較少，所以材料密度低導(dǎo)致保護(hù)自然資源。如圖4所示，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)總量的一半以上為鑄鐵和鋼制零件（55%），約11%為塑料，第三位為鋁合金（9%），橡膠和玻璃分別為7%和3%;有色合金（鎂、鈦、銅和鋅）的份額不超過(guò)1%;其他材料（清漆、油漆、電線、飾面材料等）占13.5%。

圖4 應(yīng)用在汽車不同部件上的材料

鋁基復(fù)合材料（AMC）是指輕質(zhì)、高性能鋁材料。AMC中的增強(qiáng)材料可以是連續(xù)或者不連續(xù)纖維，晶須或顆粒形式，體積分?jǐn)?shù)從幾個(gè)百分比至70%不等。通過(guò)矩陣，鋼筋和加工路線的適當(dāng)組合，AMC的特性可以適應(yīng)不同工業(yè)應(yīng)用的需求。AMC具有更高的強(qiáng)度、更好的剛度、更低的密度（重量）、改進(jìn)的高溫性能、可控的熱膨脹系數(shù)、熱和熱管理、增強(qiáng)和定制的電氣性能、改進(jìn)的耐磨和耐磨性、質(zhì)量控制（特別是在往復(fù)應(yīng)用中）改進(jìn)的阻尼能力。而目前比較前沿的材料是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PAMC），是金屬基復(fù)合材料研究和開發(fā)的重要領(lǐng)域之一。發(fā)展趨勢(shì)非常廣泛，將通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用引領(lǐng)先進(jìn)材料的革命。

5 用復(fù)合材料優(yōu)化汽車外門把手[5]

這項(xiàng)工作使用纖維來(lái)增強(qiáng)PA塑料的汽車外門把手。比較彈性塑料、纖維取向和損傷彈性塑料、門把手纖維取向、彈性塑性等不同材料屬性之間的對(duì)比，并利用Hyperworks，Converse和Abaqus。

我們?cè)谠鰪?qiáng)PA塑料中使用短玻璃纖維。解釋了短玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)行為。研究了纖維取向?qū)?fù)合材料性能的影響以及決定纖維取向的因素。為了理解損傷標(biāo)準(zhǔn)，解釋了斷裂力學(xué)理論。PA GF30的相對(duì)密度小于鋼。但是它足夠強(qiáng)大以滿足裝載條件。這使其適用于門把手等結(jié)構(gòu)應(yīng)用。經(jīng)過(guò)計(jì)算，使用PAGF比鋼材減重80%。

如圖5所示門把手本體組件固定在一個(gè)夾具中。在帶和桿的幫助下，沿著黃色箭頭所示的方向施加拉力。手輪和滾珠絲杠用于逐漸增加拉力。手輪按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)以施加拉力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，在門把手上施加1 210N的拉力，并且沒(méi)有觀察到任何永久變形、斷裂、破損、松動(dòng)或其他無(wú)法觀察到機(jī)械功能。在1 210N后逐漸增加負(fù)載后，元件在1 310N的負(fù)載下斷開。如果我們比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試值1 310N和我們的要求1 200N，則承載能力幾乎沒(méi)有差異。因此，我們可以得出結(jié)論，最佳材料量用于制造手柄，可以不使用任何多余的材料。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

6 再生碳纖維復(fù)合材料在汽車應(yīng)用方面對(duì)于環(huán)境的影響[6]

應(yīng)用于汽車的輕質(zhì)材料可以減少汽車對(duì)環(huán)境的影響。然而，減重并不總是可靠的環(huán)境績(jī)效指標(biāo)，因?yàn)檫@一指標(biāo)忽略了與物質(zhì)生產(chǎn)相關(guān)的影響。考慮到與生產(chǎn)輕質(zhì)金屬和輕質(zhì)材料相關(guān)的成本和體現(xiàn)的能源障礙，有可能在某些情況下會(huì)超過(guò)減輕車輛重量和降低車輛使用期間燃料使用量所帶來(lái)的相關(guān)的環(huán)境效益。在目前的研究中，再生碳纖維復(fù)合材料在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)得到了證明，并與競(jìng)爭(zhēng)輕質(zhì)材料（如鋁）相比較。由再生碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的部件可實(shí)現(xiàn)類似于或大于競(jìng)爭(zhēng)輕質(zhì)材料的重量減少，同時(shí)由于回收和加工活動(dòng)的低能量強(qiáng)度而顯著降低生產(chǎn)對(duì)于環(huán)境的影響。

對(duì)于許多組件，雖然表現(xiàn)出較低的對(duì)于能源與溫室氣體排放的負(fù)面影響，但與傳統(tǒng)鋼組件相比，使用再生碳纖維復(fù)合材料會(huì)導(dǎo)致對(duì)于環(huán)境影響的顯著降低，主要是由于回收能源強(qiáng)度低和大量使用階段的燃料節(jié)約。整體發(fā)現(xiàn)支持材料回收技術(shù)的新興商業(yè)化，并識(shí)別汽車行業(yè)潛在的重大市場(chǎng)機(jī)遇。它有可能向行業(yè)和決策者告知與回收技術(shù)相關(guān)的環(huán)境影響，并制定相關(guān)政策，鼓勵(lì)適當(dāng)使用再生碳纖維復(fù)合材料材料。通過(guò)調(diào)整模型值，該模型可用于評(píng)估其他司法管轄區(qū)的環(huán)境影響，托管情景和聯(lián)合生產(chǎn)情景;同樣，該模型可以擴(kuò)展為包括額外的環(huán)境影響指標(biāo)，例如與回收、制造和使用階段產(chǎn)生的氣體排放相關(guān)的指標(biāo)。

7 非金屬?gòu)U棄印刷電路板和汽車塑料的可持續(xù)復(fù)合板[7]

在這項(xiàng)研究中，印刷電路板（PCB）和廢舊汽車塑料（WAP）的非金屬?gòu)U料被用于生產(chǎn)可持續(xù)復(fù)合板，其廣泛的潛在用途與MDF（中密度纖維板）等產(chǎn)品相當(dāng)。由不同比例的非金屬PCB廢料和WAP制成的復(fù)合板通過(guò)使用熱壓機(jī)來(lái)制造。通過(guò)密度測(cè)量來(lái)研究制造的板的物理性質(zhì)。通過(guò)彎曲、拉伸和壓縮測(cè)試機(jī)械地表征面板，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察界面相互作用研究的斷裂表面，分析其力學(xué)性能。圖6為一定含量的非金屬PCB的WAP與廢棄PCB復(fù)合板的斷裂表面的SEM圖像。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）在WAP中添加非金屬PCB改善了復(fù)合板的彎曲、拉伸和壓縮模量。80/20復(fù)合板與其他復(fù)合板相比具有最高的機(jī)械性能。

（2）隨著向WAP添加非金屬PCB，復(fù)合板的密度測(cè)量結(jié)果也呈線性增長(zhǎng)。

（3）SEM圖像清楚地顯示了塑料基體中非金屬PCB的玻璃纖維的分布和取向。從80/20板的SEM圖（圖6）中，觀察到PCB塑料和非金屬玻璃纖維之間良好的封裝。

圖6 一定含量的非金屬PCB的WAP與廢棄PCB復(fù)合板的斷裂表面的SEM圖像

（4）此外，玻璃纖維增加至80/20組合導(dǎo)致失效（斷裂表面）中更高的能量吸收，這表明產(chǎn)生了良好的機(jī)械行為。另一方面，較高濃度的非金屬PCB板由于PCB的非金屬團(tuán)聚而顯示較差的鍵合，因此導(dǎo)致較差的機(jī)械性能。

因此可以得出結(jié)論，向廢舊汽車塑料添加非金屬?gòu)U棄PCB非常適合用于合成有用的復(fù)合材料。這些具有優(yōu)異機(jī)械性能的復(fù)合材料可推薦用于汽車與航空領(lǐng)域。

8 天然纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂增強(qiáng)陶瓷纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能分析[8]

天然纖維復(fù)合材料在汽車和制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用和使用。將多層不同的復(fù)合材料與多層天然和人造纖維堆疊起來(lái)是混合復(fù)合材料開發(fā)的基礎(chǔ)。使用混合復(fù)合材料的主要目的是克服單一基體材料中纖維相對(duì)于另一種材料的缺乏特性。

將兩個(gè)混合復(fù)合材料樣品夾在中間，形成尺寸為300×300mm，厚度為5.5mm的混合復(fù)合材料。夾層結(jié)構(gòu)的混合復(fù)合材料樣品包含由中間雙層E?玻璃纖維覆蓋的陶瓷纖維棉的最內(nèi)層，所述復(fù)合材料再由前者中的雙層織造蘆薈和后來(lái)的劍麻纖維包圍。LY556級(jí)環(huán)氧樹脂與HY 906級(jí)硬化劑按10：1的比例混合。在混合復(fù)合材料的每一層上，兩個(gè)纖維表面上施加所需量的環(huán)氧樹脂，然后在壓縮模塑機(jī)中進(jìn)行增強(qiáng)。為了固化試樣，機(jī)器內(nèi)部保持100℃的溫度持續(xù)30分鐘。固化過(guò)程后，樣品從壓縮成型機(jī)中取出。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，從壓縮成型機(jī)中取出的固化樣本進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，如拉伸、撓曲和沖擊。圖7顯示了測(cè)試前后樣品的對(duì)比圖。

圖7 測(cè)試前后樣品的對(duì)比圖

在沖擊機(jī)上進(jìn)行上述試樣的沖擊能力，并通過(guò)機(jī)器給出的讀數(shù)找出試樣的能量損失。沖擊響應(yīng)導(dǎo)致樣本（樹脂、纖維和羊毛界面）的裂紋和斷裂的形成和發(fā)展。來(lái)自機(jī)器的讀數(shù)顯示清楚地表明樣品1值的沖擊強(qiáng)度為1.90J，略高于樣品2的值1.75J。這樣做的原因在于，樣品1的電阻率高于樣品2。

在本研究中，通過(guò)環(huán)氧樹脂基體和劍麻纖維?陶瓷纖維羊毛?玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體一起增強(qiáng)蘆薈陶瓷纖維羊毛?玻璃纖維和其機(jī)械性能（如拉伸），制備了兩種三明治結(jié)構(gòu)的混合復(fù)合材料，并進(jìn)行彎曲和沖擊測(cè)試和分析。對(duì)兩種樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，劍麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比蘆薈增強(qiáng)復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。

9 復(fù)合材料及其應(yīng)用[9]

當(dāng)前應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的輕質(zhì)材料主要包含纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料等。這些材料被稱為先進(jìn)的復(fù)合材料，將被用來(lái)取代目前在飛機(jī)、汽車等制造中使用的一些傳統(tǒng)金屬材料。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）可以進(jìn)一步分為含有不連續(xù)或連續(xù)纖維的復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由嵌入基體材料中的纖維組成。這種復(fù)合材料的性能隨著纖維長(zhǎng)度的變化而被認(rèn)為是不連續(xù)纖維或短纖維復(fù)合材料。另一方面，當(dāng)纖維的長(zhǎng)度不能增加時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量被認(rèn)為是連續(xù)纖維增強(qiáng)的。纖維的直徑很小，當(dāng)被軸向推動(dòng)時(shí)，它們很容易彎曲，盡管它們具有非常好的拉伸性能。必須支撐這些纖維以防止單根纖維彎曲。層狀復(fù)合材料是由矩陣結(jié)合在一起的多層材料組成。三明治結(jié)構(gòu)屬于這一類。木材是天然復(fù)合材料的一個(gè)很好的例子，纖維素纖維和木質(zhì)素的組合。

高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料由嵌入樹脂基質(zhì)中的纖維材料制成，通常與取向?yàn)榻惶娣较虻睦w維層壓用以加強(qiáng)材料強(qiáng)度和剛度。纖維材料不是新型材料，如木材是人類已知的最常見的纖維結(jié)構(gòu)材料，但是，高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料目前廣泛地應(yīng)用在很多領(lǐng)域?；w支撐纖維并將它們粘合在復(fù)合材料中，基體將任何施加的載荷轉(zhuǎn)移到纖維上，將纖維保持在它們的位置和選擇的方向上，加強(qiáng)復(fù)合材料的環(huán)境抗性，并確定復(fù)合材料的最高使用溫度。如圖8所示為纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)圖。

圖8 纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖

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