李智 王磊

摘 要：隨著我國新能源汽車銷售量和保有量雙雙提升，先進復合材料作為輕量化效果最明顯和可靠性最佳的輕量化材料之一，在新能源汽車輕量化進程中將扮演重要角色。汽車用復合材料隨著汽車輕量化的推進和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的重視和應用，汽車用復合材料的開發(fā)和應用比例逐步提升，所以文章將結合車用復合材料的研究進展和情況，從整車開發(fā)和應用的角度探討車用復合材料應用與開發(fā)關鍵。

關鍵詞：輕量化;復合材料;復合材料應用

中圖分類號：U465.6 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-215-04

Abstract： As the sales volume and quantity of new energy vehicles in China both increase， advanced composite materials， as one of the most obvious lightweight materials with the best reliability， will play an important role in the process of lightweight new energy vehicles. Automotive along with the advancement of automotive lightweight composite materials and the rapid development of new energy vehicles has been widely attention and application of automotive development and application of the composite material ratio gradually increased， so this paper will combine composite materials and the research progress of automobile， from the view point of the vehicle development and application of automotive composite materials application and development of key.

Keywords： Lightweight; Composite Material; Application of composite materials

前言

在汽車“新四化”發(fā)展的背景下，先進復合材料作為輕量化效果最明顯和可靠性最佳的汽車輕量化材料之一，勢必在新能源汽車輕量化進程中擔當重要角色。汽車用復合材料隨著汽車輕量化的推進和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了大力的推廣和研究，車用復合材料的開發(fā)和應用比例也逐步提升，各大汽車廠商紛紛開始進行了車用復合材料的應用與開發(fā)探索。

材料輕量化技術是實現汽車輕量化的重要技術途徑和措施之一，高分子及其復合材料為汽車輕量化提供了關鍵的材料支撐。從20世紀50年代以來，高分子及其復合材料逐漸成為汽車工業(yè)的主要裝飾及結構材料之一。經過70多年的發(fā)展，其應用的廣度和深度不斷提高，應用范圍也從裝飾件逐漸發(fā)展過渡到主承力結構件[1]。

本文以汽車主機廠技術研發(fā)人員對復合材料的認知和應用與實踐為主題。簡要的分析了汽車用先進復合材料開發(fā)與應用的關鍵問題，同時從產業(yè)化的角度對發(fā)展汽車用先進復合材料的關鍵問題提出些許建議，從整車企業(yè)應用與開發(fā)車用先進復合材料的視野詮釋著每一階段所作的些許工作。

隨著國內汽車市場保有量的不斷增高，汽車排放對環(huán)境的影響日益加深，保護環(huán)境是中國長期穩(wěn)定發(fā)展的根本利益和基本目標之一， 為推進《中共中央國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，要堅決打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)，扎實推進凈土保衛(wèi)戰(zhàn)。依據GB27999-2011《乘用車燃油消耗量評價方法及指標》要求至2020年實現平均油耗5.0L/100km，2020年CO2排放118g/ km的《規(guī)劃》目標。經相關機構調研，輕量化技術是最有效的技術手段，材料輕量化技術也將是實現汽車輕量化的重要措施之一。

1 車用復合材料的應用

1.1 汽車輕量化

汽車輕量化是指在保持汽車原有的安全性、舒適性、可靠性等目標符合設計要求的前提下，且汽車本身成本符合設計預期目標，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車節(jié)能減排、降低燃油消耗等性能指標。

材料輕量化技術是指通過采用新型輕質材料，在保證實現原有功能及性能目標的前提下來實現降低重量的技術措施。

在輕量化趨勢的影響下，各種新型材料，如輕質金屬材料（鋁合金、鎂合金）、輕質非金屬材料（低密度、薄壁化）以及先進復合材料將越來越多的應用于汽車的輕量化設計中，在整車的材料組成中比例也將隨之提高。

1.2 汽車用先進復合材料

高分子復合材料按性能高低，可分為通用復合材料和高性能（先進）復合材料。高性能高分子復合材料是采用新技術、新工藝或新設備研制的具有優(yōu)異性能或特殊功能的復合材料。國際上一般是指以碳纖維、芳香族聚酰胺合成纖維（芳綸纖維）、硼纖維等纖維和晶須等高性能增強體與耐高溫的高聚物等基體構成的復合材料，具有高的比強度和比模量、各向異性和可設計性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導電、半導、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、摩擦、吸聲等功能[2]。

復合材料是各向異性的非均質材料，具有如下特點：

（1）比重小，質量輕。密度比鋼、鋁、鎂等金屬材料都低，以碳纖維復合材料舉例，其密度約為1.7g/cm3，而金屬材料中鋼的密度為7.85g/cm3、鋁的密度為2.75g/cm3;

（2）比強度和比模量高。比強度可達鋼的14倍，是鋁的10倍，而比模量則超過鋼和鋁的3倍;

（3）可靠性佳，層壓的復合材料對疲勞裂紋擴張有“止擴”作用，這是因為當裂紋由表面向內層擴展時，到達某一纖維取向不同的層面時，會使得裂紋擴展的斷裂能在該層面內發(fā)散，這種特性使得FRP的疲勞強度大為提高。研究表明，鋼和鋁的疲勞強度是靜力強度的50%，而復合材料可達90%。;

（4）耐磨性好，通過摻入少量的短切碳纖維可大大地提高它的耐磨性，如聚丙烯為其本身的2.5倍;聚酰胺為其本身的1.2倍;

（5）化學穩(wěn)定性優(yōu)良?？砷L期在強酸、強堿等環(huán)境下使用;

（6）耐高溫。纖維增強復合材料中，除玻璃纖維軟化點較低（700～900℃）外，其他纖維的熔點（或軟化點）一般都在2 000℃以上;

（7）設計自由度高?？筛鶕嫿ǖ脑O計目標通過增強材料的分布、層數及纖維種類和樹脂含量實現自由設計。

車用復合材料因其具有質量輕、比強度與比模量高、剛度好，可靠性佳、耐磨性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)良、設計自由度高等特點，更有利于在汽車零部件上推廣應用。

1.3 車用復合材料的應用

車用復合材料隨著汽車輕量化的推進和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的應用。

復合材料應用于汽車行業(yè)最早開始于1953年，車用復合材料起初被應用在少數的汽車發(fā)燒友和商用車輛上使用，汽車發(fā)燒友將其用于改裝和裝飾零件使用;在商用車領域主要在重卡車上使用。

自2013年寶馬推出兩款大量使用碳纖維復合材料的電動汽車i3與i8，隨著i3與i8的量產，開啟了碳纖維復合材料在汽車上應用的風暴，各大汽車廠商紛紛開始復合材料的研發(fā)。

目前車用復合材料在汽車上的應用主要以碳纖維復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、金屬基復合材料（MMC）等為主。

中國品牌主機廠對復合材料的探索主要集中應用在車身、內外飾、底盤傳動、動力總成等系統。典型的系統零部件如下：

內外飾系統：保險杠面罩、后視鏡殼體、擾流板、中網格柵、門內板、儀表板等;

車身系統：上車體，頂蓋和頂蓋橫梁、后地板、車門外板等;

發(fā)動機系統中的進氣歧管、發(fā)動機缸蓋罩、發(fā)動機檔桿、發(fā)動機裝飾罩蓋等;

傳動系統中的傳動軸、制動踏板、離合器片等;

底盤系統中的懸置、擺臂、框架、板簧等。

2 車用復合材料的開發(fā)關鍵

2.1 汽車用復合材料的探索

隨著汽車在國內的銷量和保有量不斷增加以及燃油及能源消耗的不斷上升，國家鼓勵和支持發(fā)展新能源汽車并提供新能源汽車專用補貼。大力發(fā)展新能源汽車，續(xù)航里程是消費者考慮是否購車的關鍵因素之一，在電池能量密度恒定的前提下汽車持續(xù)減重可以提升續(xù)航里程，而車用復合材料可以替代汽車傳統采用的金屬材料以降低汽車整備質量實現減重。各大整車生產制造商也紛紛開始加大研發(fā)投入，探索汽車用復合材料在汽車各系統中的應用并開始尋找適合汽車應用的專用復合材料。經過調研和探索發(fā)現如果直接按照金屬材料的設計目標將傳統的鈑金替換為復合材料是很難實現，而且基于傳統的制造工序也存在許多問題，尤其批量生產制造方面，復合材料的應用還是有局限的，其中包括汽車專用的復合材料研發(fā)、與整車傳統制造工序的結合、復合材料的維修以及和金屬材料的連接和復合材料的回收等問題。

整車企業(yè)對車用復合材料的探索，是從市場調研階段、深入學習階段、實踐消化階段到深化實踐階段和創(chuàng)新應用階段不斷發(fā)展的。

2.2 車用復合材料的開發(fā)關鍵

起初整車企業(yè)研發(fā)人員大多采用“等代替換”的原則來開發(fā)設計復合材料零部件，即采用傳統鋼制部件的結構形式和性能要求作為設計目標和要求。這是因為整車企業(yè)的研發(fā)人員大多對復合材料性能和知識沒有全面的了解，同時目前的設計手冊和設計案例也都是以金屬材料為主而制定的。復合材料主要由基體材料和增強材料兩部分組成，其基體材料及增強材料的特性決定了復合材料的特性。復合材料與金屬材料具有不同的自身屬性，復合材料為各向異性;金屬材料為各向同性。復合材料和金屬材料的失效模式不同，復合材料失效模式復雜多變，屬于漸進式韌性破裂失效，而金屬材料的失效模式為塑性變形導致的屈服斷裂失效。

汽車用復合材料的開發(fā)需要在正向設計的基礎上結合材料、結構、制造工藝、成本等方面進行綜合設計。僅依照結構的設計和忽視材料的設計都不能使復合材料達到最優(yōu)化的設計。同時目前也面臨著復合材料特性參數不足，汽車專用復合材料缺乏，復合材成本較高和復合材料零部件維修及保養(yǎng)等問題。

綜合所述車用復合材料的開發(fā)應在具有汽車專用復合特性數據庫的前提下從選材、制造、噴涂、維修和與金屬材料的連接以及回收等方面進行綜合考慮。汽車用復合材料的相關標準也應逐步完善和制定。

2.3 車用復合材料的開發(fā)建議

按照《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》有關輕量化技術路線的發(fā)展目標指出，預計2026年至2030年實現整車比2015年減重35%，重點發(fā)展鎂合金和碳纖維復合材料技術，實現碳纖維復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用，單車用鎂合金達到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

整車企業(yè)研發(fā)設計人員和材料工程師大都對復合材料沒有深入了解，目前正進入探索和實踐階段，經過近幾年的市場調研及探索，初步具備了復合材料的設計開發(fā)團隊。然而復合材料生產企業(yè)往往對于汽車主機廠的開發(fā)流程、質量體系、供應商管理、供應鏈物流、材料認可及實驗認證均不熟悉。從而形成了主機廠找不到需要的復合材料供應商，復合材料企業(yè)也無法完全滿足主機廠要求這一現象發(fā)生。特別是復合材料供應商到復合材料零部件供應商的身份進階和轉型需要加快，主機廠往往采購的是復合材料零部件而不是復合材料纖維。

所以建議整車企業(yè)逐步深入對復合材料進行研究，并建立研發(fā)項目團隊和人才梯隊以滿足對復合材料的設計要求;同時復合材料企業(yè)目前也要深入到主機廠進行溝通交流，逐步完善相關要求以滿足整車企業(yè)，以實現共同開發(fā)及同步開

發(fā)的要求。

整車企業(yè)作為終端載體，需要對整體產業(yè)鏈負責，鑒于目前復合材料材料性能參數數據不完整，復合材料及零部件試驗檢測方法不完善，復合材料結構設計規(guī)則不統一等多方面應建立相應的體系和流程。

復合材料企業(yè)應推進復合材料的成本優(yōu)化，并可實現由材料至零部件這一過程，按照主機廠要求建立健全質量體系，以滿足整車企業(yè)要求，并深入主機廠開展復合材料的交流以推動其在汽車的應用。

3 結束語

車用復合材料在整車上應用范圍不斷擴展，伴隨著復合材料廠商對汽車專用復合材料加大了研發(fā)投入，汽車專用的復合材料促使了復合材料在汽車上使用范圍和使用量均雙雙上漲。對車用復合材料零部件的開發(fā)需要團隊協作，通過頂層的正向設計結合材料、結構、制造工藝、成本等方面進行綜合設計。復合材料廠商應更早的進階成為復合材料零部件制造商這一身份轉變，在復合材料零件的研發(fā)階段介入主機廠的研發(fā)團隊為車用復合材料零部件的開發(fā)提供技術支持和工藝試制。通過主機廠與復合材料廠商的共同推進，將更快的加速汽車用復合材料產業(yè)化的發(fā)展。

參考文獻

[1] Klaus Friedrich，Abdulhakim A.Almajid.Manufacturing Aspects of Advanced Polymer Composites for ?Autornotive Applications[J]. Applied Composite Materials，2013，20 （2）：107-l28.

[2] Bailey R S，Kraft H A.Study of fiber attrition in the propertiea of long fiber reinforced. Thermoplastics[J] International Polymer Process， 2004，（2）.