0 前言

能源大量消耗、氣候變暖、環(huán)境污染是當今世界面臨的幾大問題，汽車作為消耗能源的大戶，深深影響著能源環(huán)境問題，那么制造出“低能耗”、“低排放”甚至“零排放”是汽車未來的發(fā)展目標。而通過手段使得車身輕量化是降低能耗和排放的有效措施之一。在汽車保證其基本的使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應(yīng)用新設(shè)計、新材料、新技術(shù)來實現(xiàn)對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉(zhuǎn)變。

目前一些新型材料的出現(xiàn)和技術(shù)的提升，實現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使部件薄壁化、中空化、小型化或復(fù)合化；新材料的使用，輕量化材料主要有復(fù)合材料、鋁鎂合金、高強度鋼、陶瓷以及工程塑料等；先進的制造工藝技術(shù)，工藝的改進，主要包括成形技術(shù)和連接技術(shù)，有激光拼焊、超聲波焊等。

常用的輕量化方法是結(jié)合幾種新型材料或者零部件完全用輕量化材料制作，這樣達到理想的輕量化結(jié)果。但是為了安全性能，在汽車整體性能不下降甚至有上升的前提下，最大程度的減輕車身以及各零部件的質(zhì)量。同時因為復(fù)合材料加工成型復(fù)雜而且成本較高，國內(nèi)外在大力研究其生產(chǎn)簡便降低成本的成型模式。

汽車車身主要是承載式車身和非承載式車身，非承載式車架承受了各種作用力，很大程度上保護底盤不受損傷，車身與車架之間設(shè)計很多減震裝置，降低車身振動，改善車內(nèi)噪音，但是車身重量大，在節(jié)能減排輕量化的趨勢下，現(xiàn)已逐步被承載式車身取代。承載式車身沒有貫穿整個車輛縱向的大梁，重量小、高度低、車內(nèi)空間利用率大、操控性好、行駛穩(wěn)定性好、裝配容易等優(yōu)點，因此大部分轎車采用這種車身結(jié)構(gòu)。

對于車身結(jié)構(gòu)各部件，現(xiàn)在的汽車材料多元化，會涉及到多種材料的連接，連接方式及工藝有很多種，主要有膠連、鉚連、螺栓連接、激光焊接、超聲波焊接、攪拌摩擦焊接、磁脈沖連接等，但是多數(shù)連接都是主要針對金屬材料和非金屬材料的連接，連接一般出現(xiàn)在復(fù)合材料的主要結(jié)構(gòu)與金屬部件或零件的過渡部分。由于復(fù)合材料的成本和性能方面的差異，大部分情況仍須與金屬材料相配合，采用傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)連接方法不可行，還得尋求他法。

煤粉儲倉壁面與樓板之間以及煤粉儲倉與安裝支架之間都應(yīng)留有合理間隙，不得有任何接觸或卡死現(xiàn)象，以免稱重系統(tǒng)不能工作。

1 輕量化材料

1.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一種力性能較好的復(fù)合材料，含碳量較高，具有耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，比重不到鋼的1/4，抗拉強度為鋼的7-9倍，疲勞強度也遠高于鋼。碳纖維復(fù)合材料的能量吸收率比其他材料都高，達到了120kJ/kg，比強度、比模量、拉伸模量都較其他復(fù)合材料較高。與鋁合金材料相比，碳纖維復(fù)合材料減重效果可達到20%-40%，與鋼質(zhì)材料相比，碳纖維復(fù)合材料的減重效果甚至可達到60%-80%。碳纖維復(fù)合材料的輕量化，使得新能源汽車實現(xiàn)降低油耗、減少排放的目的，將成為未來汽車發(fā)展方向。

目前碳纖維復(fù)合材料還存在一些挑戰(zhàn)：

工程塑料在交通運輸、電子電器、醫(yī)療、機械建筑等行業(yè)應(yīng)用較多，能承受一定的外力，具有優(yōu)良的機械性能，質(zhì)量輕、能減振緩沖并吸收噪音、耐蝕、耐高、耐寒性能，較強的抗拉性能，因其化學性能穩(wěn)定，更容易成型，尺寸穩(wěn)定性比較好。其成本低廉、易加工成型，使用時間長，加工更加方便，國家提倡綠色環(huán)保和減少排放量，因此工程塑料已逐漸取代傳統(tǒng)金屬零部件，在汽車上的零部件需求量也是急劇增加。

(2)目前阻礙復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化運用的一個重要因素是生產(chǎn)效率問題，目前較成熟的環(huán)氧類快速熱固性樹脂最快固化時間為3min以內(nèi)，即生產(chǎn)節(jié)拍為3min/件，而鋼板沖壓零件的生產(chǎn)節(jié)拍是6-20件/min，對于大批量生產(chǎn)的整車工業(yè)而言，這是很大的瓶頸。

(3)就原材料成本和生產(chǎn)成本而言，得到一個碳纖維復(fù)合材料制件是鋼材制件的10倍以上，降低成本是碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的最大挑戰(zhàn)。

ABAB動詞重疊式也有很多。如：卡巴卡巴、試巴試巴、墊巴墊巴、擰哧擰哧、哽嘰哽嘰、呱唧呱唧等等。此類多為AB的重疊，而AB多為合成詞，少數(shù)是兩個詞根組合而成。根據(jù)AB能否獨立使用可以將ABAB式分為兩種情況：

膠結(jié)是用膠粘劑將幾種材料粘在一起，因其沒有鉆孔，可以避免其他連接方式引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致的破裂斷裂，不會破壞材料的強度，其連接效率高、結(jié)構(gòu)輕，連接件成本較低；抗疲勞、減振、密封及絕緣性能好、安全性高。但是其強度分散大，剝離強度較低，難以傳遞較大載荷；缺少可靠的檢測方法，膠結(jié)質(zhì)量難以把控，可靠性不高；因其是不可拆卸的永久性連接，修補較困難，材料回收難度較大。這種工藝比較適用于不拆除結(jié)構(gòu)件、平板類。

1.2 玻璃纖維復(fù)合材料

玻璃纖維復(fù)合材料中，玻璃纖維雖然強度高，但纖維間松散，形不成堅固形體，與基體材料、增強材料的結(jié)合，這樣能承受拉力、彎矩及反力，以承擔較大的應(yīng)力和載荷，能有效吸收能量，具有更優(yōu)異的力學性能。玻璃纖維復(fù)合材料密度比金屬材料小，比強度又高于金屬材料，比模量略差于金屬材料，這些優(yōu)異的性能是符合輕量化要求的。其設(shè)計自由度高，可根據(jù)不同的要求設(shè)計出復(fù)雜的汽車配件。

(1)玻璃纖維與基體材料性能上的差異導(dǎo)致不易相容，容易脫層，極易造成配件表面不美觀。

但是在汽車應(yīng)用上玻璃纖維復(fù)合材料存在一些制約因素：

國內(nèi)相關(guān)研究提出缺陷預(yù)防方法，制孔工藝的基本規(guī)范，針對多孔連接強度、載荷分配以及應(yīng)力集中問題，應(yīng)用Faber級數(shù)理論和各向異性體彈性力學理論分析，有效的解決了現(xiàn)今存在對于復(fù)合材料層合板的任意排列多孔機械問題，通過對復(fù)合材料螺栓連接頭進行仿真優(yōu)化設(shè)計，制定了一套復(fù)合材料連接頭的設(shè)計標準。

目前美國研究出新型碳纖維復(fù)合材料，其很適用于高速率、成本敏感的成型工藝，新型碳纖維復(fù)合材料有良好的織物可成形特性，推動了碳纖維復(fù)合的進一步發(fā)展，可能降低碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本，使其更適合于在汽車車身大批量采用。

相比較前兩種連接工藝，現(xiàn)在的焊接技術(shù)不斷發(fā)展，無處不在，快速、高效、工藝簡單。研究表明，高分子材料的各種焊接技術(shù)中，對于熱塑性復(fù)合材料來說，激光焊接和超聲波焊是最常用、最有效的兩種連接方法。

1.3 工程塑料

(1)整車公司有大量的鋼材車身設(shè)計和制造經(jīng)驗，但復(fù)合材料方面基本處于空白狀態(tài)，還需與復(fù)合材料研發(fā)和制造企業(yè)合作開發(fā)。

適用于內(nèi)飾件的塑料也是工程塑料，不僅有裝飾性，也得滿足其安全性、耐環(huán)境變化、韌性等。車內(nèi)飾件主要有儀表盤、立柱、車門、座椅等部件。發(fā)動機周圍件也應(yīng)用了工程塑料，比如散熱器、皮帶等，這些需要更好的特性，因此加入一定的增塑劑，來滿足長期的耐熱、耐磨、高強度低脆性等特性，同時還需便于回收，節(jié)約成本。汽車燃油箱、燃油管等也采用是工程塑料，重量輕、強度高、可塑性好，可根據(jù)底盤布置，塑成合適的形狀，這樣提高底盤空間利用率，同時也會因使用工程塑料，避免一些摩擦碰撞火花的產(chǎn)生，提高了安全性。

2 復(fù)合材料連接工藝

2.1 膠結(jié)工藝

成像面前后位置，光柵像平面模糊，其光強分布Id(x,y;di)可由光柵在像平面的光強分布I0x(x,y)與位置di處的系統(tǒng)點擴散函數(shù)h(x,y,di)的卷積得到，表示為

最終，這就是“數(shù)碼攝影”，它以有趣而獨特的方式綜合、分析宇宙的各個方面，而非起步于神話般的完整性，再把事物凍結(jié)在二維的矩形里——正如盲人摸象時感到的困惑。[1]194

復(fù)合材料膠結(jié)的接頭設(shè)計形式主要有斜面嵌接、階梯搭接、雙搭接、單搭接四種形式，如圖1。根據(jù)膠結(jié)件的功用、位置、強度要求等選擇采用哪種連接方式。當膠結(jié)件比較薄時，可采用單搭接。但是當兩個膠結(jié)件剛度不等時，單搭接的偏心效應(yīng)較大，應(yīng)盡量避免使用單搭接。對于中等厚度板，采用雙搭接或雙搭接版連接比較合適。當膠結(jié)件很厚時，由于偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩增大，須選用斜面或階梯形連接。

2.2 機械連接工藝

機械連接是傳統(tǒng)連接技術(shù)中應(yīng)用最普遍的，也是最成熟的連接技術(shù)之一，可靠性高、可重復(fù)裝配、維修便捷等優(yōu)點。但是這種連接不宜適用在復(fù)合材料件上，例如在復(fù)合材料件上進行鉆孔，通過螺栓或者鉚釘進行連接，但鉆孔可能會造成孔處應(yīng)力比較集中，可能會導(dǎo)致復(fù)合材料件斷裂，降低連接效率，通過鉚釘連接，鉚釘接頭與腐蝕介質(zhì)接觸后，可能會造成電化學腐蝕，使得其化學性能退化，從而影響到連接處的強度和剛度。

嘗試提取和分離血液中的血紅蛋白，體驗從復(fù)雜體系中提取生物大分子的基本過程和方法；通過了解有關(guān)蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的新進展，以血紅蛋白為實驗材料，學習提取和分離蛋白質(zhì)的基本技術(shù)，激發(fā)學生興趣，培養(yǎng)學生的實際操作能力。

歐美國家研究對相關(guān)于二維力學模型以及數(shù)值解析方法對機械連接結(jié)構(gòu)進行試驗分析，不斷地提升其理論模型和分析方法，形式一套復(fù)合材料特有的機械連接設(shè)計方法和理論。采用有限元分析軟件，三維建模和仿真，優(yōu)化了復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，使其設(shè)計更合理可靠，并減少了試驗數(shù)量，大大降低了針對復(fù)合材料研究的成本。

(2)因玻璃纖維在基體中易產(chǎn)生取向不均，增大各材料的收縮差異，降低收縮率，產(chǎn)生翹曲變形，導(dǎo)致構(gòu)件無法裝配。

2.3 焊接工藝

鄉(xiāng)農(nóng)科站來了一位新站長，這在全鄉(xiāng)引起了不大不小的轟動。原因是，新來的女站長不僅青春靚麗，還是農(nóng)大畢業(yè)生。她說話算話、吃苦耐勞，給鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)科學生產(chǎn)解決了許多難題，辦了很多實事，這不得不讓幾個曾經(jīng)的“大學漏子”刮目相看。在她的帶動下，幾個原來渾渾噩噩、無所事事的青年逐漸厭倦從前游手好閑的生活，開始腳踏實地地學知識，并悄悄地關(guān)注著她。作者用近乎完美的人物創(chuàng)設(shè)向我們展現(xiàn)了新時代的有為青年在社會主義新農(nóng)村建設(shè)中的重要帶動作用，而結(jié)尾處的留白則讓人產(chǎn)生無限遐想。

激光焊接使用激光束將小毫米的材料間隙焊接在一起，熱量會將邊緣融化，冷卻凝固后連接，焊縫小、速度快、沒有碎屑、遠距離工作、極易實現(xiàn)自動化，激光連接技術(shù)只能實現(xiàn)金屬間、金屬與熱塑性復(fù)合材料的連接，應(yīng)用在較薄的板材材料的焊接較多。

研究表明，以上高分子材料的各種焊接技術(shù)中，超聲波焊對于熱塑性復(fù)合材料是一種最常用、最有效的連接方法。超聲波焊不是傳統(tǒng)的焊接，是固態(tài)焊接工藝，沒有火花電弧，是通過超聲波發(fā)生器將電流先轉(zhuǎn)換成高頻電能，在經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)換成同等頻率的高頻振動，傳遞在兩層或者多層復(fù)合材料板之間，一定壓力下通過他們之間的摩擦變成熱能，產(chǎn)生大量的熱量，材料加熱最終成為液體，熔化的材料在焊頭震動與擠壓下橫向流動到未熔化的區(qū)域形成焊核，冷卻后獲得工件的有效連接。超聲波焊技術(shù)操作簡便，快速效率高，安全易控制，易于實現(xiàn)自動化，不涉及化學反應(yīng)，無火花，非常綠色環(huán)保，熔合強度高，而且對材料無過多要求，可以實現(xiàn)塑料、金屬、織物之間的焊接。但是超聲波焊接的好與壞取決于焊頭、壓力大小和時間長短，三者數(shù)值匹配適宜，焊接壓力過小材料之間的接觸不緊密，會導(dǎo)致焊接處強度過低；壓力過大會對材料表面易變形，會造成熔體擠出過多引起焊接處強度下降。焊接時間與焊接能量呈線性關(guān)系，時間越長能量越高。但是時間過長會導(dǎo)致能量過剩，焊接表面會出現(xiàn)較深的焊痕，焊縫會出現(xiàn)飛邊，最終導(dǎo)致接頭強度降低。

2.4 復(fù)合材料連接進展

目前國內(nèi)外對于碳纖維復(fù)合材料間的連接常采用引入中間過渡層的連接方法，比如固相擴散連接、活性金屬釬焊和玻璃連接等。

固相擴散連接實質(zhì)是壓力焊，是在高溫高壓下，中間層材料發(fā)生原位化學反應(yīng)，發(fā)生塑性變形，連接處相互靠近，元素相互擴散，面積逐漸增大，形成穩(wěn)定的界面層連接起來，下圖3為固相擴散連接過程圖。中間層材料多采用高溫合金和陶瓷粉體，或者是陶瓷的有機前體。中間層材料的加入，可以改變接觸面積，減小擴散連接時的壓力；加速元素的擴散，使得擴散空間減??；降低雜物的形成；提高連接處的強度。

活性金屬釬焊是利用Si、Ti 、Zr 、Pd等活性元素具有很強的化學活潑性，與碳纖維復(fù)合材料基體發(fā)生反應(yīng)，通過在連接處形成穩(wěn)定的反應(yīng)層或改善連接處表面的潤濕性而獲得高強度的連接。使用金屬化合物TiSi

對3D碳纖維復(fù)合材料進行連接，在TiSi

熔點附件保溫2分鐘，可以獲得SiC、TiC 和TiSi

等反應(yīng)物。研究表明高溫釬料中增加活性元素Ti、Cr、V的含量，會在連接處產(chǎn)生擴散產(chǎn)物TiC、Cr

C

、V

C,從而起到改善釬料的潤濕性，提高連接處的強度。

第三，有悟性的人找規(guī)律，找關(guān)鍵，再去學習人家是怎么干的。有了前面的兩點，才學得對、學得快。很多人是反過來做的，先去學，但目的是朦朦朧朧的，實際也是朦朦朧朧、似是而非的。

一是建立橫向溝通機制。資金專責小組要在切實履行責任的同時積極加強與其他各專責小組之間的溝通協(xié)作，建立信息共享機制平臺，推動解決脫貧攻堅的共性和個性問題，形成工作合力。

玻璃連接可以通過調(diào)整玻璃組分，制備出與連接母材膨脹系數(shù)相匹配的玻璃材料。研究工作人員使用硅溶膠高溫裂解在材料表面形成β-SiC 層，SiC有很好的物理化學特性，有很好的潤濕性，再采用SABB玻璃對碳纖維復(fù)合材料進行連接，在1200℃溫度左右，保溫1小時可獲得性能較好的連接接頭。

3 總結(jié)

本文簡述了幾種汽車輕量化復(fù)合材料及各材料之間的連接工藝，不同工藝的優(yōu)缺點，國內(nèi)外研究內(nèi)容方法和進展情況。通過本文的研究分析，在汽車輕量化復(fù)合材料連接工藝中，分析復(fù)合材料的特殊性，車身結(jié)構(gòu)的不同，采用不同的復(fù)合材料，選擇合適的連接方式，來提高質(zhì)量強度。

[1]段書用. 面向車身應(yīng)用的LGFRP復(fù)合材料制備工藝及力學性能研究[D].湖南大學，2016.

[2]袁程峰.電動汽車車身骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料連接設(shè)計及工藝分析[D].湖南大學，2018.

[3]陳龍陽.基于超聲波焊接技術(shù)的C_f/PA6復(fù)合材料的連接及粘接質(zhì)量檢測與修復(fù)[D].鄭州大學，2017.

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[5]于躍.碳纖維復(fù)合材料/鋁合金沖鉚接合研究.[D].燕山大學，2019