印明勛 劉瑩 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，節(jié)能減排已經(jīng)成為了世界汽車界的主要研究熱點(diǎn)。汽車質(zhì)量過大，不但會(huì)影響其動(dòng)力學(xué)性能，而且會(huì)增加燃油消耗。在保證汽車結(jié)構(gòu)安全的前提下，車身輕量化是解決上述問題的最好辦法。復(fù)合材料具有密度小、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、比模量高以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到汽車生產(chǎn)商的關(guān)注，也是汽車界公認(rèn)的能夠代替金屬材料的首選材料[1]。復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料共同組成。一般情況下，根據(jù)基體材料的不同，可將復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料三大類。其中，樹脂基復(fù)合材料比鋼鐵材料輕50%，比鋁材輕30%，在眾多復(fù)合材料中，其輕量化效果尤為明顯，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。

1 樹脂基復(fù)合材料

1.1 分類

樹脂基復(fù)合材料是以合成樹脂為基體，以纖維為增強(qiáng)體，通過人工合成技術(shù)制成的一種新型材料，也被稱為纖維增強(qiáng)塑料（FRP）。一般情況下，樹脂基體包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類；增強(qiáng)纖維包括碳纖維、玻璃纖維、芳基纖維、硼纖維以及天然植物纖維等。無論是熱固性樹脂還是熱塑性樹脂，在加入增強(qiáng)纖維以后其性能都會(huì)有很大程度的提高。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是在熱固性樹脂中加入含碳量超過90%的碳纖維編織物而形成的一種新型材料[2]。由于編織物中的碳纖維均為長纖維，因此該復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度和拉伸破壞強(qiáng)度高、耐久性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，且密度低（相當(dāng)于普通碳鋼結(jié)構(gòu)的1/5～1/4），被用于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件。由于該復(fù)合材料的制造成本較高，主要被用于F1賽車、高級(jí)轎車以及小批量生產(chǎn)的車型中。圖1示出由樹脂基碳纖維復(fù)合材料制作而成的汽車排氣管。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）俗稱玻璃鋼，是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，通過高溫加壓所制成的一種新型材料[3]。該復(fù)合材料制造成本低、吸能性好、耐腐蝕性強(qiáng)及減振降噪效果好，是目前汽車工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種復(fù)合材料，主要用于制造車身結(jié)構(gòu)件、覆蓋件以及發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件。

長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（LFT）是在熱塑性樹脂或改性熱塑性樹脂中加入芳基纖維或硼纖維等長度大于5 mm的纖維，經(jīng)過壓縮成型得到的一種新型材料[4]。由于該種復(fù)合材料內(nèi)部的增強(qiáng)纖維較長，能夠在樹脂基體中形成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在提高材料的抗沖擊性能和抗蠕變性能方面有顯著效果，使得利用該復(fù)合材料制成的汽車零部件變形更小、力學(xué)性能更加穩(wěn)定，目前主要用于制造汽車門板、儀表板以及行李架等部件。

此外，還有通過在樹脂基中加入銅及不銹鋼等金屬纖維加工制造而成的新型復(fù)合材料，但是由于該類復(fù)合材料的加工工序復(fù)雜且制造成本很高，其應(yīng)用受到很大程度的限制。

1.2 特點(diǎn)

1.2.1 比強(qiáng)度和比模量高

大部分的樹脂基復(fù)合材料都具有較高的比強(qiáng)度和比模量。例如，大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度極限的30%～50%，而樹脂基復(fù)合材料可達(dá)到60%～80%。利用在樹脂基中同時(shí)加入碳纖維和玻璃纖維而形成的復(fù)合材料制作成汽車減振彈簧片，其剛度和承載能力與質(zhì)量是其4倍的鋼制彈簧片相同[5]。表1示出樹脂基復(fù)合材料與高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能對(duì)比情況。

表1 樹脂基復(fù)合材料與高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能對(duì)比表

1.2.2 相對(duì)密度小

樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5～2.0 kg/m3，是普通碳鋼密度的1/4～1/5，而其力學(xué)性能以及機(jī)械強(qiáng)度卻與碳鋼水平相當(dāng)。利用CFRP制成的汽車彈簧片質(zhì)量為14 kg，在保證強(qiáng)度水平的情況下，比利用合金鋼制成的彈簧片的質(zhì)量減輕70%左右，且耐磨性比合金鋼更好。這一特性對(duì)于復(fù)合材料在汽車輕量化應(yīng)用方面是非常重要的[6]。

1.2.3 耐腐蝕性強(qiáng)

樹脂基復(fù)合材料不僅在物理性能方面有著顯著的優(yōu)勢，其化學(xué)性能也非常穩(wěn)定。樹脂基體和各種非金屬纖維增強(qiáng)材料都具有耐強(qiáng)酸、耐強(qiáng)堿、耐強(qiáng)鹽以及耐強(qiáng)酯等特性，因此使得樹脂基復(fù)合材料制件能夠適應(yīng)多種外界條件。與金屬材料相比，其具有更長的使用壽命。

此外，樹脂基復(fù)合材料還具有耐高溫和低溫、抗沖擊性強(qiáng)以及一體化成型性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 成型方法

1.3.1 樹脂傳遞模塑法

樹脂傳遞模塑法是指在模具的型腔內(nèi)預(yù)先放置好纖維增強(qiáng)材料，合模夾緊以后，在一定的溫度及壓力下將配好的樹脂注入模具中，使之與增強(qiáng)材料一同固化，最后啟模、脫模得到成型制品。該方法無需膠衣涂層即可使構(gòu)件雙面光滑，成型方法簡單，制造出的產(chǎn)品表面品質(zhì)高、內(nèi)部孔隙率低，是當(dāng)今復(fù)合材料工業(yè)中普遍使用的一種方法[7]。圖2示出樹脂傳遞模塑成型設(shè)備。

圖2 樹脂傳遞模塑成型設(shè)備

1.3.2 高溫模壓法

高溫模壓法是將纖維預(yù)浸料平整地鋪設(shè)在上下模具之間，將模具合實(shí)密封后，置于液壓成型臺(tái)上，在熱壓機(jī)上經(jīng)過一定時(shí)間的高溫高壓，使樹脂和預(yù)浸料固化，最后從熱壓機(jī)上取下成型制品。該成型工藝具有高強(qiáng)度、高精度以及受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，適用于批量化、標(biāo)準(zhǔn)化的制件生產(chǎn)。

1.3.3 真空熱壓罐法

真空熱壓罐法是將復(fù)合材料的坯料鋪設(shè)在涂抹脫模劑的模具表面，然后依次用脫模布、吸膠氈、透氣氈完全覆蓋，并密封于真空袋內(nèi)，真空后放入熱壓罐內(nèi)，經(jīng)高溫、加壓、固化等程序后，獲得成型制品。該成型工藝使用的模具相對(duì)簡單，且生產(chǎn)效率較高，適用于生產(chǎn)大面積復(fù)雜型面的蒙皮、壁板和殼體。

此外，樹脂基復(fù)合材料的成型方法還有噴射成型法、層壓成型法、拉擠成型法、真空倒入法以及纖維纏繞法等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料的成型工藝不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中不是單一地使用某種工藝，往往是多種工藝共同使用，以實(shí)現(xiàn)資源配置的最大優(yōu)化。

2 樹脂基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

由于樹脂基復(fù)合材料本身優(yōu)異的力學(xué)性能及相對(duì)簡單的加工工藝，使得其在德系、美系以及日系等很多車型中均有應(yīng)用，并且應(yīng)用范圍在不斷加大。

2.1 在車身及覆蓋件上的應(yīng)用

近年來，樹脂基復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用越來越廣泛。在眾多的復(fù)合材料當(dāng)中，CFRP的各項(xiàng)力學(xué)性能均非常出色，其密度小、強(qiáng)度大，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，又能保持其防撞性能，因而被認(rèn)為是制造車身覆蓋件最理想的非金屬材料。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工成本相對(duì)較高，過去主要應(yīng)用于賽車以及跑車的車身覆蓋件上。近年來，隨著復(fù)合材料工業(yè)的不斷發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，CFRP的加工成本大幅降低，各大汽車廠商不斷加大對(duì)CFRP的應(yīng)用。

2011年，寶馬公司采用樹脂基碳纖維復(fù)合材料制作電動(dòng)汽車BMWi3車身，整車質(zhì)量一度降低至1 224 kg，如圖3所示，2個(gè)人可以輕松地抬起，而與其續(xù)航能力相當(dāng)、使用金屬材料車身的東風(fēng)啟辰晨風(fēng)和北汽新能源ES210的整車質(zhì)量分別為1 494 kg和1 760 kg。該車充電3 h可行駛113～177 km，一次充滿電最遠(yuǎn)可行駛257 km，最高車速可達(dá)160 km/h，0～100 km/h起步加速時(shí)間僅需要不到8 s。

圖3 BMW i3碳纖維復(fù)合材料車身

除白車身之外，樹脂基復(fù)合材料在很多車型的其他車身覆蓋件上均有應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代，美國通用汽車公司就開始利用樹脂基復(fù)合材料制造各類車身覆蓋件，通用雪佛蘭“子彈頭”的車身頂蓋、前翼子板、車門以及后側(cè)板等部件采用樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料制造，這一應(yīng)用在減重、吸能、耐腐蝕以及減振降噪等方面都取得了很好的效果；通用雪佛蘭Corvette Z06轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制成，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，內(nèi)板為碳纖維片狀模塑料（Sheet Molding Compound,SMC）和低密度玻璃纖維SMC混合制成，最終使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量僅為9.3 kg。此外，福特旗下的林肯大陸車型的前保險(xiǎn)杠以及后行李箱蓋均采用玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料，寶馬公司M3系列車型的頂蓋為碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造，日產(chǎn)汽車公司的“Skyline GT-R”車型的外裝材料和豐田汽車公司的“MARKⅡ”車型的內(nèi)飾材料采用碳纖維復(fù)合材料。國內(nèi)的一些大型豪華客車車型上對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料均有不同程度的應(yīng)用，包括保險(xiǎn)杠、翼子板、導(dǎo)流罩以及側(cè)裙板等。

2.2 在底盤結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

對(duì)于底盤、橫縱梁等主承載構(gòu)件而言，為了保證足夠的安全性能，汽車廠商要選擇強(qiáng)度、剛度和吸能性均很出色的材料來制造，樹脂基碳纖維復(fù)合材料密度小、耐沖擊、抗疲勞，成為制造主承載構(gòu)件的最佳選擇。

2003年，戴姆勒-克萊斯勒公司利用碳纖維復(fù)合材料制造Dodge Viper跑車的擋板支架，這也是碳纖維復(fù)合材料首次應(yīng)用在汽車底盤和車身外部構(gòu)件上。該車使用的碳纖維復(fù)合材料中混合了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的碳纖維碎屑，相對(duì)密度只有1.4，利用該材料生產(chǎn)的擋板支架的單件質(zhì)量僅為1.93 kg。這種材料可用在2個(gè)較小的支架和2個(gè)車頭支架上，組成完整的擋板支架系統(tǒng)，其總質(zhì)量為6.1 kg，比金屬擋板支架系統(tǒng)減輕了18 kg，同時(shí)也減少了15～20個(gè)金屬零件的使用。值得注意的是，碳纖維復(fù)合材料擋板支架的厚度雖然只有2 mm，卻足以支撐整個(gè)車身前端。

近年來，樹脂基復(fù)合材料在汽車底盤上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使用車型不斷增加。梅賽德斯-奔馳、保時(shí)捷以及法拉利等汽車制造商在多款高性能車的底盤上使用碳纖維樹脂基復(fù)合材料。豐田雷克薩斯LFA跑車底盤結(jié)構(gòu)的65%為碳纖維樹脂基復(fù)合材料。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）與名古屋大學(xué)國立復(fù)合材料研究中心（NCC）成功研發(fā)了世界首個(gè)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車底盤。德國研究人員利用熱塑性GFRP成功制造出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)底部托盤，如圖4所示，該底部托盤比原鋼制底部托盤減重60%，且具有更好的耐沖擊性能和隔聲性能。

圖4 德國研制的玻璃纖維發(fā)動(dòng)機(jī)底部托盤

2.3 在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)零部件與金屬材料制品相比，不但質(zhì)量輕，而且具有隔熱、減振降噪、降低燃油消耗并增加有效載荷等優(yōu)點(diǎn)。通用汽車公司早在20世紀(jì)90年代就開始利用GFRP制造多款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門罩；寶馬汽車公司將GFRP制造的進(jìn)氣歧管應(yīng)用在6缸發(fā)動(dòng)機(jī)上；寶馬735i轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體采用GFRP進(jìn)行制造，提高了制品的高溫穩(wěn)定性；奧迪A4轎車新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥使用了含30%玻璃纖維的復(fù)合材料，使得該款發(fā)動(dòng)機(jī)具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性；沃爾沃采用玻璃纖維SMC復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼。

2.4 在板簧上的應(yīng)用

采用樹脂基復(fù)合材料制造汽車板簧，在減重的同時(shí)，也提高了汽車的“安全斷裂”性能。當(dāng)汽車嚴(yán)重超載或在崎嶇路面受到強(qiáng)烈沖擊時(shí)，樹脂基復(fù)合材料板簧會(huì)沿長度方向分層裂開，雖然結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，剛性大幅度降低，但是這一吸能作用卻保證了車軸基本保持原狀而不發(fā)生錯(cuò)位，使空載汽車能夠安全開到修理廠。通用汽車公司利用長纖維纏繞工藝制造復(fù)合材料板簧，并應(yīng)用在旗下的多款卡車上。JEEP牧馬人在10年前就開始使用樹脂基纖維增強(qiáng)材料制造汽車板簧。近年來，沃爾沃也開始應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行板簧制造，并應(yīng)用到XC60車型上，獲得了很好的減振效果。

2.5 在其他結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

除了上述結(jié)構(gòu)，樹脂基復(fù)合材料還被應(yīng)用到汽車的很多其他結(jié)構(gòu)上。保時(shí)捷911 Turbo、新一代福特野馬GT350R都配備了碳纖維樹脂基輪轂，質(zhì)量僅為8.6 kg，比鋁合金輪轂減重40%，在減輕質(zhì)量的同時(shí)還能夠吸收大量的撞擊能，且碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維絲束編制而成，能夠看到其表面的紋路，更具美觀性；F1賽車中使用的碳纖維復(fù)合材料制動(dòng)盤，耐磨、耐疲勞且抗高溫，賽車在高速行駛時(shí)的制動(dòng)操作會(huì)使制動(dòng)盤溫度上升至900℃，一般的材料很難承受，而碳纖維制動(dòng)盤能夠承受2 500℃的高溫，具有優(yōu)秀的制動(dòng)穩(wěn)定性；豐田、奧迪、奔馳等汽車制造商將碳纖維樹脂基復(fù)合材料傳動(dòng)軸應(yīng)用到各自旗下的多款汽車上，減重的同時(shí)很大程度地改善了NVH性能。除此之外，樹脂基復(fù)合材料還被應(yīng)用到汽車座椅、地板、儀表板、前端支架、備胎架、車門把手等多個(gè)部位，且都獲得了比較理想的使用效果。

3 結(jié)論

隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高以及各國環(huán)保法規(guī)的相繼出臺(tái)，節(jié)能減排、綠色低碳成為了未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向。樹脂基復(fù)合材料密度低、強(qiáng)度大、耐腐蝕、抗疲勞，已經(jīng)被作為金屬材料的替代品應(yīng)用到汽車的多個(gè)部位，并取得了良好的效果。樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)車身輕量化、提高燃油利用率、減少尾氣排放的主要途徑，如果其回收利用和加工成本問題能夠得到很好的解決，則可以預(yù)測，在不久的將來，樹脂基復(fù)合材料將會(huì)被更大范圍地應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中。