简谈复合材料在汽车轻量化中的应用

1.概述

复合材料, 因为具有材料性能可以设计、比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好等优点, 在汽车上的应用比例日益增多, 成为汽车轻量化技术的必要手段之一。复合材料ツ是指用人工方法将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。

各材料之间有明显的界面, 各组分的形状比例和分布均能人为地控制, 其性能优于各组分单独存在时的性能,具有协同增强的特点.

复合材料在工程上应用始于20 世纪30 年代, 人们用粘胶纤维增强制成帘子线轮胎。现代复合材料的第一代是玻璃纤维增强塑料, 已广为使用。第二代是碳纤维增强树脂基复合材料, 已从应用得非常成熟的航空航天等领域转向汽车。

第三代除采用高性能的碳纤维、硼纤维外, 还发展了比强度、比模量更高的有机纤维 复合材料。近年来, 纳米复合材料发展很快, 已逐步进入实用阶段。纳米复合材料被人们誉为21 世纪新材料 。

2.复合材料的组分及特征复甘材料通幂是由基体和增强体复甘咖成。聚甘物复合材料基体可分为热固性和热塑性两大类, 其中又以热固性树脂为主, 主要品种有环氧树脂、不饱和聚酷树脂和酚醛树脂等。热塑性树脂基体主要有聚酞胺、聚乙烯、聚碳酸醋、聚甲醛等。最新型的聚醚醚酮是20 世纪80年代发展起来的一种高性能树脂基体, 它兼具热固性树脂的耐热性、化学稳定性和热塑性树脂的成型性, 是一种有极大发展前途的新型复合材料树脂基体。增强材料是复合材料的主要承力组分, 它能大幅度地提高基体树脂的强度和弹性模量, 而且能减少复合材料成型过程中的收缩, 提高热变形温度.

复合材料中的增强用纤维主要有玻璃纤维、碳纤维等, 其中应用最广泛的是价格相对低廉的玻璃纤维。复合材料的性能主要取决于基体的性能、增强材料的性能以及基体与增强材料之间的界面性能。其性能优于单一组分的材料。

3.在汽车中应用发复合材料

汽车上常用的玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5 一.2 0 岁c m , , 只有普通碳钢的1 5 一14/, 比铝合金还要轻13/ 左右, 而机械强度却能超过 ﭢ普通碳钢的水平。若按比强度计算, 玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅大大超过碳钢, 而且可超过某些特殊的合金钢。碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度, 因此具有更高的比强度。目前, 复合材料主要应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险横杠、板弹簧、座椅架、驱动轴等部件的设计与制造, 并日趋广泛。下面介绍两种汽车上常用的复合材料

3.1 S M C 片状模塑料是以不饱和聚醋树脂为勃结剂制成的一种模塑料。制备方法是在不饱和聚酷树脂中加人增稠剂、无机填料、引发剂、脱模剂和颜料等组分配制成的树脂混合物, 浸渍短切纤维或毡片, 上下两面覆盖聚乙烯薄膜, 经增稠后制得薄片状膜塑料。它是20 世纪60 年代发展起来的一种新型的热固性复合材料、模压材料。S M C是汽车玻璃钢部件加工普遍的方法。一般S M C最适合承受应力不大的外壳部件, 在受冲击至破坏对形变能量大、永久变形小, 不生锈, 质量轻。

3.2 G M T 玻璃纤维毡增强热塑性材料是一种以热塑性树脂为基体, 以玻璃纤维毡为增强材料的复合材料, 是增强复合材料中的一支新秀, 较热固性增强复合材料比有许多优点: 物理性能、机械性能优越、加工成™型方便, 成本较低, 可回收重复使用, 符合环境保护要求。它❣一经出现, 就受到国外汽车工业的青睐, 就认为是2 0 世纪汽车工业的最大突破之一。

4.复合材料应用实例

玻璃纤维增强塑料俗称 玻璃钢 , 具有质量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘、耐瞬时高温、传热慢、隔音、防水、易着色、能透过电磁波、成型方便、具有可设计性等优点, 被广泛用于生产保险杠、车顶盖、导流罩、电瓶托架、挡泥板、前脸部件、裙边部件及车身壳体等。车门作为汽车车身中精度最高、配合最多的部件, 用玻璃钢材料制造在设计上有特殊的难度。车门结构如图5所示。其中车门盖板分组件是车门组件中所有零部件配合的核心, 它由车门内外盖板部件组成。

5.结语

复合材料的发展如此迅猛的最主要的原因是投资少, 见效快。其每千克价格与金属材料几乎相等, 而整体质量却大大轻于金属本身。在生产同样产量、外观和品质的汽车的情况下, 金属材料的生产线和金属设备的投资是复合材料生产线和生产设备投资的3 一2 0 倍, 而复合材料生产线从投资到出产品的周期可以缩短3倍以上。

目前为了实现汽车轻量化, 各大汽车公司都致力于复合材料的开发与应用, 丰田E 3S 的保险杠、前后挡泥板的侧板、后窗玻璃、散热器支架、后排地板以及燃料箱等均采用树脂复合材料作成戴姆勒一克莱斯勒公司对复合材料情有独钟,其C c vc 二l p o iteดC t v ehi 概念车, 车身外壳为玻璃增强纤维复合材料, 是目前世界上最大的注塑件。除了C C v 其还在一些车辆上使用塑料翼子板、后尾门, 并将塑料整体结构川在奔驰A 型车和超微型车 S M A R T 上,跑车S L R 的车身也将用碳纤维复合材料。

19 9 0年以后, 福持和克莱斯勒也都相继开发复合材料汽车,19 91 年美国市场销售12 6 万辆复合材料车身汽车。1991年西欧市场销售24 万辆复合材料车身汽车。它们每年正在以25 % 的递增率增加产量。2 0 0 0年在美国年销售16 0 0万辆汽车中, 复合材料汽车占美国市场的2 0 % 以上目前复合材料产品在国际上, 尤其在美国正在迅速发展, 可见, 在汽车用材料中复合材料正占有越来越重要的地位。