復合材料在汽車工業中的應用

徐晶晶

摘 要：隨著經濟的快速發展，汽車工業得到了較快的發展，為滿足人們對汽車舒適度、安全性等多方面的實際需求，近年來復合材料被廣泛應用到汽車工業中。該文針對金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、SMC、GMT、LFT、MMC、NMT等復合材料在汽車工業中的應用進行系統分析，并對現階段復合材料在國內各類汽車中的應用情況進行概括，對未來復合材料在汽車行業的應用情況進行預測，以此加深對復合材料開發與汽車行業發展之間關系的認識。

關鍵詞：復合材料 汽車工業 應用 趨勢

中圖分類號：U465.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0117-02

隨著汽車行業的快速發展和可持續發展戰略的逐步落實，人們在追求汽車安全性和舒適性的同時，逐漸認識到汽車節能減排的重要性，而縮減風阻、提升發動機效率、控制摩擦和汽車輕量化是實現汽車節能減排的主要途徑。大量實踐證明，適當地應用復合材料可實現汽車的輕量化，提升汽車性能，所以針對復合材料在汽車行業中的應用展開研究具有重要的現實意義。

1 各類復合材料在汽車工業中的應用分析

1.1 MMC在汽車工業中的應用分析

MMC又被稱為金屬基復合材料，其具有比強度、比剛度、耐磨性、導熱性較理想而特膨脹系數較差的特點，所以在汽車工業中應用具有一定的可行性，其中由于鋁基復合材料和鎂基復合材料具有顆粒和短纖維增強的特點，在汽車工業中應用的范圍相對廣泛，鋁基復合材料作為以鋁硅合金為主，添加陶瓷纖維等填充增強劑的復合材料，相比鋁合金在強度、彈性模量、耐熱耐磨性能等方面都具有優越性，而且質量更輕，在汽車工業中應用對提升汽車性能具有重要的作用[1]。例如，將鋁基復合材料應用于汽車剎車輪，可使剎車輪質量縮減30%～60%左右，導熱性能大幅提升，在450 ℃的高溫下仍可正常作業；將其應用于汽車制動盤中可使導熱和冷卻性能得到顯著提升，除此之外，人們發現將碳纖維增強鋁基應用于輪胎螺栓，可明顯提升其強度、剛度和動力效果；將氧化鋁纖維增強的鋁基復合材料應用于汽車連桿，可延長其使用壽命，提升穩定性，可見金屬復合材料在汽車工業中的應用較為普遍，且效果較理想[2]。

1.2 CMC在汽車工業中的應用分析

CMC又被稱為陶瓷基復合材料，其通常以玻璃陶瓷、氧化鋁、氮化硅等為基體，在強度、耐磨耐腐蝕性、隔熱性方面性能突出，且具有膨脹系數和密度較低的特點，現階段其主要應用于汽車的內燃機方面，將其應用于內燃機活塞，可在燃燒室內實現有效的隔熱，進而為冷卻系統的優化提供了可能。實踐證明，將其應用于高強化柴油機的活塞部分甚至可以舍去對其轉向冷卻處理；將其作為塑料材料的增強劑，對其耐熱耐磨性能的提升具有重要意義；將其應用于汽車的配氣結構，如挺柱、彈簧座等結構，可使功率損耗得到有效的縮減，而且氣門座等在應用中極易磨損的結構的使用壽命得到明顯提升；將CMC制成的鑲塊應用于柴油機渦流室，可對燃燒噪聲和碳氫化合物的排放進行改善，提升發動機的效率，陶瓷渦輪相比金屬渦輪具有質量、轉動慣性都較小，可提升動態響應性近40%；除此之外，在汽車氣缸蓋、排氣管等位置應用CMC，也可使其使用的壽命得到提升，但實際應用中CMC仍受到價格、可靠性等方面的限制。

1.3 SMC在汽車工業中的應用分析

SMC復合材料屬于玻璃鋼，具有強度大、質量輕、成本低且可循環應用的特點，其中短切纖維和連續纖維混雜應用的SMC C/R在汽車工業中應用更為廣泛，其使SMC的使用性能得到大幅度提升，但在具體應用中必須結合其應用結構實際受力情況進行短切纖維和連續纖維比例的針對性設計，將其應用于汽車的保險杠、加強梁、支撐架等受力結構，可以提升其強度、延長使用壽命，例如日本馬自達轎車發動機架應用800 MPa彎曲強度、短切纖維R和連續纖維C均為30的SMC C/R，其質量相比鋼制縮減近40%，同樣受力彎曲度僅為鋼制的70%。由于SMC復合材料具有循環利用的特性，其更符合可持續發展戰略的要求，所以近年來受到汽車行業的廣泛關注，研究力度不斷加大。

1.4 GMT在汽車工業中的應用分析

GMT復合材料的基體是熱塑性樹脂，增強劑為玻璃纖維氈等，具有低材料密度、高強度、可循環利用的特點，而且其相比多部分復合材料具有力學性能均衡的特色，片材的GMT在彎曲、拉伸、抗沖擊強度等方面都可以得到大幅度提升，將其應用于汽車工業中效果更加理想。實踐證明通過對GMT進行結構優化設計，其可以成功地取代汽車工業中的部分金屬材料，實現減重的目的，而且GMT模具費用通常僅為金屬模具的10%～20%，有利于汽車零部件的模塊化生產；GMT制件相比金屬件質量縮減達30%～80%且相比同體積金屬制件價格更低，能耗相比鋼制品和鋁制品明顯縮減；現階段GMT在奔馳轎車中的應用質量超過30 kg，福特、克萊斯勒等轎車上的備胎盤、行李架、保險杠等也應用了此種復合材料，性能得到較大幅度的改善。由于GMT力學性能均衡，所以為提升汽車的安全性和舒適性可將其應用于座椅、儀表等位置，例如別克、凱越的后靠背骨架基本由此材料制成；結合其各方面的性能，現階段GMT在汽車工業中的應用已達到近50種，如護板、腳踏板、遮陽板等，而且應用范圍仍有擴大的空間。

1.5 LFT在汽車工業中的應用分析

LFT復合材料的纖維長度通常在2 mm以上，且隨著加工工藝的逐步深化纖維長度不斷增加，纖維長度與其沖擊性能呈現正相關性，其通常具有沖擊強度較大，強度高、成型收縮性低、抗蠕變性能強、耐疲勞性好，可注射或模壓成型，流動性能強，可循環應用等特點，現階段在汽車的前端支架、門板模塊、行李架、緩沖器、蓄電池殼等結構中都對此復合材料進行了廣泛應用。例如邁騰系列和馬自達3/6都將30%長波纖維復合材料直接注射成型，使其生產周期、生產成本、質量等都明顯縮減，效果突出；福特和馬自達公司將其應用于門板模塊，使揚聲器、防盜裝置等結構集成于門板模塊中，有效地對其高溫或低溫狀態下的蠕變、翹曲等進行了控制；梅塞德斯-奔馳公司將行李架和緩沖器直接進行40%長波纖維復合材料注射成型，使其強度、韌性等方面得到了大幅度提升，而質量和成本卻相對縮減，實際意義突出；另外，奔馳公司將蓄電池殼直接用40%長波纖維復合材料注射成型，使其強度和硬度得到改善的同時，蠕變、質量、體積等都得到較大的改善。

1.6 NMT在汽車工業中的應用分析

NMT由于在耗能、造價等方面存在一定的缺陷，現階段主要應用于汽車內飾結構中，如汽車行李箱、衣帽架、儀表盤等，例如克萊斯勒公司將NMT應用于車門的內飾方面，使其質量、機械性能、安全性等方面都得到了極大改善；福特汽車公司將此種復合材料應用冷卻器架和引擎擋板等結構中，使其體積得到較大幅度的縮減；菲亞特公司將此種復合材料應用于汽車坐椅、儀表板、車門把手等結構中，長春一汽四環將其應用于車內的雜物箱和其他車內裝飾板中，都使汽車的質量和安全性得到提升，使傳統纖維材料在污染、耗能等方面的缺陷得到較好的改善，現階段通過對其增強纖維材料的不斷深入研究，NMT的質量、力學性能、化學性能、隔音效果、環保性和防輻射性都得到了極大改善，為其適用范圍的擴大提供了可能。

2 復合材料在各類汽車中的應用現狀

2.1 復合材料在各類轎車中的應用現狀

現階段我國市場上的汽車大部分來源于進口，如美系的福特、日系的馬自達、歐系的奔馳寶馬等，完全自主品牌相對較少，如長城、獵豹等，現階段進口車中應用的復合材料主要依靠進口，本土化生產占有的比例較低，而國產車中對復合材料的應用相對較少，仍處于初步探索階段，例如一汽大眾生產的奧迪A6車型，其嘗試將SMC應用于后保險杠的被襯，將GMT應用于前端支架和發動機罩中，使汽車車身整體重量得到縮減，且相關結構的性能得到提升；海南馬自達公司將馬自達6的前端模板和車門模板進行LFT長波纖維直接注射成型，使其抗沖擊性得到大幅度提升，提升了整體的安全性能；上海通用公司針對凱悅、君悅系列車型的天窗板應用SMC復合材料，使其強度大幅提升的同時，車身重量得到減輕等。

2.2 復合材料在各類載貨車中的應用現狀

隨著經濟的發展和各行業規模的不斷擴大，近年來載貨車的市場需求數量不斷提升，為滿足使用者對載貨車性能、安全性、耗能等方面的需求，復合材料在載貨車方面的應用不斷擴大，出現中型和重型載貨車，例如一汽集團生產的解放奧威和解放J6系列車型都在其前保險杠和前圍面板中應用了SMC復合材料，使其強度和剛度得到大幅度提升，而貨車自身的重量卻相對縮減，耗能量明顯減少；東風公司生產的153改型和天龍系列、新霸龍系列也在汽車的不同結構嘗試應用了復合材料，例如天龍系列的前保險杠和前圍面板都應用了SMC復合材料，153改型和天龍系列的導流罩都應用了FRP，使其機械性能和功能性都得到了提升；洛陽福賽特公司生產的福德重卡將RTM復合材料應用于其面罩和保險杠中，不僅使重卡的安全性得到提升，而且車身重量和性能也得到極大改善。

2.3 復合材料在各類客車中的應用現狀

隨著客車市場需求的不斷提升，復合材料在客車中的應用已經非常普遍，現階段幾乎在所有種類的客車中都可以發現復合材料的身影，例如：西安西沃客車的前保險杠和行李箱門板；上海雙龍客車的空調頂置殼體和前保險杠、翼子板、北方迪奧普毫客車的側圍板和后圍等，另外，部分客車的座椅也采用了SMC復合材料，如申龍客車的連體座椅等。

3 未來復合材料在汽車行業中應用的趨勢

綜上所述，復合材料在汽車工業中的應用符合汽車發展對汽車車身輕量化的要求，而且可以使汽車在性能正常發揮的前提下，隨著重量的不斷減輕，油耗逐漸縮減，與可持續發展戰略的基本要求相一致，所以在未來汽車行業不斷發展過程中，復合材料的應用將逐步擴大。復合材料的應用，可以促使汽車結構的使用壽命增長，性能提升，功能性得到優化，這在一定程度上有利于環境的保護，特別是部分復合材料具有循環應用的特性，使其環保性得到保證，所以這在一定程度上與環保理念相一致；雖然部分復合材料屬于易燃物質，而且在燃燒的過程中會產生一定的污染物，即使在成型后揮發作用下也會對空氣等造成一定的污染，廢棄處理的難度較大，但隨著針對復合材料降解、再生等方面的研究不斷加深，其對環境的污染也會不斷縮減，例如可通過熔融再生、溶解再生等方法實現復合CMC材料的再生；對MMC復合材料可進行組分分離或回收再利用等。由此可見，復合材料對環境的污染程度相比其在汽車工業方面發揮的作用，前者在不斷減小，而后者在不斷加強，所以在未來一段時間內，復合材料仍將在汽車工業中得到應用，而且應用的范圍有明顯擴大的趨勢。

4 結語

通過上述分析可以發現，現階段人們已經認識到將復合材料科學地應用于汽車工業，對提升汽車性能、實現節能減排的重要性，并在實踐中嘗試將復合材料應用到各種類型的汽車中，實踐證明其對經濟、社會、環境等方面產生的效益突出，應結合實際推廣應用。

參考文獻

[1]凌靜，王慶明.復合材料部件在汽車輕量化中的應用[J].現代零部件，2013（2）：34-37.

[2]賀光玉，向宇.先進復合材料在汽車工業中的應用[J].汽車零部件，2013（5）：86-92.