工程塑料及復合材料綜述

近年來，對于汽車輕量化的研究越來越多，主要包括結構上的輕量化設計以及對于汽車輕量化材料的研究。本文主要介紹了工程塑料及復合材料在汽車上的應用，以及帶來的輕量化效果。

1 采用玻璃纖維聚酰胺復合材料的汽車鉸鏈部件的輕量化設計[1]

汽車門鉸鏈非常重要，因為它們可以將門與汽車連接起來，并且可以以所需的角度打開和關閉門。轎車車型中的汽車后蓋鉸鏈如圖1所示。鉸鏈機構與扭桿，拉伸和扭轉彈簧一起工作。

圖1 汽車后蓋鉸鏈

在安全方面，后罩的運動應具備以下邊界條件：

（1）后罩開關打開時，鉸鏈應轉動10°并保持靜止；

（2）客戶應該可以在10°至60°的范圍內打開后罩，同時減少機構中的彈簧的影響；

（3）后罩機構應該從60°自行打開到86°，并且在此時必須保持恒定。

這些邊界條件的目的是在打開后罩時防止身體的受傷。另外，由于機構中的彈簧，這些條件應該幫助人們輕松打開和關閉引擎蓋，而不會感覺到它的重量。鉸鏈的另一個功能是防止后發動機罩在發生事故時通過與后發動機罩鎖定機構串聯工作而與車身分離。

在這項研究中，使用復合拓撲優化方法開發了汽車后門鉸鏈。最初的設計是使用鋼材開發的，以確保當前的運行條件和邊界條件。從拓撲和靜態分析得到的結果表明，使用復合材料可以開發更輕的鉸鏈。后來，使用PA66 GF35，PA66 GF50和PA66 GF60玻璃纖維增強聚酰胺復合材料開發了新的鉸鏈設計。分析結果表明，使用PA66 GF60材料可以開發既提供輕質又能提供所需應力和位移限制的設計。作為對這種材料進行分析和研究的結果，與初始設計相比，鉸鏈的重量減少了8.12%。結果表明，復合材料是輕型車輛部件設計的重要替代品，可以有效使用。

2 椰殼粉末增強PVC復合材料在汽車領域的力學性能研究[2]

天然纖維增強聚合物是一種可提供以下益處的材料：環保型、容易再生、低成本、重量減輕、靈活性和可以生物降解。近年來，纖維復合材料在汽車工業中已經成為內部和外部組件使用中呈現很高的需求。對于汽車的內飾部件主要由以下部分組成：聚合物（包括PVC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。這些部件平均重量為20公斤。

目前，汽車行業對PVC的需求處于高峰期，例如，它被用作：儀表板、地毯、門面板、扶手、握把、內部密封、遮陽板、座椅覆蓋物、行李箱、電纜絕緣、模制插頭、進氣管道。天然纖維復合材料的作用是利用纖維作為基體樹脂的增強材料。為了優化車輛性能，減少車輛質量（或輕量化）是強制性的。

圖2 椰殼粉末對PVC復合材料吸收速率的影響

圖2 表明，與純度僅為1%的PVC相比，20phr的CSP組合物獲得4.2%的吸收率。它表明吸水率隨纖維含量的增加而增加。這種現象是由于PVC的疏水特性和來自天然纖維的親水性質的具體質量，其具有更好的纖維和基質之間的界面面積。

在強度方面，由實驗結果表明當纖維含量增加時強度增加。因此，在汽車行業（特別是在聚合物生產中），與使用純PVC相比，如果發生事故，保險杠或內飾件等部件可以得到保護。另外，它可以減少原始材料，通過添加這種纖維來提高強度。因此，這種復合“椰殼粉（CSP）”對于降低成本和重量的汽車工業非常有用，同時也提高了PVC強度性能。

3 應對未來汽車挑戰的復合材料[3]

一般來說，對于鋼和碳纖維復合材料的鋁合金，重量可以降低60%、40%。由于它是一種壓縮成型工藝而不是沖壓工藝，因此可以通過為工藝進行設計來減少零件數量，從而可以進一步減輕重量并實現零件整合，從而增加碳纖維復合材料的價值。在很多共同開發的情況下，通過用碳纖維復合材料替換B柱鋼插入件，每輛車可節省6公斤重量。因此，通過切換到碳纖維部件，減少車輛重量的機會很大，而確定哪種應用最能從碳纖維復合材料的強度中獲益是關鍵。

(1)因變量測度。旅游產業升級理應體現產品高附加值化和產業向技術密集型躍遷兩個層面的含義。不過，現有研究置重于產業結構變遷程度的測量，容易忽視產業結構升級中生產率的變化。所以，本文選用經典文獻的測度指標[24-25]，即旅游業細分行業的收入份額與勞動生產率的極差標準化值的乘積求和變量。

為了達到環境和性能目標，非常需要降低新能源和傳統車輛的重量。我們相信碳纖維復合材料在這方面扮演著重要角色。通過一些項目上的合作，我們將獲得顯著的學習曲線優勢，然后我們可以在傳統車輛中使用它。圖3為回收的碳纖維圖。

圖3 回收碳纖維圖

盡管在車輛中使用再生碳纖維的程度取決于OEM的設計理念。我們看到大多數OEM希望采用混合多種材料的方法，其中碳纖維占整個車輛結構質量的比例相當低，其應用是那些使用碳纖維可提供最高效益的應用，這項工作已經開始，第一個組件將在四月底生產。最初，使用回收碳纖維的車輛將用于中國市場，但奇瑞是中國最大的汽車出口商之一。最初每年將生產約10,000輛汽車，盡管其進一步引入大批量生產取決于經濟性和重量節省之間的平衡。

4 應用于汽車行業的現代材料[4]

汽車是世界上最大的材料消費領域之一。提高汽車零件的耐久性和可靠性是材料科學的一個相關和重要問題。汽車工業的發展，提高對舊材料重量和安全的要求，需要創造和應用新的形式。

而且，由于制造消費品所需的材料較少，所以材料密度低導致保護自然資源。如圖4所示，現代汽車生產總量的一半以上為鑄鐵和鋼制零件（55%），約11%為塑料，第三位為鋁合金（9%），橡膠和玻璃分別為7%和3%;有色合金（鎂、鈦、銅和鋅）的份額不超過1%;其他材料（清漆、油漆、電線、飾面材料等）占13.5%。

圖4 應用在汽車不同部件上的材料

鋁基復合材料（AMC）是指輕質、高性能鋁材料。AMC中的增強材料可以是連續或者不連續纖維，晶須或顆粒形式，體積分數從幾個百分比至70%不等。通過矩陣，鋼筋和加工路線的適當組合，AMC的特性可以適應不同工業應用的需求。AMC具有更高的強度、更好的剛度、更低的密度（重量）、改進的高溫性能、可控的熱膨脹系數、熱和熱管理、增強和定制的電氣性能、改進的耐磨和耐磨性、質量控制（特別是在往復應用中）改進的阻尼能力。而目前比較前沿的材料是顆粒增強鋁基復合材料（PAMC），是金屬基復合材料研究和開發的重要領域之一。發展趨勢非常廣泛，將通過大規模生產和應用引領先進材料的革命。

5 用復合材料優化汽車外門把手[5]

這項工作使用纖維來增強PA塑料的汽車外門把手。比較彈性塑料、纖維取向和損傷彈性塑料、門把手纖維取向、彈性塑性等不同材料屬性之間的對比，并利用Hyperworks，Converse和Abaqus。

我們在增強PA塑料中使用短玻璃纖維。解釋了短玻璃纖維復合材料的力學行為。研究了纖維取向對復合材料性能的影響以及決定纖維取向的因素。為了理解損傷標準，解釋了斷裂力學理論。PA GF30的相對密度小于鋼。但是它足夠強大以滿足裝載條件。這使其適用于門把手等結構應用。經過計算，使用PAGF比鋼材減重80%。

如圖5所示門把手本體組件固定在一個夾具中。在帶和桿的幫助下，沿著黃色箭頭所示的方向施加拉力。手輪和滾珠絲杠用于逐漸增加拉力。手輪按逆時針方向旋轉以施加拉力。實驗結果為，在門把手上施加1 210N的拉力，并且沒有觀察到任何永久變形、斷裂、破損、松動或其他無法觀察到機械功能。在1 210N后逐漸增加負載后，元件在1 310N的負載下斷開。如果我們比較實驗測試值1 310N和我們的要求1 200N，則承載能力幾乎沒有差異。因此，我們可以得出結論，最佳材料量用于制造手柄，可以不使用任何多余的材料。

圖5 實驗設備

6 再生碳纖維復合材料在汽車應用方面對于環境的影響[6]

應用于汽車的輕質材料可以減少汽車對環境的影響。然而，減重并不總是可靠的環境績效指標，因為這一指標忽略了與物質生產相關的影響。考慮到與生產輕質金屬和輕質材料相關的成本和體現的能源障礙，有可能在某些情況下會超過減輕車輛重量和降低車輛使用期間燃料使用量所帶來的相關的環境效益。在目前的研究中，再生碳纖維復合材料在汽車應用中的優勢得到了證明，并與競爭輕質材料（如鋁）相比較。由再生碳纖維復合材料生產的部件可實現類似于或大于競爭輕質材料的重量減少，同時由于回收和加工活動的低能量強度而顯著降低生產對于環境的影響。

對于許多組件，雖然表現出較低的對于能源與溫室氣體排放的負面影響，但與傳統鋼組件相比，使用再生碳纖維復合材料會導致對于環境影響的顯著降低，主要是由于回收能源強度低和大量使用階段的燃料節約。整體發現支持材料回收技術的新興商業化，并識別汽車行業潛在的重大市場機遇。它有可能向行業和決策者告知與回收技術相關的環境影響，并制定相關政策，鼓勵適當使用再生碳纖維復合材料材料。通過調整模型值，該模型可用于評估其他司法管轄區的環境影響，托管情景和聯合生產情景;同樣，該模型可以擴展為包括額外的環境影響指標，例如與回收、制造和使用階段產生的氣體排放相關的指標。

7 非金屬廢棄印刷電路板和汽車塑料的可持續復合板[7]

在這項研究中，印刷電路板（PCB）和廢舊汽車塑料（WAP）的非金屬廢料被用于生產可持續復合板，其廣泛的潛在用途與MDF（中密度纖維板）等產品相當。由不同比例的非金屬PCB廢料和WAP制成的復合板通過使用熱壓機來制造。通過密度測量來研究制造的板的物理性質。通過彎曲、拉伸和壓縮測試機械地表征面板，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察界面相互作用研究的斷裂表面，分析其力學性能。圖6為一定含量的非金屬PCB的WAP與廢棄PCB復合板的斷裂表面的SEM圖像。

通過實驗，我們可以得出以下結論：

（1）在WAP中添加非金屬PCB改善了復合板的彎曲、拉伸和壓縮模量。80/20復合板與其他復合板相比具有最高的機械性能。

（2）隨著向WAP添加非金屬PCB，復合板的密度測量結果也呈線性增長。

（3）SEM圖像清楚地顯示了塑料基體中非金屬PCB的玻璃纖維的分布和取向。從80/20板的SEM圖（圖6）中，觀察到PCB塑料和非金屬玻璃纖維之間良好的封裝。

圖6 一定含量的非金屬PCB的WAP與廢棄PCB復合板的斷裂表面的SEM圖像

（4）此外，玻璃纖維增加至80/20組合導致失效（斷裂表面）中更高的能量吸收，這表明產生了良好的機械行為。另一方面，較高濃度的非金屬PCB板由于PCB的非金屬團聚而顯示較差的鍵合，因此導致較差的機械性能。

因此可以得出結論，向廢舊汽車塑料添加非金屬廢棄PCB非常適合用于合成有用的復合材料。這些具有優異機械性能的復合材料可推薦用于汽車與航空領域。

8 天然纖維、玻璃纖維和環氧樹脂增強陶瓷纖維夾芯結構復合材料的力學性能分析[8]

天然纖維復合材料在汽車和制造業中有廣泛的應用和使用。將多層不同的復合材料與多層天然和人造纖維堆疊起來是混合復合材料開發的基礎。使用混合復合材料的主要目的是克服單一基體材料中纖維相對于另一種材料的缺乏特性。

將兩個混合復合材料樣品夾在中間，形成尺寸為300×300mm，厚度為5.5mm的混合復合材料。夾層結構的混合復合材料樣品包含由中間雙層E?玻璃纖維覆蓋的陶瓷纖維棉的最內層，所述復合材料再由前者中的雙層織造蘆薈和后來的劍麻纖維包圍。LY556級環氧樹脂與HY 906級硬化劑按10：1的比例混合。在混合復合材料的每一層上，兩個纖維表面上施加所需量的環氧樹脂，然后在壓縮模塑機中進行增強。為了固化試樣，機器內部保持100℃的溫度持續30分鐘。固化過程后，樣品從壓縮成型機中取出。根據ASTM標準，從壓縮成型機中取出的固化樣本進行機械性能測試，如拉伸、撓曲和沖擊。圖7顯示了測試前后樣品的對比圖。

圖7 測試前后樣品的對比圖

在沖擊機上進行上述試樣的沖擊能力，并通過機器給出的讀數找出試樣的能量損失。沖擊響應導致樣本（樹脂、纖維和羊毛界面）的裂紋和斷裂的形成和發展。來自機器的讀數顯示清楚地表明樣品1值的沖擊強度為1.90J，略高于樣品2的值1.75J。這樣做的原因在于，樣品1的電阻率高于樣品2。

在本研究中，通過環氧樹脂基體和劍麻纖維?陶瓷纖維羊毛?玻璃纖維與環氧樹脂基體一起增強蘆薈陶瓷纖維羊毛?玻璃纖維和其機械性能（如拉伸），制備了兩種三明治結構的混合復合材料，并進行彎曲和沖擊測試和分析。對兩種樣品的測試結果進行了比較，結果表明，劍麻纖維增強復合材料比蘆薈增強復合材料具有更好的力學性能。

9 復合材料及其應用[9]

當前應用于汽車領域的輕質材料主要包含纖維增強復合材料、高強度纖維復合材料等。這些材料被稱為先進的復合材料，將被用來取代目前在飛機、汽車等制造中使用的一些傳統金屬材料。

纖維增強復合材料（FRP）可以進一步分為含有不連續或連續纖維的復合材料。纖維增強復合材料由嵌入基體材料中的纖維組成。這種復合材料的性能隨著纖維長度的變化而被認為是不連續纖維或短纖維復合材料。另一方面，當纖維的長度不能增加時，復合材料的彈性模量被認為是連續纖維增強的。纖維的直徑很小，當被軸向推動時，它們很容易彎曲，盡管它們具有非常好的拉伸性能。必須支撐這些纖維以防止單根纖維彎曲。層狀復合材料是由矩陣結合在一起的多層材料組成。三明治結構屬于這一類。木材是天然復合材料的一個很好的例子，纖維素纖維和木質素的組合。

高強度纖維復合材料由嵌入樹脂基質中的纖維材料制成，通常與取向為交替方向的纖維層壓用以加強材料強度和剛度。纖維材料不是新型材料，如木材是人類已知的最常見的纖維結構材料，但是，高強度纖維復合材料目前廣泛地應用在很多領域。基體支撐纖維并將它們粘合在復合材料中，基體將任何施加的載荷轉移到纖維上，將纖維保持在它們的位置和選擇的方向上，加強復合材料的環境抗性，并確定復合材料的最高使用溫度。如圖8所示為纖維復合材料的結構圖。

圖8 纖維復合材料結構圖

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