樹脂基復合材料與汽車輕量化

印明勛 劉瑩 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

隨著汽車工業的高速發展，節能減排已經成為了世界汽車界的主要研究熱點。汽車質量過大，不但會影響其動力學性能，而且會增加燃油消耗。在保證汽車結構安全的前提下，車身輕量化是解決上述問題的最好辦法。復合材料具有密度小、耐腐蝕、比強度高、比模量高以及可設計性強等優點，越來越受到汽車生產商的關注，也是汽車界公認的能夠代替金屬材料的首選材料[1]。復合材料是由基體材料和增強材料共同組成。一般情況下，根據基體材料的不同，可將復合材料分為金屬基復合材料、樹脂基復合材料以及陶瓷基復合材料三大類。其中，樹脂基復合材料比鋼鐵材料輕50%，比鋁材輕30%，在眾多復合材料中，其輕量化效果尤為明顯，目前已被廣泛應用于汽車工業。

1 樹脂基復合材料

1.1 分類

樹脂基復合材料是以合成樹脂為基體，以纖維為增強體，通過人工合成技術制成的一種新型材料，也被稱為纖維增強塑料（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，在加入增強纖維以后其性能都會有很大程度的提高。

碳纖維增強復合材料（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，因此該復合材料的疲勞強度和拉伸破壞強度高、耐久性好、導電導熱性好，且密度低（相當于普通碳鋼結構的1/5～1/4），被用于制造汽車車身、底盤等主要結構件。由于該復合材料的制造成本較高，主要被用于F1賽車、高級轎車以及小批量生產的車型中。圖1示出由樹脂基碳纖維復合材料制作而成的汽車排氣管。

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）俗稱玻璃鋼，是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維為增強材料，通過高溫加壓所制成的一種新型材料[3]。該復合材料制造成本低、吸能性好、耐腐蝕性強及減振降噪效果好，是目前汽車工業中應用最為廣泛的一種復合材料，主要用于制造車身結構件、覆蓋件以及發動機周邊部件。

長纖維增強復合材料（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，經過壓縮成型得到的一種新型材料[4]。由于該種復合材料內部的增強纖維較長，能夠在樹脂基體中形成三維網格結構，在提高材料的抗沖擊性能和抗蠕變性能方面有顯著效果，使得利用該復合材料制成的汽車零部件變形更小、力學性能更加穩定，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合材料，但是由于該類復合材料的加工工序復雜且制造成本很高，其應用受到很大程度的限制。

1.2 特點

1.2.1 比強度和比模量高

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

表1 樹脂基復合材料與高強度鋼的力學性能對比表

1.2.2 相對密度小

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

1.2.3 耐腐蝕性強

樹脂基復合材料不僅在物理性能方面有著顯著的優勢，其化學性能也非常穩定。樹脂基體和各種非金屬纖維增強材料都具有耐強酸、耐強堿、耐強鹽以及耐強酯等特性，因此使得樹脂基復合材料制件能夠適應多種外界條件。與金屬材料相比，其具有更長的使用壽命。

此外，樹脂基復合材料還具有耐高溫和低溫、抗沖擊性強以及一體化成型性好等優點。

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預先放置好纖維增強材料，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件雙面光滑，成型方法簡單，制造出的產品表面品質高、內部孔隙率低，是當今復合材料工業中普遍使用的一種方法[7]。圖2示出樹脂傳遞模塑成型設備。

圖2 樹脂傳遞模塑成型設備

1.3.2 高溫模壓法

高溫模壓法是將纖維預浸料平整地鋪設在上下模具之間，將模具合實密封后，置于液壓成型臺上，在熱壓機上經過一定時間的高溫高壓，使樹脂和預浸料固化，最后從熱壓機上取下成型制品。該成型工藝具有高強度、高精度以及受環境影響小等優點，適用于批量化、標準化的制件生產。

1.3.3 真空熱壓罐法

真空熱壓罐法是將復合材料的坯料鋪設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，真空后放入熱壓罐內，經高溫、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簡單，且生產效率較高，適用于生產大面積復雜型面的蒙皮、壁板和殼體。

此外，樹脂基復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。隨著科學技術的發展，樹脂基復合材料的成型工藝不斷地改進和創新，復合材料在生產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，以實現資源配置的最大優化。

2 樹脂基復合材料在汽車上的應用

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

2.1 在車身及覆蓋件上的應用

近年來，樹脂基復合材料在車身上的應用越來越廣泛。在眾多的復合材料當中，CFRP的各項力學性能均非常出色，其密度小、強度大，在減輕車身質量的同時，又能保持其防撞性能，因而被認為是制造車身覆蓋件最理想的非金屬材料。由于碳纖維增強復合材料加工成本相對較高，過去主要應用于賽車以及跑車的車身覆蓋件上。近年來，隨著復合材料工業的不斷發展以及生產技術的不斷改進，CFRP的加工成本大幅降低，各大汽車廠商不斷加大對CFRP的應用。

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

圖3 BMW i3碳纖維復合材料車身

除白車身之外，樹脂基復合材料在很多車型的其他車身覆蓋件上均有應用。早在20世紀90年代，美國通用汽車公司就開始利用樹脂基復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、車門以及后側板等部件采用樹脂基玻璃纖維復合材料制造，這一應用在減重、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轎車的發動機罩采用環氧樹脂基復合材料制成，發動機罩外板采用碳纖維環氧樹脂復合材料制成，內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，最終使得整個發動機罩的質量僅為9.3 kg。此外，福特旗下的林肯大陸車型的前保險杠以及后行李箱蓋均采用玻璃纖維樹脂基復合材料，寶馬公司M3系列車型的頂蓋為碳纖維樹脂基復合材料制造，日產汽車公司的“Skyline GT-R”車型的外裝材料和豐田汽車公司的“MARKⅡ”車型的內飾材料采用碳纖維復合材料。國內的一些大型豪華客車車型上對玻璃纖維復合材料均有不同程度的應用，包括保險杠、翼子板、導流罩以及側裙板等。

2.2 在底盤結構上的應用

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

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

近年來，樹脂基復合材料在汽車底盤上的應用范圍不斷擴大，使用車型不斷增加。梅賽德斯-奔馳、保時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合材料。豐田雷克薩斯LFA跑車底盤結構的65%為碳纖維樹脂基復合材料。日本新能源產業技術綜合研發機構（NEDO）與名古屋大學國立復合材料研究中心（NCC）成功研發了世界首個碳纖維增強熱塑性復合材料汽車底盤。德國研究人員利用熱塑性GFRP成功制造出汽車發動機底部托盤，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動機底部托盤

2.3 在發動機上的應用

復合材料在發動機上的應用已經有幾十年的時間。復合材料發動機零部件與金屬材料制品相比，不但質量輕，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點。通用汽車公司早在20世紀90年代就開始利用GFRP制造多款汽車的發動機氣門罩；寶馬汽車公司將GFRP制造的進氣歧管應用在6缸發動機上；寶馬735i轎車發動機的機體采用GFRP進行制造，提高了制品的高溫穩定性；奧迪A4轎車新型發動機進氣閥使用了含30%玻璃纖維的復合材料，使得該款發動機具有很好的燃油經濟性；沃爾沃采用玻璃纖維SMC復合材料制造發動機的油底殼。

2.4 在板簧上的應用

采用樹脂基復合材料制造汽車板簧，在減重的同時，也提高了汽車的“安全斷裂”性能。當汽車嚴重超載或在崎嶇路面受到強烈沖擊時，樹脂基復合材料板簧會沿長度方向分層裂開，雖然結構發生破壞，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生錯位，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合材料板簧，并應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材料制造汽車板簧。近年來，沃爾沃也開始應用纖維增強復合材料進行板簧制造，并應用到XC60車型上，獲得了很好的減振效果。

2.5 在其他結構上的應用

除了上述結構，樹脂基復合材料還被應用到汽車的很多其他結構上。保時捷911 Turbo、新一代福特野馬GT350R都配備了碳纖維樹脂基輪轂，質量僅為8.6 kg，比鋁合金輪轂減重40%，在減輕質量的同時還能夠吸收大量的撞擊能，且碳纖維復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合材料制動盤，耐磨、耐疲勞且抗高溫，賽車在高速行駛時的制動操作會使制動盤溫度上升至900℃，一般的材料很難承受，而碳纖維制動盤能夠承受2 500℃的高溫，具有優秀的制動穩定性；豐田、奧迪、奔馳等汽車制造商將碳纖維樹脂基復合材料傳動軸應用到各自旗下的多款汽車上，減重的同時很大程度地改善了NVH性能。除此之外，樹脂基復合材料還被應用到汽車座椅、地板、儀表板、前端支架、備胎架、車門把手等多個部位，且都獲得了比較理想的使用效果。

3 結論

隨著人們環保意識的逐步提高以及各國環保法規的相繼出臺，節能減排、綠色低碳成為了未來汽車工業的發展方向。樹脂基復合材料密度低、強度大、耐腐蝕、抗疲勞，已經被作為金屬材料的替代品應用到汽車的多個部位，并取得了良好的效果。樹脂基復合材料的應用是實現車身輕量化、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，則可以預測，在不久的將來，樹脂基復合材料將會被更大范圍地應用到汽車領域中。