車用玄武巖纖維增強復合材料現狀及未來發展趨勢

劉一帆 王童 陳軼嵩 邱兆乾 羅耿

（長安大學，汽車學院，西安710021）

主題詞：玄武巖纖維 增強復合材料 汽車輕量化

1 引言

玄武巖纖維是一種無機纖維，由天然玄武巖礦石經過高溫熔融拉制而成，是我國現階段重點發展的4大纖維（玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、碳纖維）之一。這種新型高強度、低成本、環境友好的材料，符合全球經濟可持續發展目標，在汽車輕量化、車用氣瓶材料、汽車外飾件等領域均有研究性應用，未來在汽車行業的應用前景廣闊。

目前，車用玄武巖纖維增強復合材料的研究尚處于萌芽階段，距離其大規模應用還有較大距離。現階段的玄武巖纖維增強復合材料主要有以下6種：

（1）玄武巖纖維金屬層合板；

（2）玄武巖纖維水泥基/樹脂基復合材料；

（3）玄武巖纖維聚合物復合材料；

（4）玄武巖纖維增強合金復合材料；

（5）玄武巖纖維增強橡膠復合材料；

（6）玄武巖纖維增強木塑復合材料。

通過總結該領域具有代表性的研究進展，包括玄武巖纖維增強金屬層合板的制備，玄武巖纖維/樹脂基復合材料的界面強化、玄武巖纖維聚合物復合材料，旨在分析這些材料在汽車不同部件上的應用前景。

2 玄武巖纖維復合材料的研究

2.1 玄武巖纖維增強金屬層合板

2.1.1 玄武巖纖維增強金屬層合板概述

玄武巖纖維纖維增強金屬層合板是由纖維樹脂復合材料與金屬薄板交替鋪放并且經過熱壓成型得到。這種制品結合了復合材料與金屬的優點，具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗沖擊性能強、化學性質穩定以及綠色環保的優點。纖維增強金屬層合板由于兼具纖維增強復合材料和金屬2者的優點，在汽車工業、航空航天工業、軍事領域具有廣泛的應用，由于目前對玻璃纖維、碳纖維在纖維金屬層合板中應用的研究已經較為廣泛，而玄武巖纖維所具有的許多優異的性能是其它纖維所不能及的，尤其是其環保性，故該材料具有良好的發展前景。

2.1.2 研究現狀

Wu和Slagter[1]通過研究孔的幾何位置對ARALL和GLARE 2種連接失效模式和連接強度的影響，對纖維金屬層合板的機械連接進行研究，證明了孔的幾何位置在E/D=3，W/D=4時連接強度達到最高。Po-Ching[2]等對硼/玻璃纖維增強鋁層合板的機械連接性能進行研究，證明在相同接頭幾何形狀和金屬體積分數下，加入硼纖維可以提高纖維金屬層合板的連接強度。Zhang[3]等對孔的幾何尺寸、纖維鋪排方向和預緊力大小這3個因素對纖維增強金屬層合板螺栓連接性能的影響進行分析，證明了孔的幾何位置在E/D=3～4，W/D=4，預緊力為5 N·m為最優參數。此外，纖維鋪層取向對GLARE層板的連接強度影響較小，但當鋪層角度在45°時層合板的伸長率和塑形變形能力較強。

吉林大學的研究團隊[4]采用了玄武巖纖維作為增強材料制備了B-FRML并且對其性能展開了優化研究。

2.1.3 產業化分析

目前對玻璃纖維、碳纖維在金屬層合板中的應用研究較為廣泛，且相較于其他纖維，玄武巖纖維的環保性優勢突出，是其他纖維所不可比擬的。因此，玄武巖纖維增強金屬層合板進行大規模產業化具有良好前景。同時，也應重視該材料在汽車行業的應用。

2.2 玄武巖纖維/樹脂基復合材料

2.2.1 玄武巖纖維/樹脂基復合材料概述

樹脂基復合材料是由纖維增強材料與樹脂基體通過各種不同的工藝手段組合而成的復合材料，具有強度高、剛度好、質量輕的優點。因此，樹脂基復合材料在汽車行業、航空領域得到了廣泛應用。同時，復合材料作為各向異性非均質材料，具有以下優點：

（1）比強度與比模量高;

（2）耐高溫燒蝕性好;

（3）工藝性與可設計性好;

（4）能夠較為有效地遏制疲勞裂紋的擴展;

（5）在其中混合加入少量的短碳纖維可顯著地提高材料的耐磨性[5]。

2.2.2 研究現狀

Lopresto等[6]通過對玄武巖纖維增強塑料與玻璃纖維增強塑料的力學性能進行對比，研究發現前者具有更高的抗壓強度、楊氏模量以及彎曲強度。Carmisciano[7]等研制出的玄武巖編織纖維增強復合材料(Basalt Weave Fiber Reinforced Polymer,BWFRC)有更高的彎曲模量和層間剪切強度。研究表明，他們制備的BWFRC與E玻璃復合材料相比具有相似的電氣性能。Gideon等[8]對單向和機織玄武巖纖維增強樹脂復合材料的靜態3點彎曲行為進行研究，研究表明編織纖維增強復合材料相比單向材料有更好的彎曲性能。Farzin等[9]對玄武巖纖維增強復合材料和碳纖維增強樹脂復合材料的低速沖擊行為進行研究，研究者分別在30 J、60 J、80 J、100 J、120 J、160 J的沖擊能量下進行了低速沖擊實驗，實驗結果表明玄武巖纖維增強復合材料具有更好的沖擊性能。Bozkurt等[10]通過研究芳綸/玄武巖混雜纖維增強樹脂層合板的拉伸與彎曲性能，證明玄武巖纖維層的加入對芳綸纖維增強樹脂層合板的力學性能有顯著提高。Chen等[11]進行了短切玄武巖纖維增強塑料(Short Basalt Fiber Re?inforced Polymer,SBFRP)的剪切力學性能研究，研究發現SBFRP的剪切破壞裂紋分為以下3類：主裂紋、耦合裂紋以及微裂紋，并且研究了不同體積分數的短切玄武巖纖維對SBFRP剪切性能的影響。

哈爾濱工程大學李翀等[12]對玄武巖纖維樹脂基復合材料的界面改性強化進行了研究分析，目的是通過優化纖維與基體之間的結合狀態來增強復合材料的界面結合性能，從而提升復合材料的綜合性能。馬其華[5]等對車用樹脂基復合材料部件替代性設計進行分析研究，通過替代設計、結構優化設計等方法發現，樹脂基復合材料在汽車部件上有良好的應用前景。

2.2.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術難點）

（1）玄武巖纖維與樹脂間的界面相容性差；

（2）對玄武巖纖維表面改性研究不太成熟。

2.2.4 產業化分析

現階段對玄武巖/樹脂基復合材料的研究還處于萌芽階段，還有諸多問題需要解決，還需大量的實驗以及設計優化才可投入產業化應用，但同時也應重視該復合材料相較于傳統金屬材料在汽車部件應用上的優點。故玄武巖纖維/樹脂基復合材料尚不具備進行產業化應用以及大規模制備的條件。

2.3 玄武巖纖維聚合物復合材料

2.3.1 玄武巖纖維聚合物復合材料概述

聚合物基纖維增強復合材料是現有所有結構材料中開始發展最早、進行研究最多的一類復合材料，具有密度小、比強度與比模量高、可設計性強、安全性強、成型工藝簡單的優點，而玄武巖纖維的綜合性能優異，可以作為聚合物的理想增強體[13]。玄武巖纖維聚合物復合材料具有高強度、耐摩擦、耐高溫、耐腐蝕、耐燒蝕的優點，在汽車行業具有良好的應用前景。

2.3.2 研究現狀

目前國內外對玄武巖纖維聚合物復合材料的研究主要集中在混凝土建筑上，國內對玄武巖纖維聚合物復合材料的研究有不同聚合物基體的復合材料、與其他纖維的混雜方式、界面改性。

2.3.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術難點）

（1）玄武巖纖維界面性質的基礎研究不足；

（2）有些復合材料嚴謹的制備方法未用于玄武巖纖維上；

（3）如何將玄武巖聚合物復合材料的研究應用于汽車行業。

2.3.4 產業化分析

現階段對于該復合材料的研究還處于實驗階段，且大部分研究針對的是混凝土的結構強化，要實現在汽車行業上的應用，還需解決諸如材料的界面性質與汽車現有材料性質的相似與差異，仍需要大量分析與實驗研究。因而，將玄武巖纖維聚合物復合材料應用于汽車，尚不具備產業化和大規模制備條件。

3 玄武巖纖維增強復合材料在汽車上的應用研究

3.1 玄武巖纖維替代玻璃纖維用于成型汽車導流罩

3.1.1 玄武巖纖維替代玻璃纖維用于成型汽車導流罩技術概述

先對玄武巖纖維進行改性處理得到改性玄武巖纖維，之后采用玄武巖纖維來替代玻璃纖維（Glass Fi?ber,GF）氈用于樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Moulding,RTM）制備汽車導流罩。玄武巖纖維是一種環保的高性能纖維，RTM成型是一種效率高、成本低、生產方式對人體較友好的復合材料成型方式。

3.1.2 研究現狀

吉林大學梁繼才，龔光耀[14]對不同類型的纖維在RTM成型中的實際應用效果進行對比，研究發現，純玻璃纖維（GF）氈類的拉伸強度明顯較，而彎曲性能較好；玄武巖纖維（BF）增強方案與純玻璃纖維（GF）增強方案相比，拉伸性能提升約為75%，提升幅度較大，主要在于纖維氈同纖維布整體結構的差異。在相同纖維含量時，同為纖維布結構的碳纖維（CF），其彎曲性能要高于BF復合材料，拉伸性能高于BF復合材料，低于改性玄武巖纖維（MBF）復合材料。

3.1.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術難點）

（1）如何做到玄武巖纖維的彎曲性能和碳纖維相當甚至優于碳纖維；

（2）如何在不大量提高纖維量的前提下提升玄武巖纖維的整體性能。

3.1.4 產業化分析

目前對于玄武巖纖維應用于汽車部件的研究較少，但不可以忽視其在汽車部件上的應用，成型汽車整流罩作為汽車上重要的空氣導流裝置，其材料的環保、高性能對于汽車有著重要作用。故在未來解決其彎曲性能較碳纖維低的前提下，具有良好產業化前景。

3.2 玄武巖纖維在汽車外飾件上的應用研究

3.2.1 玄武巖纖維在汽車外飾件上的應用

按照通用型片狀模塑料（Sheet moulding com?pounds,SMC）片材工藝將4種玄武巖纖維制成片材，并將其模壓成重型載貨汽車的外飾件。相較于目前廣泛應用于重型載貨汽車門面的外飾件玻璃纖維而言，玄武巖纖維在綜合性能上優于玻璃纖維，且綠色環保，有較高的研究價值。

3.2.2 研究現狀

陜西汽車控股集團有限公司技術中心的王莎莎、王慶國[15]等對外飾件的力學性能、噴漆后漆膜表面性能進行檢測，并將其與現用的玻璃鋼外飾件進行對比。結果表明，I型玄武巖纖維外飾件的拉伸強度提高43.9%，彎曲強度提高12.0%，沖擊強度提高31.3%，同時I型玄武巖纖維外飾件噴涂滿足標準要求，并且I型玄武巖纖維制件的表面質量要優于玻璃鋼。國外對汽車面板材料依據玻璃纖維與玄武巖纖維含量的不同分組，100%玄武巖纖維的組在2 MPa的壓力、15 min的愈合時間下，拉伸強度、撓曲強度、沖擊強度，都為3組中最佳，分別為95.00 MPa、29.91 MPa、12.50 MPa。研究結果表明，面板的機械性能與壓力、時間和混合類型成正比。目前存在的問題是如何降低玄武巖纖維的成本，提高經濟效益。

3.2.3 產業化分析

目前玄武巖纖維應用于汽車外飾件主要是在重型汽車上，距離其小型化尚需一段距離，而且現階段的玄武巖纖維成本較高，距離其大規模產業化還需較多實驗以及技術積累。故當前將玄武巖纖維可以應用于重型汽車上，但距離其普及還需相當一段時間。

3.3 高承壓、低成本的車用35 MPa玄武巖纖維纏繞復合材料氣瓶

3.3.1 玄武巖纖維纏繞復合材料氣瓶概述

玄武巖纖維纏繞氣瓶主要由鋁合金內襯和玄武巖纖維纏繞層所組成。可將壓縮天然氣（Compressed Natural Gas,CNG）汽車的氣瓶壓力由較為廣泛采用的20 MPa提到35 MPa，從而提高汽車的續駛里程。同時相較于對環境污染較大的玻璃纖維以及成本高昂的碳纖維，玄武巖纖維在環保性、成本控制都有較為良好的表現，且纖維的綜合性能良好，具有廣闊的市場前景。

3.3.2 研究現狀

何太碧，卿平[16]等通過進行ANSYS Workbench結構靜力學模塊計算，分別得到鋁合金內襯、螺旋纏繞層、環向纏繞層在各工況下的最大等效應力，并與復合材料氣瓶的設計要求進行對比。分析得出結論，將目前常用的車用CNG氣瓶工作壓力由20 MPa提高到35 MPa是可行的。王意東，何太碧[17]等通過對車用35 MPa玄武巖纖維增強復合材料氣瓶自緊工藝進行研究，結果表明：在自緊后，玄武巖纖維增強復合氣瓶纖維層在35 MPa的工作壓力下的應力強度明顯高于自緊前，氣瓶纖維強度利用率大幅度提高;在60～80 MPa的工作壓力下，纖維增強作用得到提高；而且當自緊壓力為64.89 MPa時，氣瓶的承載性能達到最佳。該研究成果可以大幅度提高玄武巖復合材料氣瓶的承載能力，有助于天然氣汽車的應用及推廣。

3.3.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術難點）

（1）如何提高玄武巖纖維纏繞復合材料氣瓶的疲勞強度；

（2）對玄武巖纖維纏繞復合材料氣瓶的損傷分析不足；

（3）玄武巖纖維纏繞復合材料氣瓶的安全性能是否滿足要求。

3.3.4 產業化分析

當前對于車用玄武巖纖維復合材料氣瓶的研究尚處于初級階段，后續還需大量實驗驗證其在35 MPa的壓力下是否仍然具有穩定的性能及是否具有安全性，在解決諸如此類問題的前提下，該復合材料氣瓶具有大規模產業化的良好前景，此材料氣瓶在節能環保方面的優勢是其未來發展的巨大潛力。

4 具有發展潛力的玄武巖纖維增強復合材料

通過對比各種玄武巖纖維增強復合材料，玄武巖纖維樹脂基復合材料具有很廣闊的前景。不同作者持有不同的觀點，都論述了自己的研究領域的發展前景，對比之下，可發現這3種玄武巖纖維復合材料各具特點：

（1）玄武巖纖維增強金屬層合板，同時具有金屬和復合材料纖維的優點，且相較于其他纖維纖維增強金屬層合板，具有綠色無污染、化學穩定性好的特點，是一種十分具有潛力的玄武巖增強復合材料。

（2）玄武巖纖維/樹脂基復合材料，因在車用復合材料氣瓶的應用中有良好的性能，對當前新能源汽車的發展有很大的推動作用，在未來進行大量實驗解決目前問題的前提下具有十分廣闊的前景。

（3）玄武巖纖維聚合物復合材料，目前的研究多用于混凝土的結構強化，針對車用材料的研究較為缺乏，是現階段3種復合材料中最不成熟的車用材料。

在3種玄武巖纖維增強復合材料中，在對玄武巖纖維的安全性及疲勞損傷進行進一步深入分析后，玄武巖纖維樹脂基復合材料具有很廣闊的發展前景。

5 結語

通過對近幾年的研究成果的綜述、分析，可發現對玄武巖纖維的研究不僅僅局限于單一纖維，而是呈現出其與其他有優良性能的材料復合的趨勢，比如玄武巖纖維和金屬材料、樹脂基、聚合物的結合。目前，研究熱點主要集中在下面3個方面：

（1）如何提高玄武巖纖維和其他材料的相容性；

（2）如何降低玄武巖纖維增強復合材料的成本；

（3）如何提高玄武巖纖維增強復合材料的安全性。

通過研究中國玄武巖纖維增強復合材料目前的發展現狀可以看出，雖然我國在車用玄武巖纖維材料研究領域里取得了一些成果，但與國際先進水平還存在一定的差距。在我國，車用玄武巖纖維增強復合材料現階段還處于小規模的實驗和示范應用階段，距離大規模商業化應用還有很長一段路要走，國內的各研究機構和企業要勇于開拓創新，在未來為該領域的突破貢獻自己的力量。