纤维增强复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨和碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、玄武岩纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。在一般场合下，复合材料通常是指纤维增强树脂基复合材料。

半个世纪以来，树脂基复合材料作为新材料领域中的后起之秀得到了很大的发展，为世人瞩目。目前，汽车领域在研究使用的树脂基复合材料中最典型的材料有以下几种：

（1）片状模塑料（Sheet Moulding Composite，SMC）。SMC是由长玻纤增强不饱和聚酯制成的片材，经过热成型加工可做成各种车用零件，另外，此类浸有树脂的玻纤织物用手工法糊成许多种零部件，经固化后即可使用。

（2）固状模塑料（Bulk Moulding Composite，BMC）。此类树脂通过热固性注塑机可制作各类零部件。

（3）长纤维增强热塑性复合材料（LFT）。LFT是一个广义的塑料专用词汇，在汽车复合材料工业中有一个非正式但约定俗成的定义，即指长度超过10 mm的增强纤维（一般是玻璃纤维）和热塑性聚合物（一般是聚丙烯）进行混合并生产而成的制品。例如，GMT（Glass-Mat Reinforce Thermoplastic）、LFT-G（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Granules）和LFT-D（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct）等皆属于LFT范畴，具有密度低、比强度高、比模量高和抗冲击性强等特性。

（4）纤维增强复合材料。纤维增强复合材料密度小，设计灵活美观，易成形，耐腐蚀，隔热隔电，耐冲击，抗振，易于涂装，且强度高、弹性模量高，具有和金属材料相近的力学性能，在一定条件下有金属薄板所不能比拟的优点。在质量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，而整体成本更低。目前，在汽车车身上已普遍应用的有：用玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料（SMC）制造的车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、大灯罩、发动机罩、装饰条、尾板等；用传递模塑工艺技术（RTM）制造的车身板件加强筋等。

（5）碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）。CFRP是一种新型的汽车用复合材料，具有绝佳的韧性和抗拉强度，且密度只有钢的1/4，适用于制造车身覆盖件和底盘零部件，减重幅度通常可达50%～65%。其主要特点有：

①可大幅度减轻汽车质量，特别适合制造车体部件。用CFRP制成的车体部件，其质量比用铝材和钢材制作的车体部件分别轻30%和50%以上，可减轻整车质量达10%。

②碰撞时表现出优异的强度和刚度。碳纤维直径约为0.007 mm，受力主要集中在纤维本身的定向流方向，因此可选择合理的排列，将纤维彼此层叠构建，从而优化CFRP的特色功能和特性，将其调整到预期的强度和承载性能。

③可制成高度整合的超大型车体部件。为车体设计和制造提供了巨大优势，固定和支承等功能可直接整合于部件本体之中。即使复杂的结构件或整车模块，也可用同一模具一体化制作，从而减少车体所需部件的数量。

CFRP的轻量化、高强度的特性正是高性能车所需的，目前BMW i3、i8和Alfa Romeo（阿尔法罗密欧）4C等汽车车身乘员舱模块均由CFRP制成，取得了其他材料难以实现的高刚度、被动安全性和轻量化效果，如图5-19所示。

图5-19 CFRP车身乘员仓模块

资料来源：2013年欧洲车身会议ECB2013。

CFRP的应用可使汽车车身减轻30%～50%，相当于钢制车身结构质量的2/3～1/2。以普通车为例，平均质量为1 380 kg，CFRP化之后，质量将下降到970 kg，下降了30%。但由于目前CFRP价格高昂，使它在一般汽车中的应用受到限制。汽车上可应用CFRP制造的零部件，如图5-20所示。

为降低CFRP的成本，增加其用量，改进CFRP生产方法和工艺、提高其制造效率已成为汽车轻量化材料研究中的重要课题，现已取得重大进展。热固性CFRP（环氧树脂、不饱和聚酯树脂）已应用于车身骨架、四门两盖、防撞梁、A/B柱等零件；热塑性CFRP（聚丙烯、聚酰胺）的应用正在研究中，预计将应用于翼子板、发动机罩盖、前端框架等零件。除了成本方面，CFRP与其他材料（镁、钢、铝、CF、塑料或玻璃纤维部件）间的连接技术也有待于进一步提高。

图5-20 汽车上可用CFRP制造的零部件

纺织复合材料由纺织结构物和基体材料组成，将纺织技术和现代复合材料的成形技术相结合，有效地克服了传统复合材料的取向性和力学性能不均匀性以及损伤容限低等缺点，比强度和比模量高，抗疲劳性能好，在汽车工业中的应用越来越广泛。柔性纺织复合材料主要用于车身内、外装饰及车用管材、带材；刚性纺织复合材料可用于制作车身部件。

应用复合材料有利于实现模块化生产。为了降低整车的生产成本，国外一些汽车制造商正在研究汽车零部件生产模块化。所谓模块化生产，即是以一个零件（或部件）为中心将周边的零件组合在一起经一次成形加工而成，这样可以减少许多制造工艺和模具数量。例如，宝马系列的汽车变速箱组件是用Bayer公司生产的35%玻纤增强PA66制成，它集许多零部件于一体，不仅节约了很多整车布置的宝贵空间，也减少了成形工艺；BASF公司正致力于一种新的构思，将汽车储油箱、永久性滤清器和油泵集成于汽车底部一个用35%玻纤增强PA66制成的模块内；美国伊利诺伊州的Tec Air公司用高流动尼龙制造出重2.3 kg、0.56 m长的汽车发动机冷却风扇组件，它将风机轮子和其他进气组件组合在一起，这种产品已经应用到通用公司的多种车型上。

欧盟最近采用树脂传递模塑成形（RTM）工艺成功地试制出某轿车碳纤维复合材料底板，零件的数量由28个减少到8个，较钢件减重约50％，而车身的性能达到了原钢制车身水平。

宝马M3 CSL汽车的车顶充分体现了采用轻质CFRP增强车体结构的优势。这种车顶分两个生产阶段制成：第一阶段将五层专用碳纤维层叠放置进行预成形，这一阶段的重要要求同时也是这一过程的一项重大革新，是确保碳纤维妥善排列，准确到位，具备合理的铺层结构，提供车顶所需的稳定性和外观；第二阶段是树脂压铸（RTM）注射工艺，将已预成形的多层碳纤维垫放入1 800 t压力机，并将透明型环氧树脂注射到材料之中，车顶在高温模具中固化，漆上透明漆。与钢质车顶相比，宝马M3 CSL型汽车的车顶质量减轻了6 kg，减重50%；奥迪urban concept驾驶舱由碳纤维增强复合材料（CFRP）制造，并且将两个座位的底架整合在一起，使得结构极其轻巧坚固。

阻碍碳纤维在汽车领域广泛应用的关键因素是材料和制造成本，研发性价比更高的大丝束碳纤维材料是今后的一个发展方向。随着碳纤维行业的不断成熟与发展，在节能减排和汽车轻量化大方向的指引下，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量化车身将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成，但由于碳纤维构件的制造工艺更适合小批量生产，同时成本较高，因此短期内难以在一般汽车上大批量应用。

LFT-D是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术，其优点主要体现在两方面：一是降低了成本，由于是一步法生产，LFT-D生产的大型结构件比二步法生产的GMT或LFT-G压制件的成本低20%～50%；二是制品综合性能优异，LFT-D压制成形制品的抗冲击性能比GMT的略低，但由于它比LFT-G成形后的纤维长很多，因此其抗冲击性能明显高于LFT-G。成形周期超过1 min的部件用LFT-D注塑设备在30 s内就能完成。图5-21为由LFT-D制成的车门中间骨架和前端模块。

智能概念车“smart forvision”是世界上第一款采用热塑性塑料车轮（图5-22）的汽车。在2011年的Fakuma 塑料展会上，巴斯夫公司展出了这种车轮。智能全塑车轮采用巴斯夫公司的新型特种聚酰胺Ultramid制造，质量仅为6 kg，比标准铝合金车轮轻30%。

目前，车身材料仍以钢、铝、镁和塑料为主。随着车身新材料、新技术、新工艺的研发，轻量化材料与汽车结构设计、制造工艺的结合将更为密切，汽车车身将趋向多材料、轻量化的方向发展。通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减轻质量。要实现多材料、轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在汽车合适的部位上”。

未来，面对国际汽车用复合材料应用技术的快速发展，要快速提升我国汽车复合材料的应用水平，需要复合材料供应商、零部件生产商及汽车主机厂共同努力，进一步加强设计、制造、检测和评价技术研究，提高复合材料应用技术的成熟度。

图5-21 由LFT-D工艺制成的车门中间骨架和前端模块

图5-22 热塑性塑料轮辋