纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有高比模量、耐腐蝕等優(yōu)異的力學(xué)特性和熱物理性能、化學(xué)穩(wěn)定性、阻尼減震降噪性等一系列金屬材料所無(wú)法比擬的優(yōu)良性能，并具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、可大規(guī)模整體成型等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。那復(fù)合材料具體在國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)上有哪些應(yīng)用？在國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)中應(yīng)用上又有怎樣的展望？讓小編來(lái)為大家一一解說(shuō)。
前言
自從1953年世界上第一部FRP汽車——GM Corvette制造成功以后，聚合物基復(fù)合材料即成為汽車工業(yè)的一支生力軍。
20紀(jì)70年代開(kāi)始，由于片狀模壓成型SMC，Sheet Molding Compound)、塊狀模壓成型(BMC, Bulk Molding Compound)材料的成功開(kāi)發(fā)和機(jī)械化模壓技術(shù)的應(yīng)用，汽車玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展得到快速發(fā)展。
以SMC、BMC制造工藝為代表，主要用于汽車的汽車內(nèi)飾件和防腐蝕外護(hù)板件，也有少量用于汽車的結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件；隨著環(huán)保和輕量化、節(jié)能等需求，復(fù)合材料原材料以及工藝制造和裝備的不斷進(jìn)步，汽車復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本降低、生產(chǎn)效率提高，以玻璃氈增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂成型工藝(GMT, Glass Mat reinforced Thermoplastics)、長(zhǎng)纖維在線模壓成型工藝(LFT-D,Long Fiber Reinforced Thermoplastics- Direct processing)、樹(shù)脂注射成型(RTM, Resin transfer molding)為代表的高性能復(fù)合材料得到了迅猛發(fā)展，主要用于汽車的車身、車身地板、車門、輪轂等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件。
一、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)外汽車上的應(yīng)用
復(fù)合材料在國(guó)外汽車車身覆蓋件、內(nèi)飾件等半結(jié)構(gòu)件開(kāi)發(fā)與制造得到廣泛應(yīng)用，主要是以SMC、GMT等短切玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件為主，包括車頂板、后備箱蓋板、車備胎倉(cāng)、保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾板和車前端等。近年來(lái)，復(fù)合材料在轎車上的覆蓋件及內(nèi)飾件應(yīng)用見(jiàn)表1所示。
表1. 國(guó)外汽車復(fù)合材料的應(yīng)用
由于玻璃鋼存在剛度不足的缺點(diǎn)，不能用于主承力結(jié)構(gòu)，高性能的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料正在引發(fā)全球汽車制造業(yè)一場(chǎng)新的技術(shù)革新。
BMW M3 CSL碳纖維車頂是在BMW汽車公司的Landshut工廠中的第一條高自動(dòng)化的碳纖維車身零部件加工生產(chǎn)線上制作而成，相比鋼制車頂，其重量減輕了約6kg，相當(dāng)于鋼制車頂重量的一半。
圖 BMW M3 CSL碳纖維車頂，來(lái)源于汽車之家
Polimotor Research Inc.公司開(kāi)發(fā)了一種新的、輕巧、碳纖維復(fù)合材料四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(如圖1所示)，采用東邦耐克絲碳纖維被選為環(huán)氧樹(shù)脂基增強(qiáng)材料，采用模塑成型工藝，使用低成本的加工材料，循環(huán)時(shí)間比傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料的成型方法更快，模具工具成本減少50%，碳纖維復(fù)合材料缸體比合金的重量輕20磅，新發(fā)動(dòng)機(jī)缸體重量比鋁的輕45%~50%。
圖1 碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
寶馬2013年推出首款i3電動(dòng)車以及其后推出的i8跑車的整個(gè)車身結(jié)構(gòu)都是由碳纖維材料制成，采用RTM進(jìn)行高壓樹(shù)脂注射技術(shù)，將成型時(shí)間控制在10分鐘內(nèi)；在整車組裝方面，寶馬采用新的自動(dòng)化接合技術(shù)，極大提高了生產(chǎn)效率。寶馬i8 Spyder概念車的重量?jī)H為1630公斤，能夠比傳統(tǒng)新能源汽車減輕250~350公斤(如圖2所示)。
圖2 寶馬i系列碳纖維車架
復(fù)合材料在國(guó)外大型客車中也得到進(jìn)一步的拓展應(yīng)用，應(yīng)用部件包括前后圍、前后保險(xiǎn)杠、翼子板、輪護(hù)板、踏步圍板、行李箱門板、裙板(側(cè)圍板)、后視鏡、儀表板、倉(cāng)門板、空調(diào)頂置殼體等。荷蘭人甚至研制了一個(gè)全復(fù)合材料超級(jí)巴士(如圖3所示)，該車15×2.5×1.5m，可乘24人，雙側(cè)各有8個(gè)門，上下方便，其主用材為T700-12K/環(huán)氧樹(shù)脂，采用真空輔助樹(shù)脂熔塑法成形。
圖3 復(fù)合材料客車
二、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)上的應(yīng)用
我國(guó)汽車復(fù)合材料應(yīng)用始于美系、日系等引進(jìn)車型上，近幾年奇瑞、吉利、長(zhǎng)城等自主品牌也在自主開(kāi)發(fā)的一些車型應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)汽車中的部分應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表2。
表2 復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)汽車中的部分應(yīng)用實(shí)例
自2009年的哥本哈根會(huì)議開(kāi)始，“低碳經(jīng)濟(jì)、新能源”成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。作為汽車消費(fèi)大國(guó)的中國(guó)，新能源汽車的生產(chǎn)和使用必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，這就給了國(guó)內(nèi)汽車輕量化一個(gè)機(jī)遇，同時(shí)也是復(fù)合材料汽車零部件借勢(shì)發(fā)展的一個(gè)巨大市場(chǎng)。上汽采用輕質(zhì)GMT復(fù)合材料制備頂棚內(nèi)飾板(如圖4所示)，可實(shí)現(xiàn)減重20%~30%，綜合成本可降低約20元/件。上汽大通校車頂凸臺(tái)采用SMC材料，減重14kg，重量較原有鈑金件降低60%。
圖4 頂棚內(nèi)飾板
近年來(lái)，復(fù)合材料零部件在國(guó)內(nèi)客車及載貨汽車的應(yīng)用，也有不少成功案例。比如，南京依維柯都靈V系列車的SMC豪華面罩、后行李廂門、BMC前大燈和霧燈、FRP后圍等構(gòu)件、一汽集團(tuán)解放J5、J6系列的SMC前保險(xiǎn)杠、前圍面板、導(dǎo)流罩等；中國(guó)重汽華沃系列的SMC前端面板、腳踏板、門下裝飾板和側(cè)護(hù)板等；陜汽德龍系列的SMC面罩、保險(xiǎn)杠、腳踏板、左右護(hù)欄板和導(dǎo)流罩等。
國(guó)內(nèi)首輛自主研發(fā)的復(fù)合材料車廂自卸車（如圖5所示），車身長(zhǎng)度達(dá)到8.6米，但車身自重僅為4.8噸，其載重能力可達(dá)50噸，與傳統(tǒng)的金屬車廂運(yùn)輸車重量減輕了29%左右。
圖5 復(fù)合材料箱體運(yùn)輸車
近年來(lái)，聚合物基復(fù)合材料在客車及載貨汽車領(lǐng)域應(yīng)用有所增加，而且SMC、LFT-D工藝正逐步替代傳統(tǒng)手糊工藝，而且以短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主，連續(xù)碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)汽車廠家應(yīng)用案例較少。
三、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料LFT-D成型工藝
在提到模壓成型工藝技術(shù)時(shí)，特別要提到近年來(lái)在汽車復(fù)合材料行業(yè)中最受關(guān)注和市場(chǎng)成長(zhǎng)最快的LFT-D成型工藝(如圖6(a)所示)。LFT-D成型工藝是長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線直接生產(chǎn)制品的一種工藝技術(shù)，將設(shè)計(jì)好比例的樹(shù)脂、添加劑以及長(zhǎng)纖維在專用設(shè)備中進(jìn)行混合，將混配好的原料送入雙螺桿擠出機(jī)中制成坯料后經(jīng)傳輸裝置送入沖壓模壓?jiǎn)卧苯涌焖俪尚纬善贰?/span>
圖6(a) LFT-D 成型工藝
與傳統(tǒng)GMT成型工藝(如圖6(b)所示)相比，LFT-D成型工藝省略了半成品制備步驟，因而大幅度提高生產(chǎn)效率，比傳統(tǒng)工藝成本低20%~50%。與同類材料成形工藝相比，其制品的抗沖擊性能提高大約40%~60%。
圖6(b) GMT 成型工藝
LFT-D成型工藝包含材料復(fù)合工藝、沖壓模壓工藝、數(shù)控化設(shè)備等關(guān)鍵難點(diǎn)，歐洲已成功應(yīng)用20多年，目前國(guó)內(nèi)尚未系統(tǒng)攻克。
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注：文章來(lái)源于機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心周玉敬，楊濤，范廣宏 ，艾邦高分子編輯整理
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