淺論復合材料在汽車上的應用

雷紹闊, 鐘國留, 劉 偉

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

淺論復合材料在汽車上的應用

雷紹闊, 鐘國留, 劉 偉

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

闡述了復合材料應用于汽車業(yè)的意義。介紹了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料這四種復合材料在汽車上應用現(xiàn)狀及最新趨勢，闡明了這些復合材料具有比強度與比模量高、化學穩(wěn)定性和一體化成型性好以及可阻止疲勞裂紋的擴展的優(yōu)良特性。最后指出了復合材料在未來汽車應用的研究方向。

復合材料； 汽車； 應用

0 前言

隨著科學技術的發(fā)展，具有輕質、耐腐蝕性、易成型等優(yōu)點的非金屬材料越來越多的被應用在汽車上，如：汽車外飾上的保險杠、車燈、格柵和后視鏡等以及內飾上的門飾板、立柱飾板、后背門飾板等。近年來，國家提出降低汽車油耗的嚴格要求，使得汽車輕量化技術被高度重視，從而更加關注大量以塑代鋼的制造技術，其中汽車用復合材料在汽車工業(yè)中的應用尤為顯著，而且有著一定的市場開發(fā)前景。

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料[1]。在實際的生產中，很多改性的塑料材料，如：PP、ABS增強熱塑性材料，已經在汽車生產上大量應用。本文主要介紹纖維增強體與基體復合材料，如：SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料等這些復合材料在汽車零部件上研究及應用。

1 復合材料應用于汽車業(yè)的意義

2009-2016年，中國汽車產銷量快速增長，2016年汽車銷量接近2 500萬輛。與之相對應，中國汽車保有量持續(xù)增長，從2009年的5 100萬輛，達到2016年的19 327萬輛。照此速度發(fā)展，預計2020 年中國汽車保有量將突破20 000萬輛，圖1所示為2009-2016年中國汽車保有量及增速。

圖1 2009-2016年中國汽車保有量及增速

中國不僅是人口大國，而且是汽車大國。2013年7月，中國已超越美國，成為全球最大石油進口國。隨著每輛車的廢氣排放，二氧化碳引起的氣候變暖等問題將越來越嚴重。據研究，一輛轎車每減少質量100 kg，每百公里燃油消耗就平均減少0.5 L，二氧化碳排放也隨之減少500 g[2]。這就要求更輕、更強的材料應用于汽車上，而復合材料具備這些優(yōu)勢。與其他材料相比，復合材料有以下突出特點。

(1) 比強度與比模量高。比強度越高，零件自重越??；比模量越高，零件的剛性越大[3]。復合材料對汽車零件的輕量化貢獻很大，可使得零件厚度更薄、零件更輕、強度更高。

(2) 抗沖擊性能好。纖維增強復合材料中的纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，外加載荷由增強纖維承擔；同時，纖維增強復合材料是一種各向異性的材料，沿著纖維方向的性能遠遠大于垂直纖維方向。因此在設計產品的時候可以人為控制纖維排布，充分發(fā)揮纖維性能。

(3) 化學穩(wěn)定性優(yōu)良。復合材料不僅具備傳統(tǒng)工程塑料的優(yōu)良化學穩(wěn)定性，且由于多數復合材料增強物為纖維，基體為熱固性材料，這將大大提升材料的化學穩(wěn)定性。因此，可用玻璃纖維增強塑料制造耐強酸、耐鹽、耐酯和耐某些溶劑的化工管道、泵、閥及容器等設備。

(4) 一體化成型性好。材料與構件可一次成型，減少了零部件、緊固件和接頭數量，同時大大減少了模具數量，降低了成本。

表1針對四種材料的成本、減重效果、材料性能和可加工性能進行了評級對比。由表1中可以看出，碳纖維復合材料減重效果、材料各項性能、工藝靈活性均為優(yōu)，但材料成本高，評級較低，由此可見，若能克服關鍵技術解決成本的問題，碳纖維復合材料將會有廣闊的應用空間。目前，四種材料各有優(yōu)缺點，汽車研發(fā)工程師可根據不同車型、零部件的需求，廣泛選擇使用不同的材料及工藝。

2 復合材料在汽車上的應用情況

近年來，復合材料越來越受到重視，在各大汽車廠商應用廣泛，但目前主要集中在商用車上，僅占復合材料產量的1/10。復合材料在重型卡車上的應用大概是40～50 kg/輛，轎車以寶馬(BMW)、美星華通(GMC)、日產尼桑(NISSAN)、大眾(VW)應用最為廣泛。歐洲國家復合材料在汽車領域的應用已達到了1/3，目前復合材料在德系車上應用最多，至少2～3 kg/輛；歐系汽車在很多外飾件和結構件上采用復合材料，如：前端水箱支架、導流罩、導流板、翼子板、側裙板、面罩和保險杠等。目前我國汽車領域應用的不多[4]。

表1 不同復合材料的性能對比

2.1 SMC材料

SMC(Sheet Molding Compound)為片狀模塑料，主要原料由GF(專用紗)、MD(填料)及各種助劑組成，是一種較重要且用途廣的模壓復合材料制品的半成品。與鋼制汽車零件相比，SMC材料質量較輕，能實現(xiàn)減重目的；對模具的要求遠遠小于鈑金件，能實現(xiàn)造型設計自由，同時制件的整體性好，零件的數量很少，可在一定程度上降低成本。但是SMC材料最大的缺點是回收性差，污染環(huán)境，目前多數是以填料方式用于建筑行業(yè)。

目前美國汽車用復合材料年消耗量超過70萬t，其中32%的熱固性復合材料用于汽車及其相關領域，相當一部分部件采用了SMC材料的模壓工藝。在美國，有65%的美國轎車采用SMC材料作為前臉和散熱器護柵板，國內也有很多車型采用SMC材料作為后背門，如：DS6車型和3008車型等。

美國CSP公司研發(fā)了TCA Ultra Lite，此類SMC材料密度僅有1.2 g/cm3，同時可直接用于A級外觀零件上，避免了采用模內噴涂技術來掩蓋模壓的缺陷。2017年1月5日，日本帝人集團(Teijin)宣布，已完成對美國大陸結構塑料公司(Continental Structural Plastics，簡稱CSP)的收購。帝人集團目前的重點是建立汽車復合材料產品的發(fā)展平臺，旨在為汽車制造商提供更廣泛的解決方案。相信在不久的未來，A類車身覆蓋件將會有所增加。

由SMC材料制備產品時采用的是一種化學反應的方法，在工藝上與傳統(tǒng)熱塑性模壓差別很大。如何基于化學反應過程及原理來實現(xiàn)縮短周期、控制產品的性能，是未來需要加強研究的。

2.2 LFT材料

LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)為長纖維增強熱塑性材料。在通常情況下，一般纖維增強熱塑性材料中的纖維長度為小于1 mm，而LFT中的纖維長度大于2 mm，目前的加工工藝已經能夠將LFT中的纖維長度保持在5 mm以上，LFT材料主要分為以下兩類。

(1) LFT-G材料。LFT-G材料主要應用于注塑工藝，盡管注塑機經過很多改良，但限于注塑工藝的原因，在最后的制成品中纖維只能達到3.2～6.4 mm。同時，纖維在流動方向的差異，導致制品各向異性。所以在評估制品性能的時候需采用聯(lián)合仿真，即應用模流分析軟件將玻纖取向模擬出來，輸入到力學仿真軟件中，充分考慮到纖維的取向問題，使仿真結果更加準確。目前廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院已經在前端模塊、電池托盤等產品中應用此技術，有效地提高了分析的準確性。

(2) LFT-D材料。LFT-D材料的加工是采用在線直接生產制品的一種工藝技術，一般采用模壓工藝，保證了纖維的含量和長度。LFT-D壓制成型制品比LFT-G成型后的制品的纖維長很多，因此其抗沖擊性能明顯高于LFT-G。在目前的應用中，前端模塊都有選用LFT-G材料或者LFT-D材料。

LFT-D材料壓制的成型制品，其抗沖擊性能比GMT材料略低，但LFT-D材料的成本優(yōu)勢使之在市場上占據了一定地位。

2.3 GMT材料

GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)材料是一種以熱塑性樹脂為基體、玻璃纖維氈為增強骨架的復合材料，一般可以生產出片材半成品，然后直接加工成所需要形狀的產品。圖2所示為GMT材料在汽車上應用，一般可用于生產前端部件、座椅殼體、保險杠、備胎池等部件。GMT材料另一個重要特點是可回收利用，可對采用GMT材料制成的部件回收并進行加熱，再模壓成同等質量的同類部件或其他類型部件。

圖2 GMT材料在汽車上的應用

2.4 CFRP材料

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)為碳纖維增強復合材料，碳纖維的含碳量的質量分數高于90%的纖維總稱，它發(fā)展于20世紀60年代，是一種高科技新材料，是纖維狀的碳材料。

CFRP材料通常應用在賽車及跑車上，因為利用碳纖維可有效提高其性能，同時，此類車對成本一般不作限定。近年來隨著復合材料成本的下降以及設計方法的改進，國內各大汽車廠均加大了對CFRP材料的研發(fā)及應用，主要應用于制造汽車車身、底盤、覆蓋件、驅動軸等部件。

選用CFRP材料的制品其成型工藝甚多，從傳統(tǒng)的手糊工藝，發(fā)展到真空導入工藝、樹脂傳遞模塑成型(RTM，resin transfer molding)和真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM，vacuum assisted resin transfer molding)，制品外觀質量越來越好，制造周期越來越短，使得選用CFRP材料的制品成本逐年減少。

在BMW i3汽車車身采用了高壓樹脂傳遞模塑(HP-RTM)工藝，使得成型周期僅為3～5 min。其中在Life模塊結構的34塊碳纖維復合材料制件中，有13件采用HP-RTM工藝制造，2件采用泡沫夾芯RTM工藝制造，其余19件采用模壓工藝制造[5]。圖3所示為BMW i3的碳纖維車身。

目前國內康得復合材料有限責任公司從國外引進的2條由德國迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)和克勞斯瑪菲公司(KraussMaffei)共同開發(fā)的高壓樹脂傳遞模塑(HP-RTM)自動化生產線以及中國恒瑞有限公司導入的西班牙卡普勒高碳纖維快速多孔注入壓縮成型(RMCP)全自動生產線，解決了多年以來碳纖維零部件不能進行大批量生產的技術難關。在國家的大力支持下，越來越多企業(yè)投入到CFRP材料及其生產工藝的研究中。

圖3 BMW i3碳纖維車身

2017年，哈爾濱天順化工科技開發(fā)公司宣布，該公司繼在2015年底成功達到量產低成本T700級碳纖維基礎上，經過一年刻苦攻關，利用自產千噸線生產的原絲，再次突破低成本T800級碳纖維生產技術，各項指標均達到或超過日本T800級碳纖維技術水平。

2017年1月20日，寶馬公司(BMW)攜手康得集團打造輕量化碳纖維復合材料零件生產線，雙方就碳纖維復合材料領域的合作進行深入探討，并達成了合作共識。

3 復合材料在未來汽車應用的研究方向

未來的汽車是定制化、外形美觀、環(huán)保型的汽車，傳統(tǒng)鈑金對造型的約束已經不能滿足汽車的發(fā)展趨勢，隨之而來的復合材料可滿足大部分造型的要求。筆者認為，為同時滿足定制化生產和傳統(tǒng)車廠批量化生產，復合材料還需在縮短制造周期、研發(fā)更先進制造工藝方向加大力度。現(xiàn)有多數復合材料制品成型，動輒數分鐘，難以滿足整車廠節(jié)拍，大量庫存又會帶來倉庫管理成本，所以后續(xù)除了在成型工藝上需充分優(yōu)化外，材料的固化時間也需要提升。同時針對國內復合材料制品設計，還需要從傳統(tǒng)思維中走出來，積極培養(yǎng)相關人才。對于鈑金車身設計，各大整車廠經驗豐富，但是一旦鈑金更改為復合材料，如何從結構上提升產品性能、以滿足車體性能要求，值得研發(fā)人員高度重視。再者，對于環(huán)保，在設計過程中需提高復合材料的環(huán)保意識：一方面，復合材料能提高材料性能，增加產品的功能，這些都是對環(huán)境有利的；但復合材料零件的再利用是非常困難的事，需要努力解決復合材料的再生問題，使復合材料朝著環(huán)保的方向發(fā)展[4]。

此外，研究復合材料應用不能使用單一的復合材料，應該抓住此四類復合材料的共性，在結構和工藝上相互借鑒。從上述分析可知，此四類材料可同時應用在同一類部件上，存在一個交集區(qū)域，那么怎么有選擇地應用于汽車上不同的零件，實現(xiàn)輕量化的最大化，這個課題就需要更深入的研究。

不管怎樣，隨著輕量化的推進，采用復合材料應該是未來汽車材料發(fā)展的主流，同時也是汽車材料業(yè)發(fā)展的大趨勢。誰先掌握復合材料的制造，誰將會贏得市場。

4 結語

本文介紹了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料這四種復合材料在汽車行業(yè)應用意義及現(xiàn)狀。由于復合材料具有突出的力學性能、耐腐蝕性能及可加工性能，能夠有效實現(xiàn)汽車輕量化，從而降低油耗，減少廢氣排放?；谏鲜鰞?yōu)良性能，復合材料正在全球各大汽車主機廠中得到廣泛研究及應用，未來汽車復合材料將向著新工藝、新結構、環(huán)保、多種復合材料綜合應用方向發(fā)展。

[1] 何亞飛，矯維成，楊帆，等.樹脂基復合材料成型工藝的發(fā)展[J].纖維復合材料,2011(2)：7-9.

[2] 劉昌，楊世文.碳纖維增強復合材料(CFRP)在汽車業(yè)上的應用及面臨困難[J].汽車實用技術，2015(11)：132-133.

[3] 楊忠敏.復合材料在交通工具輕量化中的作用[J].化學工業(yè),2013, 31(4)：41-43.

[4] 李平舟.低碳經濟給力撬動車用復合材料大市場[J].聚氨酯工業(yè)，2014(5)：76-81.

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Primary Study on Application of Composite Material in Automobile

LEIShao-kuo，ZHONGGuo-liu，LIUWei

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Institute， Guangzhou 511434，Guangdong，China)

The significance of composite material applied in automotive industry was summarized.The application status and development trend of SMC, LFT, GMT and CFRP in automobiles were introduced. The paper presented composite material with high specific strength, high specific modulus, good chemical stability,good integration formability and preventing spread of crack. At last,the research direction of composite material applied in automotive industry was pointed out.

composite material； automobile； application

雷紹闊(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車輕量化復合材料的研究。

TQ 325

A

1009-5993(2017)02-0008-05

2017-03-28)