車用復(fù)合材料應(yīng)用與開發(fā)關(guān)鍵淺析

李智 王磊

摘 要：隨著我國(guó)新能源汽車銷售量和保有量雙雙提升，先進(jìn)復(fù)合材料作為輕量化效果最明顯和可靠性最佳的輕量化材料之一，在新能源汽車輕量化進(jìn)程中將扮演重要角色。汽車用復(fù)合材料隨著汽車輕量化的推進(jìn)和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的重視和應(yīng)用，汽車用復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用比例逐步提升，所以文章將結(jié)合車用復(fù)合材料的研究進(jìn)展和情況，從整車開發(fā)和應(yīng)用的角度探討車用復(fù)合材料應(yīng)用與開發(fā)關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：輕量化;復(fù)合材料;復(fù)合材料應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U465.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-215-04

Abstract： As the sales volume and quantity of new energy vehicles in China both increase， advanced composite materials， as one of the most obvious lightweight materials with the best reliability， will play an important role in the process of lightweight new energy vehicles. Automotive along with the advancement of automotive lightweight composite materials and the rapid development of new energy vehicles has been widely attention and application of automotive development and application of the composite material ratio gradually increased， so this paper will combine composite materials and the research progress of automobile， from the view point of the vehicle development and application of automotive composite materials application and development of key.

Keywords： Lightweight; Composite Material; Application of composite materials

前言

在汽車“新四化”發(fā)展的背景下，先進(jìn)復(fù)合材料作為輕量化效果最明顯和可靠性最佳的汽車輕量化材料之一，勢(shì)必在新能源汽車輕量化進(jìn)程中擔(dān)當(dāng)重要角色。汽車用復(fù)合材料隨著汽車輕量化的推進(jìn)和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了大力的推廣和研究，車用復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用比例也逐步提升，各大汽車廠商紛紛開始進(jìn)行了車用復(fù)合材料的應(yīng)用與開發(fā)探索。

材料輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要技術(shù)途徑和措施之一，高分子及其復(fù)合材料為汽車輕量化提供了關(guān)鍵的材料支撐。從20世紀(jì)50年代以來，高分子及其復(fù)合材料逐漸成為汽車工業(yè)的主要裝飾及結(jié)構(gòu)材料之一。經(jīng)過70多年的發(fā)展，其應(yīng)用的廣度和深度不斷提高，應(yīng)用范圍也從裝飾件逐漸發(fā)展過渡到主承力結(jié)構(gòu)件[1]。

本文以汽車主機(jī)廠技術(shù)研發(fā)人員對(duì)復(fù)合材料的認(rèn)知和應(yīng)用與實(shí)踐為主題。簡(jiǎn)要的分析了汽車用先進(jìn)復(fù)合材料開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵問題，同時(shí)從產(chǎn)業(yè)化的角度對(duì)發(fā)展汽車用先進(jìn)復(fù)合材料的關(guān)鍵問題提出些許建議，從整車企業(yè)應(yīng)用與開發(fā)車用先進(jìn)復(fù)合材料的視野詮釋著每一階段所作的些許工作。

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)保有量的不斷增高，汽車排放對(duì)環(huán)境的影響日益加深，保護(hù)環(huán)境是中國(guó)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的根本利益和基本目標(biāo)之一， 為推進(jìn)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》，要堅(jiān)決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)，扎實(shí)推進(jìn)凈土保衛(wèi)戰(zhàn)。依據(jù)GB27999-2011《乘用車燃油消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》要求至2020年實(shí)現(xiàn)平均油耗5.0L/100km，2020年CO2排放118g/ km的《規(guī)劃》目標(biāo)。經(jīng)相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)研，輕量化技術(shù)是最有效的技術(shù)手段，材料輕量化技術(shù)也將是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要措施之一。

1 車用復(fù)合材料的應(yīng)用

1.1 汽車輕量化

汽車輕量化是指在保持汽車原有的安全性、舒適性、可靠性等目標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求的前提下，且汽車本身成本符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車節(jié)能減排、降低燃油消耗等性能指標(biāo)。

材料輕量化技術(shù)是指通過采用新型輕質(zhì)材料，在保證實(shí)現(xiàn)原有功能及性能目標(biāo)的前提下來實(shí)現(xiàn)降低重量的技術(shù)措施。

在輕量化趨勢(shì)的影響下，各種新型材料，如輕質(zhì)金屬材料（鋁合金、鎂合金）、輕質(zhì)非金屬材料（低密度、薄壁化）以及先進(jìn)復(fù)合材料將越來越多的應(yīng)用于汽車的輕量化設(shè)計(jì)中，在整車的材料組成中比例也將隨之提高。

1.2 汽車用先進(jìn)復(fù)合材料

高分子復(fù)合材料按性能高低，可分為通用復(fù)合材料和高性能（先進(jìn)）復(fù)合材料。高性能高分子復(fù)合材料是采用新技術(shù)、新工藝或新設(shè)備研制的具有優(yōu)異性能或特殊功能的復(fù)合材料。國(guó)際上一般是指以碳纖維、芳香族聚酰胺合成纖維（芳綸纖維）、硼纖維等纖維和晶須等高性能增強(qiáng)體與耐高溫的高聚物等基體構(gòu)成的復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度和比模量、各向異性和可設(shè)計(jì)性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導(dǎo)電、半導(dǎo)、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、摩擦、吸聲等功能[2]。

復(fù)合材料是各向異性的非均質(zhì)材料，具有如下特點(diǎn)：

（1）比重小，質(zhì)量輕。密度比鋼、鋁、鎂等金屬材料都低，以碳纖維復(fù)合材料舉例，其密度約為1.7g/cm3，而金屬材料中鋼的密度為7.85g/cm3、鋁的密度為2.75g/cm3;

（2）比強(qiáng)度和比模量高。比強(qiáng)度可達(dá)鋼的14倍，是鋁的10倍，而比模量則超過鋼和鋁的3倍;

（3）可靠性佳，層壓的復(fù)合材料對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)張有“止擴(kuò)”作用，這是因?yàn)楫?dāng)裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展時(shí)，到達(dá)某一纖維取向不同的層面時(shí)，會(huì)使得裂紋擴(kuò)展的斷裂能在該層面內(nèi)發(fā)散，這種特性使得FRP的疲勞強(qiáng)度大為提高。研究表明，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是靜力強(qiáng)度的50%，而復(fù)合材料可達(dá)90%。;

（4）耐磨性好，通過摻入少量的短切碳纖維可大大地提高它的耐磨性，如聚丙烯為其本身的2.5倍;聚酰胺為其本身的1.2倍;

（5）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。可長(zhǎng)期在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等環(huán)境下使用;

（6）耐高溫。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，除玻璃纖維軟化點(diǎn)較低（700～900℃）外，其他纖維的熔點(diǎn)（或軟化點(diǎn)）一般都在2 000℃以上;

（7）設(shè)計(jì)自由度高?？筛鶕?jù)構(gòu)建的設(shè)計(jì)目標(biāo)通過增強(qiáng)材料的分布、層數(shù)及纖維種類和樹脂含量實(shí)現(xiàn)自由設(shè)計(jì)。

車用復(fù)合材料因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度與比模量高、剛度好，可靠性佳、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、設(shè)計(jì)自由度高等特點(diǎn)，更有利于在汽車零部件上推廣應(yīng)用。

1.3 車用復(fù)合材料的應(yīng)用

車用復(fù)合材料隨著汽車輕量化的推進(jìn)和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用。

復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)最早開始于1953年，車用復(fù)合材料起初被應(yīng)用在少數(shù)的汽車發(fā)燒友和商用車輛上使用，汽車發(fā)燒友將其用于改裝和裝飾零件使用;在商用車領(lǐng)域主要在重卡車上使用。

自2013年寶馬推出兩款大量使用碳纖維復(fù)合材料的電動(dòng)汽車i3與i8，隨著i3與i8的量產(chǎn)，開啟了碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的風(fēng)暴，各大汽車廠商紛紛開始復(fù)合材料的研發(fā)。

目前車用復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用主要以碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、金屬基復(fù)合材料（MMC）等為主。

中國(guó)品牌主機(jī)廠對(duì)復(fù)合材料的探索主要集中應(yīng)用在車身、內(nèi)外飾、底盤傳動(dòng)、動(dòng)力總成等系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)零部件如下：

內(nèi)外飾系統(tǒng)：保險(xiǎn)杠面罩、后視鏡殼體、擾流板、中網(wǎng)格柵、門內(nèi)板、儀表板等;

車身系統(tǒng)：上車體，頂蓋和頂蓋橫梁、后地板、車門外板等;

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的進(jìn)氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩、發(fā)動(dòng)機(jī)檔桿、發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩蓋等;

傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸、制動(dòng)踏板、離合器片等;

底盤系統(tǒng)中的懸置、擺臂、框架、板簧等。

2 車用復(fù)合材料的開發(fā)關(guān)鍵

2.1 汽車用復(fù)合材料的探索

隨著汽車在國(guó)內(nèi)的銷量和保有量不斷增加以及燃油及能源消耗的不斷上升，國(guó)家鼓勵(lì)和支持發(fā)展新能源汽車并提供新能源汽車專用補(bǔ)貼。大力發(fā)展新能源汽車，續(xù)航里程是消費(fèi)者考慮是否購(gòu)車的關(guān)鍵因素之一，在電池能量密度恒定的前提下汽車持續(xù)減重可以提升續(xù)航里程，而車用復(fù)合材料可以替代汽車傳統(tǒng)采用的金屬材料以降低汽車整備質(zhì)量實(shí)現(xiàn)減重。各大整車生產(chǎn)制造商也紛紛開始加大研發(fā)投入，探索汽車用復(fù)合材料在汽車各系統(tǒng)中的應(yīng)用并開始尋找適合汽車應(yīng)用的專用復(fù)合材料。經(jīng)過調(diào)研和探索發(fā)現(xiàn)如果直接按照金屬材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)將傳統(tǒng)的鈑金替換為復(fù)合材料是很難實(shí)現(xiàn)，而且基于傳統(tǒng)的制造工序也存在許多問題，尤其批量生產(chǎn)制造方面，復(fù)合材料的應(yīng)用還是有局限的，其中包括汽車專用的復(fù)合材料研發(fā)、與整車傳統(tǒng)制造工序的結(jié)合、復(fù)合材料的維修以及和金屬材料的連接和復(fù)合材料的回收等問題。

整車企業(yè)對(duì)車用復(fù)合材料的探索，是從市場(chǎng)調(diào)研階段、深入學(xué)習(xí)階段、實(shí)踐消化階段到深化實(shí)踐階段和創(chuàng)新應(yīng)用階段不斷發(fā)展的。

2.2 車用復(fù)合材料的開發(fā)關(guān)鍵

起初整車企業(yè)研發(fā)人員大多采用“等代替換”的原則來開發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)合材料零部件，即采用傳統(tǒng)鋼制部件的結(jié)構(gòu)形式和性能要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。這是因?yàn)檎嚻髽I(yè)的研發(fā)人員大多對(duì)復(fù)合材料性能和知識(shí)沒有全面的了解，同時(shí)目前的設(shè)計(jì)手冊(cè)和設(shè)計(jì)案例也都是以金屬材料為主而制定的。復(fù)合材料主要由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成，其基體材料及增強(qiáng)材料的特性決定了復(fù)合材料的特性。復(fù)合材料與金屬材料具有不同的自身屬性，復(fù)合材料為各向異性;金屬材料為各向同性。復(fù)合材料和金屬材料的失效模式不同，復(fù)合材料失效模式復(fù)雜多變，屬于漸進(jìn)式韌性破裂失效，而金屬材料的失效模式為塑性變形導(dǎo)致的屈服斷裂失效。

汽車用復(fù)合材料的開發(fā)需要在正向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、成本等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。僅依照結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和忽視材料的設(shè)計(jì)都不能使復(fù)合材料達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。同時(shí)目前也面臨著復(fù)合材料特性參數(shù)不足，汽車專用復(fù)合材料缺乏，復(fù)合材成本較高和復(fù)合材料零部件維修及保養(yǎng)等問題。

綜合所述車用復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)在具有汽車專用復(fù)合特性數(shù)據(jù)庫(kù)的前提下從選材、制造、噴涂、維修和與金屬材料的連接以及回收等方面進(jìn)行綜合考慮。汽車用復(fù)合材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)逐步完善和制定。

2.3 車用復(fù)合材料的開發(fā)建議

按照《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》有關(guān)輕量化技術(shù)路線的發(fā)展目標(biāo)指出，預(yù)計(jì)2026年至2030年實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重35%，重點(diǎn)發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，單車用鎂合金達(dá)到45kg，碳纖維使用量占車重5%。

整車企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)人員和材料工程師大都對(duì)復(fù)合材料沒有深入了解，目前正進(jìn)入探索和實(shí)踐階段，經(jīng)過近幾年的市場(chǎng)調(diào)研及探索，初步具備了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)。然而復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)往往對(duì)于汽車主機(jī)廠的開發(fā)流程、質(zhì)量體系、供應(yīng)商管理、供應(yīng)鏈物流、材料認(rèn)可及實(shí)驗(yàn)認(rèn)證均不熟悉。從而形成了主機(jī)廠找不到需要的復(fù)合材料供應(yīng)商，復(fù)合材料企業(yè)也無法完全滿足主機(jī)廠要求這一現(xiàn)象發(fā)生。特別是復(fù)合材料供應(yīng)商到復(fù)合材料零部件供應(yīng)商的身份進(jìn)階和轉(zhuǎn)型需要加快，主機(jī)廠往往采購(gòu)的是復(fù)合材料零部件而不是復(fù)合材料纖維。

所以建議整車企業(yè)逐步深入對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行研究，并建立研發(fā)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和人才梯隊(duì)以滿足對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求;同時(shí)復(fù)合材料企業(yè)目前也要深入到主機(jī)廠進(jìn)行溝通交流，逐步完善相關(guān)要求以滿足整車企業(yè)，以實(shí)現(xiàn)共同開發(fā)及同步開

發(fā)的要求。

整車企業(yè)作為終端載體，需要對(duì)整體產(chǎn)業(yè)鏈負(fù)責(zé)，鑒于目前復(fù)合材料材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)不完整，復(fù)合材料及零部件試驗(yàn)檢測(cè)方法不完善，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則不統(tǒng)一等多方面應(yīng)建立相應(yīng)的體系和流程。

復(fù)合材料企業(yè)應(yīng)推進(jìn)復(fù)合材料的成本優(yōu)化，并可實(shí)現(xiàn)由材料至零部件這一過程，按照主機(jī)廠要求建立健全質(zhì)量體系，以滿足整車企業(yè)要求，并深入主機(jī)廠開展復(fù)合材料的交流以推動(dòng)其在汽車的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

車用復(fù)合材料在整車上應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，伴隨著復(fù)合材料廠商對(duì)汽車專用復(fù)合材料加大了研發(fā)投入，汽車專用的復(fù)合材料促使了復(fù)合材料在汽車上使用范圍和使用量均雙雙上漲。對(duì)車用復(fù)合材料零部件的開發(fā)需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，通過頂層的正向設(shè)計(jì)結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、成本等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。復(fù)合材料廠商應(yīng)更早的進(jìn)階成為復(fù)合材料零部件制造商這一身份轉(zhuǎn)變，在復(fù)合材料零件的研發(fā)階段介入主機(jī)廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為車用復(fù)合材料零部件的開發(fā)提供技術(shù)支持和工藝試制。通過主機(jī)廠與復(fù)合材料廠商的共同推進(jìn)，將更快的加速汽車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

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