車用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)

劉一帆 王童 陳軼嵩 邱兆乾 羅耿

（長(zhǎng)安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：玄武巖纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料 汽車輕量化

1 引言

玄武巖纖維是一種無機(jī)纖維，由天然玄武巖礦石經(jīng)過高溫熔融拉制而成，是我國(guó)現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)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(qiáng)度、低成本、環(huán)境友好的材料，符合全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，在汽車輕量化、車用氣瓶材料、汽車外飾件等領(lǐng)域均有研究性應(yīng)用，未來在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。

目前，車用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究尚處于萌芽階段，距離其大規(guī)模應(yīng)用還有較大距離?，F(xiàn)階段的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料；

（3）玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料；

（4）玄武巖纖維增強(qiáng)合金復(fù)合材料；

（5）玄武巖纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料；

（6）玄武巖纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料。

通過總結(jié)該領(lǐng)域具有代表性的研究進(jìn)展，包括玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板的制備，玄武巖纖維/樹脂基復(fù)合材料的界面強(qiáng)化、玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料，旨在分析這些材料在汽車不同部件上的應(yīng)用前景。

2 玄武巖纖維復(fù)合材料的研究

2.1 玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板

2.1.1 玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板概述

玄武巖纖維纖維增強(qiáng)金屬層合板是由纖維樹脂復(fù)合材料與金屬薄板交替鋪放并且經(jīng)過熱壓成型得到。這種制品結(jié)合了復(fù)合材料與金屬的優(yōu)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗沖擊性能強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。纖維增強(qiáng)金屬層合板由于兼具纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和金屬2者的優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，由于目前對(duì)玻璃纖維、碳纖維在纖維金屬層合板中應(yīng)用的研究已經(jīng)較為廣泛，而玄武巖纖維所具有的許多優(yōu)異的性能是其它纖維所不能及的，尤其是其環(huán)保性，故該材料具有良好的發(fā)展前景。

2.1.2 研究現(xiàn)狀

Wu和Slagter[1]通過研究孔的幾何位置對(duì)ARALL和GLARE 2種連接失效模式和連接強(qiáng)度的影響，對(duì)纖維金屬層合板的機(jī)械連接進(jìn)行研究，證明了孔的幾何位置在E/D=3，W/D=4時(shí)連接強(qiáng)度達(dá)到最高。Po-Ching[2]等對(duì)硼/玻璃纖維增強(qiáng)鋁層合板的機(jī)械連接性能進(jìn)行研究，證明在相同接頭幾何形狀和金屬體積分?jǐn)?shù)下，加入硼纖維可以提高纖維金屬層合板的連接強(qiáng)度。Zhang[3]等對(duì)孔的幾何尺寸、纖維鋪排方向和預(yù)緊力大小這3個(gè)因素對(duì)纖維增強(qiáng)金屬層合板螺栓連接性能的影響進(jìn)行分析，證明了孔的幾何位置在E/D=3～4，W/D=4，預(yù)緊力為5 N·m為最優(yōu)參數(shù)。此外，纖維鋪層取向?qū)LARE層板的連接強(qiáng)度影響較小，但當(dāng)鋪層角度在45°時(shí)層合板的伸長(zhǎng)率和塑形變形能力較強(qiáng)。

吉林大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[4]采用了玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料制備了B-FRML并且對(duì)其性能展開了優(yōu)化研究。

2.1.3 產(chǎn)業(yè)化分析

目前對(duì)玻璃纖維、碳纖維在金屬層合板中的應(yīng)用研究較為廣泛，且相較于其他纖維，玄武巖纖維的環(huán)保性優(yōu)勢(shì)突出，是其他纖維所不可比擬的。因此，玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化具有良好前景。同時(shí)，也應(yīng)重視該材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用。

2.2 玄武巖纖維/樹脂基復(fù)合材料

2.2.1 玄武巖纖維/樹脂基復(fù)合材料概述

樹脂基復(fù)合材料是由纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體通過各種不同的工藝手段組合而成的復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、剛度好、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。因此，樹脂基復(fù)合材料在汽車行業(yè)、航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，復(fù)合材料作為各向異性非均質(zhì)材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）比強(qiáng)度與比模量高;

（2）耐高溫?zé)g性好;

（3）工藝性與可設(shè)計(jì)性好;

（4）能夠較為有效地遏制疲勞裂紋的擴(kuò)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(xiàn)狀

Lopresto等[6]通過對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)塑料與玻璃纖維增強(qiáng)塑料的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)前者具有更高的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量以及彎曲強(qiáng)度。Carmisciano[7]等研制出的玄武巖編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Basalt Weave Fiber Reinforced Polymer,BWFRC)有更高的彎曲模量和層間剪切強(qiáng)度。研究表明，他們制備的BWFRC與E玻璃復(fù)合材料相比具有相似的電氣性能。Gideon等[8]對(duì)單向和機(jī)織玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的靜態(tài)3點(diǎn)彎曲行為進(jìn)行研究，研究表明編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比單向材料有更好的彎曲性能。Farzin等[9]對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的低速?zèng)_擊行為進(jìn)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(jìn)行了低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)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(duì)芳綸纖維增強(qiáng)樹脂層合板的力學(xué)性能有顯著提高。Chen等[11]進(jìn)行了短切玄武巖纖維增強(qiáng)塑料(Short Basalt Fiber Re?inforced Polymer,SBFRP)的剪切力學(xué)性能研究，研究發(fā)現(xiàn)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?jǐn)?shù)的短切玄武巖纖維對(duì)SBFRP剪切性能的影響。

哈爾濱工程大學(xué)李翀等[12]對(duì)玄武巖纖維樹脂基復(fù)合材料的界面改性強(qiáng)化進(jìn)行了研究分析，目的是通過優(yōu)化纖維與基體之間的結(jié)合狀態(tài)來增強(qiáng)復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，從而提升復(fù)合材料的綜合性能。馬其華[5]等對(duì)車用樹脂基復(fù)合材料部件替代性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，通過替代設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法發(fā)現(xiàn)，樹脂基復(fù)合材料在汽車部件上有良好的應(yīng)用前景。

2.2.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術(shù)難點(diǎn)）

（1）玄武巖纖維與樹脂間的界面相容性差；

（2）對(duì)玄武巖纖維表面改性研究不太成熟。

2.2.4 產(chǎn)業(yè)化分析

現(xiàn)階段對(duì)玄武巖/樹脂基復(fù)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(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)優(yōu)化才可投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但同時(shí)也應(yīng)重視該復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)金屬材料在汽車部件應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。故玄武巖纖維/樹脂基復(fù)合材料尚不具備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以及大規(guī)模制備的條件。

2.3 玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料

2.3.1 玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料概述

聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是現(xiàn)有所有結(jié)構(gòu)材料中開始發(fā)展最早、進(jìn)行研究最多的一類復(fù)合材料，具有密度小、比強(qiáng)度與比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、安全性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而玄武巖纖維的綜合性能優(yōu)異，可以作為聚合物的理想增強(qiáng)體[13]。玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐摩擦、耐高溫、耐腐蝕、耐燒蝕的優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。

2.3.2 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料的研究主要集中在混凝土建筑上，國(guó)內(nèi)對(duì)玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料的研究有不同聚合物基體的復(fù)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(shù)難點(diǎn)）

（1）玄武巖纖維界面性質(zhì)的基礎(chǔ)研究不足；

（2）有些復(fù)合材料嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹苽浞椒ㄎ从糜谛鋷r纖維上；

（3）如何將玄武巖聚合物復(fù)合材料的研究應(yīng)用于汽車行業(yè)。

2.3.4 產(chǎn)業(yè)化分析

現(xiàn)階段對(duì)于該復(fù)合材料的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，且大部分研究針對(duì)的是混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，要實(shí)現(xiàn)在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，還需解決諸如材料的界面性質(zhì)與汽車現(xiàn)有材料性質(zhì)的相似與差異，仍需要大量分析與實(shí)驗(yàn)研究。因而，將玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料應(yīng)用于汽車，尚不具備產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模制備條件。

3 玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究

3.1 玄武巖纖維替代玻璃纖維用于成型汽車導(dǎo)流罩

3.1.1 玄武巖纖維替代玻璃纖維用于成型汽車導(dǎo)流罩技術(shù)概述

先對(duì)玄武巖纖維進(jìn)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(dǎo)流罩。玄武巖纖維是一種環(huán)保的高性能纖維，RTM成型是一種效率高、成本低、生產(chǎn)方式對(duì)人體較友好的復(fù)合材料成型方式。

3.1.2 研究現(xiàn)狀

吉林大學(xué)梁繼才，龔光耀[14]對(duì)不同類型的纖維在RTM成型中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，純玻璃纖維（GF）氈類的拉伸強(qiáng)度明顯較，而彎曲性能較好；玄武巖纖維（BF）增強(qiáng)方案與純玻璃纖維（GF）增強(qiáng)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(jié)構(gòu)的差異。在相同纖維含量時(shí)，同為纖維布結(jié)構(gòu)的碳纖維（CF），其彎曲性能要高于BF復(fù)合材料，拉伸性能高于BF復(fù)合材料，低于改性玄武巖纖維（MBF）復(fù)合材料。

3.1.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術(shù)難點(diǎn)）

（1）如何做到玄武巖纖維的彎曲性能和碳纖維相當(dāng)甚至優(yōu)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(chǎn)業(yè)化分析

目前對(duì)于玄武巖纖維應(yīng)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(yīng)用，成型汽車整流罩作為汽車上重要的空氣導(dǎo)流裝置，其材料的環(huán)保、高性能對(duì)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(chǎn)業(yè)化前景。

3.2 玄武巖纖維在汽車外飾件上的應(yīng)用研究

3.2.1 玄武巖纖維在汽車外飾件上的應(yīng)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(yīng)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(yōu)于玻璃纖維，且綠色環(huán)保，有較高的研究?jī)r(jià)值。

3.2.2 研究現(xiàn)狀

陜西汽車控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心的王莎莎、王慶國(guó)[15]等對(duì)外飾件的力學(xué)性能、噴漆后漆膜表面性能進(jìn)行檢測(cè)，并將其與現(xiàn)用的玻璃鋼外飾件進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，I型玄武巖纖維外飾件的拉伸強(qiáng)度提高43.9%，彎曲強(qiáng)度提高12.0%，沖擊強(qiáng)度提高31.3%，同時(shí)I型玄武巖纖維外飾件噴涂滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且I型玄武巖纖維制件的表面質(zhì)量要優(yōu)于玻璃鋼。國(guó)外對(duì)汽車面板材料依據(jù)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(shí)間下，拉伸強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度，都為3組中最佳，分別為95.00 MPa、29.91 MPa、12.50 MPa。研究結(jié)果表明，面板的機(jī)械性能與壓力、時(shí)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(jīng)濟(jì)效益。

3.2.3 產(chǎn)業(yè)化分析

目前玄武巖纖維應(yīng)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(xiàn)階段的玄武巖纖維成本較高，距離其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需較多實(shí)驗(yàn)以及技術(shù)積累。故當(dāng)前將玄武巖纖維可以應(yīng)用于重型汽車上，但距離其普及還需相當(dāng)一段時(shí)間。

3.3 高承壓、低成本的車用35 MPa玄武巖纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶

3.3.1 玄武巖纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶概述

玄武巖纖維纏繞氣瓶主要由鋁合金內(nèi)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(xù)駛里程。同時(shí)相較于對(duì)環(huán)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(huán)保性、成本控制都有較為良好的表現(xiàn)，且纖維的綜合性能良好，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

3.3.2 研究現(xiàn)狀

何太碧，卿平[16]等通過進(jìn)行ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊計(jì)算，分別得到鋁合金內(nèi)襯、螺旋纏繞層、環(huán)向纏繞層在各工況下的最大等效應(yīng)力，并與復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比。分析得出結(jié)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(duì)車用35 MPa玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料氣瓶自緊工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在自緊后，玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合氣瓶纖維層在35 MPa的工作壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度明顯高于自緊前，氣瓶纖維強(qiáng)度利用率大幅度提高;在60～80 MPa的工作壓力下，纖維增強(qiáng)作用得到提高；而且當(dāng)自緊壓力為64.89 MPa時(shí)，氣瓶的承載性能達(dá)到最佳。該研究成果可以大幅度提高玄武巖復(fù)合材料氣瓶的承載能力，有助于天然氣汽車的應(yīng)用及推廣。

3.3.3 目前存在的問題（尚未攻克的技術(shù)難點(diǎn)）

（1）如何提高玄武巖纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的疲勞強(qiáng)度；

（2）對(duì)玄武巖纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的損傷分析不足；

（3）玄武巖纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的安全性能是否滿足要求。

3.3.4 產(chǎn)業(yè)化分析

當(dāng)前對(duì)于車用玄武巖纖維復(fù)合材料氣瓶的研究尚處于初級(jí)階段，后續(xù)還需大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在35 MPa的壓力下是否仍然具有穩(wěn)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(fù)合材料氣瓶具有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的良好前景，此材料氣瓶在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)是其未來發(fā)展的巨大潛力。

4 具有發(fā)展?jié)摿Φ男鋷r纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

通過對(duì)比各種玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，玄武巖纖維樹脂基復(fù)合材料具有很廣闊的前景。不同作者持有不同的觀點(diǎn)，都論述了自己的研究領(lǐng)域的發(fā)展前景，對(duì)比之下，可發(fā)現(xiàn)這3種玄武巖纖維復(fù)合材料各具特點(diǎn)：

（1）玄武巖纖維增強(qiáng)金屬層合板，同時(shí)具有金屬和復(fù)合材料纖維的優(yōu)點(diǎn)，且相較于其他纖維纖維增強(qiáng)金屬層合板，具有綠色無污染、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是一種十分具有潛力的玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料。

（2）玄武巖纖維/樹脂基復(fù)合材料，因在車用復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)用中有良好的性能，對(duì)當(dāng)前新能源汽車的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用，在未來進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)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(fù)合材料，目前的研究多用于混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，針對(duì)車用材料的研究較為缺乏，是現(xiàn)階段3種復(fù)合材料中最不成熟的車用材料。

在3種玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，在對(duì)玄武巖纖維的安全性及疲勞損傷進(jìn)行進(jìn)一步深入分析后，玄武巖纖維樹脂基復(fù)合材料具有很廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)近幾年的研究成果的綜述、分析，可發(fā)現(xiàn)對(duì)玄武巖纖維的研究不僅僅局限于單一纖維，而是呈現(xiàn)出其與其他有優(yōu)良性能的材料復(fù)合的趨勢(shì)，比如玄武巖纖維和金屬材料、樹脂基、聚合物的結(jié)合。目前，研究熱點(diǎn)主要集中在下面3個(gè)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(qiáng)復(fù)合材料的成本；

（3）如何提高玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的安全性。

通過研究中國(guó)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料目前的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，雖然我國(guó)在車用玄武巖纖維材料研究領(lǐng)域里取得了一些成果，但與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距。在我國(guó)，車用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料現(xiàn)階段還處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)和示范應(yīng)用階段，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走，國(guó)內(nèi)的各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)要勇于開拓創(chuàng)新，在未來為該領(lǐng)域的突破貢獻(xiàn)自己的力量。