基于汽车轻量化制造的热固性复合材料浅析

高希，杨世文

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

工艺·设备·材料

基于汽车轻量化制造的热固性复合材料浅析

高希，杨世文

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

本文列举热固性复合材料在汽车领域目前应用所处的现状，然后对汽车用的热固性复合材料进行详细说明，对目前存在的一些加工工艺进行相关说明，包括其特性和制造方法，并比较不同加工工艺特点，同时还探讨了碳纤维增强热固性复合材料在汽车上的应用，列举一些量产车上的应用实例。

热固性聚合物；SMC；RTM；SRIM；真空袋压成型；碳纤维增强热固性复合材料

CLC NO.:U465.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-84-05

引言

大多数用于今天的汽车车身和底盘的长纤维及连续纤维增强聚合物基体复合材料都以热固性聚合物为基础。使用热固性聚合物而不是用热塑性聚合物主要是因为热固性聚合物粘度低得多的缘故，这样，热固性聚合物就能更容易地与长而连续的纤维结合而生产出高强度、高弹性模量的结构复合材料。

目前，热固性复合材料在汽车上的应用包括：散热器支架，保险杠杆、翼子板、发动机罩、天窗板。在底盘、悬架和传动系统的零件方面，热固性复合材料也有应用，如叶片弹簧、横梁和传动轴。预计在未来的汽车上，特别是因为减轻汽车重量将成为改善燃油效率所首选的一个重要措施的情况下，碳纤维增强热固性复合材料将得到更多的应用。

本文将展示热固性复合材料在汽车上应用的技术现状。并介绍材料和材料选择应考虑的问题，然后介绍利用热固性复合材料制造结构件的主要制造

方法。对碳纤维增强热固性复合材料在汽车上的应用进行一些探讨【1】。

1、材料

1.1 材料选择应考虑的问题

纤维增强聚合物的制备要将纤维与聚合物基体进行结合。这些成分中的每一种都有各自的作用。纤维（特点是弹性模量高）主要用于承载；聚合物基体用作结合剂，不仅要将纤维保持在正确的位置上，还要在纤维间提供传力机能。

聚合物基体复合材料中的纤维可以使连续纤维或不连续纤维，在承载方面和提供高强度弹性模量方面，连续纤维的效果比不连续纤维要好得多。对单向连续纤维增强复合材料，所有的纤维都定向在受力的方向（见图1），沿着纤维方向的纵向弹性模量和强度可用下列等式给出：

式中，和分别为单向连续纤维复合材料的纵向弹性模量和纵向强度；和分别为选定纤维的弹性模量和纵向强度；是复合材料中纤维的体积分数。

式（1）表明，为了使复合材料获得高的纵向弹性模量，应该选择高弹性模量纤维。碳纤维的弹性模量高于玻璃纤维，因此，对于高刚度的应用场合，更希望采用碳纤维。如果希望复合材料有高的纵向强度，等式（2）同样也反映了选择高强度纤维的重要性【2】。

单向连续纤维复合材料的性能取决于纤维的走向与受力方向的夹角（见图2）。当纤维的走向与受力方向一致时，弹性模量和强度最高。与此相反，对于各向同性材料，如钢和铝合金，所以方向的性能都相同。

为了获得所希望的刚度或承载能力，可以改变纤维增强复合材料中的纤维走向。对于经受单向应力条件的细长杆或者横拉杆的设计，要将纤维的走向定在该杆件的长度方向上，从而使纤维走向与应力方向一致。常见的层压板在其平面内的所有方向上具有相同的弹性模量，它是一种对称的准各向同性层压板，例如[0/90/45/-45/-45/45/90/0]层压板如图（图3a。为了获得最大的弯曲刚度，两个0°层放在层压板的外侧。对于一根承受扭矩作用的管件来说，主应力位于与管的方向成45°或者-45°的方向上，并且在这样的应用中，推荐采用一种[45/-45/-45/ 45]的对称层压材料。这样的层压板的结构如图3b。

如果使用非连续纤维而不采用连续纤维，纤维长度便成为决定复合材料的弹性模量与强度的另一个重要的参数【3】。

1.2 纤维

纤维是纤维增强聚合物中的主要承受载荷的元

件。适当地选择纤维类型、纤维体积分数、纤维长度和纤维方向角这些影响复合材料弹性模量、强度、扛疲劳性与电学性能以及热性能的参数，对纤维增强复合材料获得理想性能非常重要。纤维的选择还会影响复合材料的密度和成本。

表1列车了可作为商品买到的并认为适合于汽车应用的若干纤维的性能。E-玻璃纤维是今天最常用的增强纤维。S-玻璃纤维是另一种玻璃纤维，它是为制造飞机零件和导弹壳而开发的，它们的抗拉强度在所有纤维中是最高的。碳纤维有各种不同的拉伸弹性模量，范围为207～1035MPA。另外还有一种有机聚合物芳纶纤维，商品名叫kevlar，目前在可获得的增强纤维中，芳纶纤维密度最低，而抗拉强度-密度比最高。

表1 几种选择的增强纤维的性能比较

1.3 热固性聚合物

聚合物基复合材料中的基体并不承受多少载荷，但是，正如前面所提及的那样，它的主要作用之一是将载荷从一根纤维传给另一根纤维。它影响着复合材料的抗压强度和抗剪强度，形成复合材料和能力吸收能力。

汽车工业常用的热固性聚合物是聚酯或乙烯基酯。环氧树脂的力学性能高于聚酯和乙烯基酯，并且是宇航复合材料中用作基体材料的主要热固性塑料。表2列出了聚酯、乙烯基酯和环氧树脂的性能【4】。

表2 热固性复合材料常用的热固性聚合物性能

聚酯成本低，粘度低，加工容易，固化速度快，因此这种材料在汽车上得到了许多应用。乙烯基酯相似，但却比聚酯更贵。它们的力学性能也优于聚酯。聚酯和乙烯基酯的模制收缩量高于环氧树脂，然而与聚酯相比，它们都具有优异的耐潮湿能力。对于承受疲劳载荷和冲击载荷的零件，最好使用乙烯基酯树脂而不使用聚酯。

2、 加工工艺

热固性聚合物基体零件的加工涉及在高温下未固化或部分固化的热固性树脂的固化。为了激发和维持将未固化或部分固化的材料转变成完全固化的固体的化学反应，需要有高的固化温度。

2.1 压缩成型

目前，在汽车工业中，压缩成型是生产热固性复合材料零件最常用的制造工艺。这主要因为压缩成型生产率高、能够生产形状复杂的大型零件和能够实现自动化。压缩成型零件有内、外车身板，座椅，行李箱盖板，尾门，货箱，保险杠杆，散热器支架，车轮和横梁等。

压缩成型的加工成本低于模锻同样尺寸的钢制零件的加工成本。由于这个原因，在年产量可高达150000～200000个零件的情况下，压缩成型比冲压有竞争力。

缩成型法利用片状模压复合料（SMC）作为原材料。SMC作为一种含有分布在热固性树脂中的纤维的已准备好等待模型成型的薄薄的连续板材。目前使用的大部分片状模压复合料(SMC)都含有任意

走向的连续纤维，纤维长度一般为25mm。SMC板也可以在纤维方向具有高弹性模量和高强度的连续纤维来制备如表3。

表3 各种成型复合板（SMC）复合材料的性能

2.SMC-C20R30内含有质量分数为20%的单向连续E-玻璃纤维和质量分数为30%的任意走向E-玻璃纤维。

3.“L”和“T”分别表示纵向和横向。

2.2 树脂传递成型

树脂传递成型（RTM）是一种通过一个干纤维层推或者放在封闭模膛内的干纤维预成型件，利用具有一定压力的熔融态树脂注射的熔融态注射成型工艺。RTM中的树脂或者是聚酯，乙烯基酯，或者是环氧树脂，并且在这些树脂中加有催化剂即固化剂和其他成分[如填料、溶剂（用于降低初始粘度）等]。

与压缩成型法相比，RTM的加工成本很低，模具夹紧要求简单。在某些情况下，只要使用一个棘轮夹具或一系列的螺栓和螺母，将模具的两个半模保持在一起即可。

树脂传递成型复合材料零件的质量取决于树脂流是否穿透干纤维预成型件，因为这将决定着着模、纤维表面润滑和成型件内的孔隙率。所发现的主要成型问题有：未完全充满、有干点、数值分布不均、形成空隙、固化不均和固化不足。改善树脂流动和模膛放气对降低复合材料中的孔隙率很重要【5】。

2.3 结构反应注射成型

结构反应注射成型（SRIM）也是一种熔融态注射成型工艺，目前在汽车工业中用于制造大型外部车身零件，如轻型货车货厢。SRIM基于以下技术开发的，将两种化学活动性极强的低粘度熔融态化学物质在搅拌室内以极高的速度直接相互撞击，然后再将这个混合料喷入封闭的模膛内。如图4

SRIM树脂的粘度通常比RTM树脂的粘度低一个数量级。由于SRIM树脂的两个组成部分具有极高的反应活性，所以要求使用一种速度快、压力高的撞击混合来将它们混合在一起。而RTM树脂的组成部分通常利用低混合法进行混合。

2.4 纤维缠绕

纤维缠绕的基本操作是将一根联系纤维从预先催化的熔融态热固性树脂中拉过去，然后为了生产空心零件再将它缠绕到一个旋转的卷筒上。树脂润湿的纤维束沿着平行于转轴的方向来回运动。根据卷筒的旋转速度与纤维束的横向速度的比值的不同，就会形成各种不同的缠绕型式。纤维缠绕法可用于制造像轴对称空心管一样简单的零件，或像飞机机身或像汽车方向盘一样复杂的零件。结构复杂且为非轴对称零件的制造需要采用数控多轴缠丝机，这种机械现在可以买到。在汽车工业中，纤维缠绕法用于制造传动轴、叶片弹簧、压缩天然气

（CNG）瓶和燃料电池汽车使用的储氢罐。像车架纵梁和车顶纵梁这样更复杂的零件也可以用纤维缠绕法制造。

2.5 真空袋压成型

真空袋压成型是一种在航天工业中极为常见的用于制造层压结构件的主要的复合材料加工工艺。由于它是一种劳动密集型的工艺，并且生产周期长，所以限制了它在汽车工业中的应用。它主要用于制造汽车复合材料零件样品，但未来可以用于制造大型零件，如车顶板、浅盘形地板，特别是在这些零件采用层压结构并且产量较小的情况下。

3、碳纤维增强热固性复合材料

表4 福特复合材料样车中的碳纤维/环氧树脂零件与钢质零件之间的重量比较

尽管碳纤维增强热固性复合材料与今天汽车上使用的其他材料相比非常昂贵，但是由于它们具有减轻重量的巨大潜力，汽车制造商仍然对它们很感兴趣。不过，它们在批量生产的汽车上仅获得了有限的应用，而大部分应用于小批量生产的运动车上，因为对这些汽车来说，客户乐意花高价来获取更好的加速性和性能。自20世纪70年代中期以来，已经制造了若干辆概念车与样车，来验证碳纤维增强复合材料在减重方面存在的巨大潜力。这些车辆均使用了已被证实的航天技术，如碳纤维增强环氧树脂胶片和真空袋压成型技术。这些车中最为有名的概念车是福特汽车公司于1979年开发的，它的开发目的是与钢质批量生产的汽车进行直接的重量比较。如表4 。

最近几年，若干汽车制造厂商已经开始在它们的批量生产汽车上采用碳纤维增强复合材料零件。尽管这些汽车是一些用于摆设的高价格汽车，但是涉及制造这些复合材料零件中，以及对它们在车上的表现进行评价的过程中所获得的经验将是特别有价值的【6】。

4、结论

主要由于玻璃纤维增强片状模压复合材料（SMC）在各种内、外车身零件上的应用，使纤维增强热固性复合材料在汽车上的应用已经显著增长。碳纤维增强复合材料除了比其他的结构具有更大的减轻重量的潜力之外，它们的大规模应用并没有出现，其主要原因是成本高和碳纤维资源有限。也存在着生产周期长和缺少针对汽车环境的特定设计信息的问题。这些问题已经阻碍了纤维增强复合材料在汽车工业上的应用。为了纤维增强复合材料在未来汽车上得到更多的应用，需要开发更加有效的结构分析与设计工具，更加快速固化的树脂，自动化的工艺过程和可靠性的非破坏性试验工具。

[1] 王海东,王钧,杨小利.高光面SMC 的研究[J].玻璃钢, 2005.(2):34-37.

[2] 沈观林,胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社,2006.

[3] 李建川,何凯.纤维增强热固性复合材料构件的固化变形研究进展[J].纤维复合材料,2003.(01):45-48.

[4] 王竹青.美国热固性复合材料汽车部件及其回收利用[J].复合材料1998.(05):31-32.

[5] 聂毓琴,孟广伟,材料力学[M].北京:机械工程出版社,2004.

[6] P.K.迈利克.汽车轻量化-材料、设计和制造[M].北京:机械工业出版社,2012.05.

Discussion on thermoset composite basing on lightweigh of automobile

Gaoxi, Yang Shiwen

（Mechanical and Power engineering College, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051）

Development Status of Thermoset composite in automobile industry is summarized in this paper, then the paper introduce the thermosetting compositein more detail.Some processing technology of Thermoset composite is also introduced in this paper, including properties and manufacturing methods.The paper compares the different processing craft characteristic;at the same time the paper also investigate applications of carbon fiber reinforced thermoset composite in automotive, and list some production application examples.

thermoset composite; SMC; RTM; SRIM; bag moulding; carbon fiber reinforced thermoset composites

U465.6

A

1671-7988(2014)02-84-05

高希，硕士研究生，就读于中北大学机械与动力工程学院，研究方向汽车轻量化。