复合材料在汽车工业中的应用

徐晶晶

摘 要：随着经济的快速发展，汽车工业得到了较快的发展，为满足人们对汽车舒适度、安全性等多方面的实际需求，近年来复合材料被广泛应用到汽车工业中。该文针对金属基复合材料、陶瓷基复合材料、SMC、GMT、LFT、MMC、NMT等复合材料在汽车工业中的应用进行系统分析，并对现阶段复合材料在国内各类汽车中的应用情况进行概括，对未来复合材料在汽车行业的应用情况进行预测，以此加深对复合材料开发与汽车行业发展之间关系的认识。

关键词：复合材料 汽车工业 应用 趋势

中图分类号：U465.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0117-02

随着汽车行业的快速发展和可持续发展战略的逐步落实，人们在追求汽车安全性和舒适性的同时，逐渐认识到汽车节能减排的重要性，而缩减风阻、提升发动机效率、控制摩擦和汽车轻量化是实现汽车节能减排的主要途径。大量实践证明，适当地应用复合材料可实现汽车的轻量化，提升汽车性能，所以针对复合材料在汽车行业中的应用展开研究具有重要的现实意义。

1 各类复合材料在汽车工业中的应用分析

1.1 MMC在汽车工业中的应用分析

MMC又被称为金属基复合材料，其具有比强度、比刚度、耐磨性、导热性较理想而特膨胀系数较差的特点，所以在汽车工业中应用具有一定的可行性，其中由于铝基复合材料和镁基复合材料具有颗粒和短纤维增强的特点，在汽车工业中应用的范围相对广泛，铝基复合材料作为以铝硅合金为主，添加陶瓷纤维等填充增强剂的复合材料，相比铝合金在强度、弹性模量、耐热耐磨性能等方面都具有优越性，而且质量更轻，在汽车工业中应用对提升汽车性能具有重要的作用[1]。例如，将铝基复合材料应用于汽车刹车轮，可使刹车轮质量缩减30%～60%左右，导热性能大幅提升，在450 ℃的高温下仍可正常作业；将其应用于汽车制动盘中可使导热和冷却性能得到显著提升，除此之外，人们发现将碳纤维增强铝基应用于轮胎螺栓，可明显提升其强度、刚度和动力效果；将氧化铝纤维增强的铝基复合材料应用于汽车连杆，可延长其使用寿命，提升稳定性，可见金属复合材料在汽车工业中的应用较为普遍，且效果较理想[2]。

1.2 CMC在汽车工业中的应用分析

CMC又被称为陶瓷基复合材料，其通常以玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等为基体，在强度、耐磨耐腐蚀性、隔热性方面性能突出，且具有膨胀系数和密度较低的特点，现阶段其主要应用于汽车的内燃机方面，将其应用于内燃机活塞，可在燃烧室内实现有效的隔热，进而为冷却系统的优化提供了可能。实践证明，将其应用于高强化柴油机的活塞部分甚至可以舍去对其转向冷却处理；将其作为塑料材料的增强剂，对其耐热耐磨性能的提升具有重要意义；将其应用于汽车的配气结构，如挺柱、弹簧座等结构，可使功率损耗得到有效的缩减，而且气门座等在应用中极易磨损的结构的使用寿命得到明显提升；将CMC制成的镶块应用于柴油机涡流室，可对燃烧噪声和碳氢化合物的排放进行改善，提升发动机的效率，陶瓷涡轮相比金属涡轮具有质量、转动惯性都较小，可提升动态响应性近40%；除此之外，在汽车气缸盖、排气管等位置应用CMC，也可使其使用的寿命得到提升，但实际应用中CMC仍受到价格、可靠性等方面的限制。

1.3 SMC在汽车工业中的应用分析

SMC复合材料属于玻璃钢，具有强度大、质量轻、成本低且可循环应用的特点，其中短切纤维和连续纤维混杂应用的SMC C/R在汽车工业中应用更为广泛，其使SMC的使用性能得到大幅度提升，但在具体应用中必须结合其应用结构实际受力情况进行短切纤维和连续纤维比例的针对性设计，将其应用于汽车的保险杠、加强梁、支撑架等受力结构，可以提升其强度、延长使用寿命，例如日本马自达轿车发动机架应用800 MPa弯曲强度、短切纤维R和连续纤维C均为30的SMC C/R，其质量相比钢制缩减近40%，同样受力弯曲度仅为钢制的70%。由于SMC复合材料具有循环利用的特性，其更符合可持续发展战略的要求，所以近年来受到汽车行业的广泛关注，研究力度不断加大。

1.4 GMT在汽车工业中的应用分析

GMT复合材料的基体是热塑性树脂，增强剂为玻璃纤维毡等，具有低材料密度、高强度、可循环利用的特点，而且其相比多部分复合材料具有力学性能均衡的特色，片材的GMT在弯曲、拉伸、抗冲击强度等方面都可以得到大幅度提升，将其应用于汽车工业中效果更加理想。实践证明通过对GMT进行结构优化设计，其可以成功地取代汽车工业中的部分金属材料，实现减重的目的，而且GMT模具费用通常仅为金属模具的10%～20%，有利于汽车零部件的模块化生产；GMT制件相比金属件质量缩减达30%～80%且相比同体积金属制件价格更低，能耗相比钢制品和铝制品明显缩减；现阶段GMT在奔驰轿车中的应用质量超过30 kg，福特、克莱斯勒等轿车上的备胎盘、行李架、保险杠等也应用了此种复合材料，性能得到较大幅度的改善。由于GMT力学性能均衡，所以为提升汽车的安全性和舒适性可将其应用于座椅、仪表等位置，例如别克、凯越的后靠背骨架基本由此材料制成；结合其各方面的性能，现阶段GMT在汽车工业中的应用已达到近50种，如护板、脚踏板、遮阳板等，而且应用范围仍有扩大的空间。

1.5 LFT在汽车工业中的应用分析

LFT复合材料的纤维长度通常在2 mm以上，且随着加工工艺的逐步深化纤维长度不断增加，纤维长度与其冲击性能呈现正相关性，其通常具有冲击强度较大，强度高、成型收缩性低、抗蠕变性能强、耐疲劳性好，可注射或模压成型，流动性能强，可循环应用等特点，现阶段在汽车的前端支架、门板模块、行李架、缓冲器、蓄电池壳等结构中都对此复合材料进行了广泛应用。例如迈腾系列和马自达3/6都将30%长波纤维复合材料直接注射成型，使其生产周期、生产成本、质量等都明显缩减，效果突出；福特和马自达公司将其应用于门板模块，使扬声器、防盗装置等结构集成于门板模块中，有效地对其高温或低温状态下的蠕变、翘曲等进行了控制；梅塞德斯-奔驰公司将行李架和缓冲器直接进行40%长波纤维复合材料注射成型，使其强度、韧性等方面得到了大幅度提升，而质量和成本却相对缩减，实际意义突出；另外，奔驰公司将蓄电池壳直接用40%长波纤维复合材料注射成型，使其强度和硬度得到改善的同时，蠕变、质量、体积等都得到较大的改善。

1.6 NMT在汽车工业中的应用分析

NMT由于在耗能、造价等方面存在一定的缺陷，现阶段主要应用于汽车内饰结构中，如汽车行李箱、衣帽架、仪表盘等，例如克莱斯勒公司将NMT应用于车门的内饰方面，使其质量、机械性能、安全性等方面都得到了极大改善；福特汽车公司将此种复合材料应用冷却器架和引擎挡板等结构中，使其体积得到较大幅度的缩减；菲亚特公司将此种复合材料应用于汽车坐椅、仪表板、车门把手等结构中，长春一汽四环将其应用于车内的杂物箱和其他车内装饰板中，都使汽车的质量和安全性得到提升，使传统纤维材料在污染、耗能等方面的缺陷得到较好的改善，现阶段通过对其增强纤维材料的不断深入研究，NMT的质量、力学性能、化学性能、隔音效果、环保性和防辐射性都得到了极大改善，为其适用范围的扩大提供了可能。

2 复合材料在各类汽车中的应用现状

2.1 复合材料在各类轿车中的应用现状

现阶段我国市场上的汽车大部分来源于进口，如美系的福特、日系的马自达、欧系的奔驰宝马等，完全自主品牌相对较少，如长城、猎豹等，现阶段进口车中应用的复合材料主要依靠进口，本土化生产占有的比例较低，而国产车中对复合材料的应用相对较少，仍处于初步探索阶段，例如一汽大众生产的奥迪A6车型，其尝试将SMC应用于后保险杠的被衬，将GMT应用于前端支架和发动机罩中，使汽车车身整体重量得到缩减，且相关结构的性能得到提升；海南马自达公司将马自达6的前端模板和车门模板进行LFT长波纤维直接注射成型，使其抗冲击性得到大幅度提升，提升了整体的安全性能；上海通用公司针对凯悦、君悦系列车型的天窗板应用SMC复合材料，使其强度大幅提升的同时，车身重量得到减轻等。

2.2 复合材料在各类载货车中的应用现状

随着经济的发展和各行业规模的不断扩大，近年来载货车的市场需求数量不断提升，为满足使用者对载货车性能、安全性、耗能等方面的需求，复合材料在载货车方面的应用不断扩大，出现中型和重型载货车，例如一汽集团生产的解放奥威和解放J6系列车型都在其前保险杠和前围面板中应用了SMC复合材料，使其强度和刚度得到大幅度提升，而货车自身的重量却相对缩减，耗能量明显减少；东风公司生产的153改型和天龙系列、新霸龙系列也在汽车的不同结构尝试应用了复合材料，例如天龙系列的前保险杠和前围面板都应用了SMC复合材料，153改型和天龙系列的导流罩都应用了FRP，使其机械性能和功能性都得到了提升；洛阳福赛特公司生产的福德重卡将RTM复合材料应用于其面罩和保险杠中，不仅使重卡的安全性得到提升，而且车身重量和性能也得到极大改善。

2.3 复合材料在各类客车中的应用现状

随着客车市场需求的不断提升，复合材料在客车中的应用已经非常普遍，现阶段几乎在所有种类的客车中都可以发现复合材料的身影，例如：西安西沃客车的前保险杠和行李箱门板；上海双龙客车的空调顶置壳体和前保险杠、翼子板、北方迪奥普毫客车的侧围板和后围等，另外，部分客车的座椅也采用了SMC复合材料，如申龙客车的连体座椅等。

3 未来复合材料在汽车行业中应用的趋势

综上所述，复合材料在汽车工业中的应用符合汽车发展对汽车车身轻量化的要求，而且可以使汽车在性能正常发挥的前提下，随着重量的不断减轻，油耗逐渐缩减，与可持续发展战略的基本要求相一致，所以在未来汽车行业不断发展过程中，复合材料的应用将逐步扩大。复合材料的应用，可以促使汽车结构的使用寿命增长，性能提升，功能性得到优化，这在一定程度上有利于环境的保护，特别是部分复合材料具有循环应用的特性，使其环保性得到保证，所以这在一定程度上与环保理念相一致；虽然部分复合材料属于易燃物质，而且在燃烧的过程中会产生一定的污染物，即使在成型后挥发作用下也会对空气等造成一定的污染，废弃处理的难度较大，但随着针对复合材料降解、再生等方面的研究不断加深，其对环境的污染也会不断缩减，例如可通过熔融再生、溶解再生等方法实现复合CMC材料的再生；对MMC复合材料可进行组分分离或回收再利用等。由此可见，复合材料对环境的污染程度相比其在汽车工业方面发挥的作用，前者在不断减小，而后者在不断加强，所以在未来一段时间内，复合材料仍将在汽车工业中得到应用，而且应用的范围有明显扩大的趋势。

4 结语

通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到将复合材料科学地应用于汽车工业，对提升汽车性能、实现节能减排的重要性，并在实践中尝试将复合材料应用到各种类型的汽车中，实践证明其对经济、社会、环境等方面产生的效益突出，应结合实际推广应用。

参考文献

[1]凌静，王庆明.复合材料部件在汽车轻量化中的应用[J].现代零部件，2013（2）：34-37.

[2]贺光玉，向宇.先进复合材料在汽车工业中的应用[J].汽车零部件，2013（5）：86-92.