浅论复合材料在汽车上的应用

雷绍阔, 钟国留, 刘 伟

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 511434)

浅论复合材料在汽车上的应用

雷绍阔, 钟国留, 刘 伟

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 511434)

阐述了复合材料应用于汽车业的意义。介绍了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料这四种复合材料在汽车上应用现状及最新趋势，阐明了这些复合材料具有比强度与比模量高、化学稳定性和一体化成型性好以及可阻止疲劳裂纹的扩展的优良特性。最后指出了复合材料在未来汽车应用的研究方向。

复合材料； 汽车； 应用

0 前言

随着科学技术的发展，具有轻质、耐腐蚀性、易成型等优点的非金属材料越来越多的被应用在汽车上，如：汽车外饰上的保险杠、车灯、格栅和后视镜等以及内饰上的门饰板、立柱饰板、后背门饰板等。近年来，国家提出降低汽车油耗的严格要求，使得汽车轻量化技术被高度重视，从而更加关注大量以塑代钢的制造技术，其中汽车用复合材料在汽车工业中的应用尤为显著，而且有着一定的市场开发前景。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料[1]。在实际的生产中，很多改性的塑料材料，如：PP、ABS增强热塑性材料，已经在汽车生产上大量应用。本文主要介绍纤维增强体与基体复合材料，如：SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料等这些复合材料在汽车零部件上研究及应用。

1 复合材料应用于汽车业的意义

2009-2016年，中国汽车产销量快速增长，2016年汽车销量接近2 500万辆。与之相对应，中国汽车保有量持续增长，从2009年的5 100万辆，达到2016年的19 327万辆。照此速度发展，预计2020 年中国汽车保有量将突破20 000万辆，图1所示为2009-2016年中国汽车保有量及增速。

图1 2009-2016年中国汽车保有量及增速

中国不仅是人口大国，而且是汽车大国。2013年7月，中国已超越美国，成为全球最大石油进口国。随着每辆车的废气排放，二氧化碳引起的气候变暖等问题将越来越严重。据研究，一辆轿车每减少质量100 kg，每百公里燃油消耗就平均减少0.5 L，二氧化碳排放也随之减少500 g[2]。这就要求更轻、更强的材料应用于汽车上，而复合材料具备这些优势。与其他材料相比，复合材料有以下突出特点。

(1) 比强度与比模量高。比强度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大[3]。复合材料对汽车零件的轻量化贡献很大，可使得零件厚度更薄、零件更轻、强度更高。

(2) 抗冲击性能好。纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，外加载荷由增强纤维承担；同时，纤维增强复合材料是一种各向异性的材料，沿着纤维方向的性能远远大于垂直纤维方向。因此在设计产品的时候可以人为控制纤维排布，充分发挥纤维性能。

(3) 化学稳定性优良。复合材料不仅具备传统工程塑料的优良化学稳定性，且由于多数复合材料增强物为纤维，基体为热固性材料，这将大大提升材料的化学稳定性。因此，可用玻璃纤维增强塑料制造耐强酸、耐盐、耐酯和耐某些溶剂的化工管道、泵、阀及容器等设备。

(4) 一体化成型性好。材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数量，同时大大减少了模具数量，降低了成本。

表1针对四种材料的成本、减重效果、材料性能和可加工性能进行了评级对比。由表1中可以看出，碳纤维复合材料减重效果、材料各项性能、工艺灵活性均为优，但材料成本高，评级较低，由此可见，若能克服关键技术解决成本的问题，碳纤维复合材料将会有广阔的应用空间。目前，四种材料各有优缺点，汽车研发工程师可根据不同车型、零部件的需求，广泛选择使用不同的材料及工艺。

2 复合材料在汽车上的应用情况

近年来，复合材料越来越受到重视，在各大汽车厂商应用广泛，但目前主要集中在商用车上，仅占复合材料产量的1/10。复合材料在重型卡车上的应用大概是40～50 kg/辆，轿车以宝马(BMW)、美星华通(GMC)、日产尼桑(NISSAN)、大众(VW)应用最为广泛。欧洲国家复合材料在汽车领域的应用已达到了1/3，目前复合材料在德系车上应用最多，至少2～3 kg/辆；欧系汽车在很多外饰件和结构件上采用复合材料，如：前端水箱支架、导流罩、导流板、翼子板、侧裙板、面罩和保险杠等。目前我国汽车领域应用的不多[4]。

表1 不同复合材料的性能对比

2.1 SMC材料

SMC(Sheet Molding Compound)为片状模塑料，主要原料由GF(专用纱)、MD(填料)及各种助剂组成，是一种较重要且用途广的模压复合材料制品的半成品。与钢制汽车零件相比，SMC材料质量较轻，能实现减重目的；对模具的要求远远小于钣金件，能实现造型设计自由，同时制件的整体性好，零件的数量很少，可在一定程度上降低成本。但是SMC材料最大的缺点是回收性差，污染环境，目前多数是以填料方式用于建筑行业。

目前美国汽车用复合材料年消耗量超过70万t，其中32%的热固性复合材料用于汽车及其相关领域，相当一部分部件采用了SMC材料的模压工艺。在美国，有65%的美国轿车采用SMC材料作为前脸和散热器护栅板，国内也有很多车型采用SMC材料作为后背门，如：DS6车型和3008车型等。

美国CSP公司研发了TCA Ultra Lite，此类SMC材料密度仅有1.2 g/cm3，同时可直接用于A级外观零件上，避免了采用模内喷涂技术来掩盖模压的缺陷。2017年1月5日，日本帝人集团(Teijin)宣布，已完成对美国大陆结构塑料公司(Continental Structural Plastics，简称CSP)的收购。帝人集团目前的重点是建立汽车复合材料产品的发展平台，旨在为汽车制造商提供更广泛的解决方案。相信在不久的未来，A类车身覆盖件将会有所增加。

由SMC材料制备产品时采用的是一种化学反应的方法，在工艺上与传统热塑性模压差别很大。如何基于化学反应过程及原理来实现缩短周期、控制产品的性能，是未来需要加强研究的。

2.2 LFT材料

LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastics)为长纤维增强热塑性材料。在通常情况下，一般纤维增强热塑性材料中的纤维长度为小于1 mm，而LFT中的纤维长度大于2 mm，目前的加工工艺已经能够将LFT中的纤维长度保持在5 mm以上，LFT材料主要分为以下两类。

(1) LFT-G材料。LFT-G材料主要应用于注塑工艺，尽管注塑机经过很多改良，但限于注塑工艺的原因，在最后的制成品中纤维只能达到3.2～6.4 mm。同时，纤维在流动方向的差异，导致制品各向异性。所以在评估制品性能的时候需采用联合仿真，即应用模流分析软件将玻纤取向模拟出来，输入到力学仿真软件中，充分考虑到纤维的取向问题，使仿真结果更加准确。目前广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院已经在前端模块、电池托盘等产品中应用此技术，有效地提高了分析的准确性。

(2) LFT-D材料。LFT-D材料的加工是采用在线直接生产制品的一种工艺技术，一般采用模压工艺，保证了纤维的含量和长度。LFT-D压制成型制品比LFT-G成型后的制品的纤维长很多，因此其抗冲击性能明显高于LFT-G。在目前的应用中，前端模块都有选用LFT-G材料或者LFT-D材料。

LFT-D材料压制的成型制品，其抗冲击性能比GMT材料略低，但LFT-D材料的成本优势使之在市场上占据了一定地位。

2.3 GMT材料

GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)材料是一种以热塑性树脂为基体、玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料，一般可以生产出片材半成品，然后直接加工成所需要形状的产品。图2所示为GMT材料在汽车上应用，一般可用于生产前端部件、座椅壳体、保险杠、备胎池等部件。GMT材料另一个重要特点是可回收利用，可对采用GMT材料制成的部件回收并进行加热，再模压成同等质量的同类部件或其他类型部件。

图2 GMT材料在汽车上的应用

2.4 CFRP材料

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)为碳纤维增强复合材料，碳纤维的含碳量的质量分数高于90%的纤维总称，它发展于20世纪60年代，是一种高科技新材料，是纤维状的碳材料。

CFRP材料通常应用在赛车及跑车上，因为利用碳纤维可有效提高其性能，同时，此类车对成本一般不作限定。近年来随着复合材料成本的下降以及设计方法的改进，国内各大汽车厂均加大了对CFRP材料的研发及应用，主要应用于制造汽车车身、底盘、覆盖件、驱动轴等部件。

选用CFRP材料的制品其成型工艺甚多，从传统的手糊工艺，发展到真空导入工艺、树脂传递模塑成型(RTM，resin transfer molding)和真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM，vacuum assisted resin transfer molding)，制品外观质量越来越好，制造周期越来越短，使得选用CFRP材料的制品成本逐年减少。

在BMW i3汽车车身采用了高压树脂传递模塑(HP-RTM)工艺，使得成型周期仅为3～5 min。其中在Life模块结构的34块碳纤维复合材料制件中，有13件采用HP-RTM工艺制造，2件采用泡沫夹芯RTM工艺制造，其余19件采用模压工艺制造[5]。图3所示为BMW i3的碳纤维车身。

目前国内康得复合材料有限责任公司从国外引进的2条由德国迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)和克劳斯玛菲公司(KraussMaffei)共同开发的高压树脂传递模塑(HP-RTM)自动化生产线以及中国恒瑞有限公司导入的西班牙卡普勒高碳纤维快速多孔注入压缩成型(RMCP)全自动生产线，解决了多年以来碳纤维零部件不能进行大批量生产的技术难关。在国家的大力支持下，越来越多企业投入到CFRP材料及其生产工艺的研究中。

图3 BMW i3碳纤维车身

2017年，哈尔滨天顺化工科技开发公司宣布，该公司继在2015年底成功达到量产低成本T700级碳纤维基础上，经过一年刻苦攻关，利用自产千吨线生产的原丝，再次突破低成本T800级碳纤维生产技术，各项指标均达到或超过日本T800级碳纤维技术水平。

2017年1月20日，宝马公司(BMW)携手康得集团打造轻量化碳纤维复合材料零件生产线，双方就碳纤维复合材料领域的合作进行深入探讨，并达成了合作共识。

3 复合材料在未来汽车应用的研究方向

未来的汽车是定制化、外形美观、环保型的汽车，传统钣金对造型的约束已经不能满足汽车的发展趋势，随之而来的复合材料可满足大部分造型的要求。笔者认为，为同时满足定制化生产和传统车厂批量化生产，复合材料还需在缩短制造周期、研发更先进制造工艺方向加大力度。现有多数复合材料制品成型，动辄数分钟，难以满足整车厂节拍，大量库存又会带来仓库管理成本，所以后续除了在成型工艺上需充分优化外，材料的固化时间也需要提升。同时针对国内复合材料制品设计，还需要从传统思维中走出来，积极培养相关人才。对于钣金车身设计，各大整车厂经验丰富，但是一旦钣金更改为复合材料，如何从结构上提升产品性能、以满足车体性能要求，值得研发人员高度重视。再者，对于环保，在设计过程中需提高复合材料的环保意识：一方面，复合材料能提高材料性能，增加产品的功能，这些都是对环境有利的；但复合材料零件的再利用是非常困难的事，需要努力解决复合材料的再生问题，使复合材料朝着环保的方向发展[4]。

此外，研究复合材料应用不能使用单一的复合材料，应该抓住此四类复合材料的共性，在结构和工艺上相互借鉴。从上述分析可知，此四类材料可同时应用在同一类部件上，存在一个交集区域，那么怎么有选择地应用于汽车上不同的零件，实现轻量化的最大化，这个课题就需要更深入的研究。

不管怎样，随着轻量化的推进，采用复合材料应该是未来汽车材料发展的主流，同时也是汽车材料业发展的大趋势。谁先掌握复合材料的制造，谁将会赢得市场。

4 结语

本文介绍了SMC材料、LFT材料、GMT材料、CFRP材料这四种复合材料在汽车行业应用意义及现状。由于复合材料具有突出的力学性能、耐腐蚀性能及可加工性能，能够有效实现汽车轻量化，从而降低油耗，减少废气排放。基于上述优良性能，复合材料正在全球各大汽车主机厂中得到广泛研究及应用，未来汽车复合材料将向着新工艺、新结构、环保、多种复合材料综合应用方向发展。

[1] 何亚飞，矫维成，杨帆，等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料,2011(2)：7-9.

[2] 刘昌，杨世文.碳纤维增强复合材料(CFRP)在汽车业上的应用及面临困难[J].汽车实用技术，2015(11)：132-133.

[3] 杨忠敏.复合材料在交通工具轻量化中的作用[J].化学工业,2013, 31(4)：41-43.

[4] 李平舟.低碳经济给力撬动车用复合材料大市场[J].聚氨酯工业，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

雷绍阔(1988—)，男，硕士，工程师，主要从事汽车轻量化复合材料的研究。

TQ 325

A

1009-5993(2017)02-0008-05

2017-03-28)