树脂基复合材料与汽车轻量化

印明勋 刘莹 乔鑫

（华晨汽车工程研究院）

随着汽车工业的高速发展，节能减排已经成为了世界汽车界的主要研究热点。汽车质量过大，不但会影响其动力学性能，而且会增加燃油消耗。在保证汽车结构安全的前提下，车身轻量化是解决上述问题的最好办法。复合材料具有密度小、耐腐蚀、比强度高、比模量高以及可设计性强等优点，越来越受到汽车生产商的关注，也是汽车界公认的能够代替金属材料的首选材料[1]。复合材料是由基体材料和增强材料共同组成。一般情况下，根据基体材料的不同，可将复合材料分为金属基复合材料、树脂基复合材料以及陶瓷基复合材料三大类。其中，树脂基复合材料比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%，在众多复合材料中，其轻量化效果尤为明显，目前已被广泛应用于汽车工业。

1 树脂基复合材料

1.1 分类

树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以纤维为增强体，通过人工合成技术制成的一种新型材料，也被称为纤维增强塑料（FRP）。一般情况下，树脂基体包括热固性树脂和热塑性树脂两大类；增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳基纤维、硼纤维以及天然植物纤维等。无论是热固性树脂还是热塑性树脂，在加入增强纤维以后其性能都会有很大程度的提高。

碳纤维增强复合材料（CFRP）是在热固性树脂中加入含碳量超过90%的碳纤维编织物而形成的一种新型材料[2]。由于编织物中的碳纤维均为长纤维，因此该复合材料的疲劳强度和拉伸破坏强度高、耐久性好、导电导热性好，且密度低（相当于普通碳钢结构的1/5～1/4），被用于制造汽车车身、底盘等主要结构件。由于该复合材料的制造成本较高，主要被用于F1赛车、高级轿车以及小批量生产的车型中。图1示出由树脂基碳纤维复合材料制作而成的汽车排气管。

玻璃纤维增强复合材料（GFRP）俗称玻璃钢，是以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维为增强材料，通过高温加压所制成的一种新型材料[3]。该复合材料制造成本低、吸能性好、耐腐蚀性强及减振降噪效果好，是目前汽车工业中应用最为广泛的一种复合材料，主要用于制造车身结构件、覆盖件以及发动机周边部件。

长纤维增强复合材料（LFT）是在热塑性树脂或改性热塑性树脂中加入芳基纤维或硼纤维等长度大于5 mm的纤维，经过压缩成型得到的一种新型材料[4]。由于该种复合材料内部的增强纤维较长，能够在树脂基体中形成三维网格结构，在提高材料的抗冲击性能和抗蠕变性能方面有显著效果，使得利用该复合材料制成的汽车零部件变形更小、力学性能更加稳定，目前主要用于制造汽车门板、仪表板以及行李架等部件。

此外，还有通过在树脂基中加入铜及不锈钢等金属纤维加工制造而成的新型复合材料，但是由于该类复合材料的加工工序复杂且制造成本很高，其应用受到很大程度的限制。

1.2 特点

1.2.1 比强度和比模量高

大部分的树脂基复合材料都具有较高的比强度和比模量。例如，大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度极限的30%～50%，而树脂基复合材料可达到60%～80%。利用在树脂基中同时加入碳纤维和玻璃纤维而形成的复合材料制作成汽车减振弹簧片，其刚度和承载能力与质量是其4倍的钢制弹簧片相同[5]。表1示出树脂基复合材料与高强度钢的力学性能对比情况。

表1 树脂基复合材料与高强度钢的力学性能对比表

1.2.2 相对密度小

树脂基复合材料的密度为1.5～2.0 kg/m3，是普通碳钢密度的1/4～1/5，而其力学性能以及机械强度却与碳钢水平相当。利用CFRP制成的汽车弹簧片质量为14 kg，在保证强度水平的情况下，比利用合金钢制成的弹簧片的质量减轻70%左右，且耐磨性比合金钢更好。这一特性对于复合材料在汽车轻量化应用方面是非常重要的[6]。

1.2.3 耐腐蚀性强

树脂基复合材料不仅在物理性能方面有着显著的优势，其化学性能也非常稳定。树脂基体和各种非金属纤维增强材料都具有耐强酸、耐强碱、耐强盐以及耐强酯等特性，因此使得树脂基复合材料制件能够适应多种外界条件。与金属材料相比，其具有更长的使用寿命。

此外，树脂基复合材料还具有耐高温和低温、抗冲击性强以及一体化成型性好等优点。

1.3 成型方法

1.3.1 树脂传递模塑法

树脂传递模塑法是指在模具的型腔内预先放置好纤维增强材料，合模夹紧以后，在一定的温度及压力下将配好的树脂注入模具中，使之与增强材料一同固化，最后启模、脱模得到成型制品。该方法无需胶衣涂层即可使构件双面光滑，成型方法简单，制造出的产品表面品质高、内部孔隙率低，是当今复合材料工业中普遍使用的一种方法[7]。图2示出树脂传递模塑成型设备。

图2 树脂传递模塑成型设备

1.3.2 高温模压法

高温模压法是将纤维预浸料平整地铺设在上下模具之间，将模具合实密封后，置于液压成型台上，在热压机上经过一定时间的高温高压，使树脂和预浸料固化，最后从热压机上取下成型制品。该成型工艺具有高强度、高精度以及受环境影响小等优点，适用于批量化、标准化的制件生产。

1.3.3 真空热压罐法

真空热压罐法是将复合材料的坯料铺设在涂抹脱模剂的模具表面，然后依次用脱模布、吸胶毡、透气毡完全覆盖，并密封于真空袋内，真空后放入热压罐内，经高温、加压、固化等程序后，获得成型制品。该成型工艺使用的模具相对简单，且生产效率较高，适用于生产大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体。

此外，树脂基复合材料的成型方法还有喷射成型法、层压成型法、拉挤成型法、真空倒入法以及纤维缠绕法等。随着科学技术的发展，树脂基复合材料的成型工艺不断地改进和创新，复合材料在生产过程中不是单一地使用某种工艺，往往是多种工艺共同使用，以实现资源配置的最大优化。

2 树脂基复合材料在汽车上的应用

由于树脂基复合材料本身优异的力学性能及相对简单的加工工艺，使得其在德系、美系以及日系等很多车型中均有应用，并且应用范围在不断加大。

2.1 在车身及覆盖件上的应用

近年来，树脂基复合材料在车身上的应用越来越广泛。在众多的复合材料当中，CFRP的各项力学性能均非常出色，其密度小、强度大，在减轻车身质量的同时，又能保持其防撞性能，因而被认为是制造车身覆盖件最理想的非金属材料。由于碳纤维增强复合材料加工成本相对较高，过去主要应用于赛车以及跑车的车身覆盖件上。近年来，随着复合材料工业的不断发展以及生产技术的不断改进，CFRP的加工成本大幅降低，各大汽车厂商不断加大对CFRP的应用。

2011年，宝马公司采用树脂基碳纤维复合材料制作电动汽车BMWi3车身，整车质量一度降低至1 224 kg，如图3所示，2个人可以轻松地抬起，而与其续航能力相当、使用金属材料车身的东风启辰晨风和北汽新能源ES210的整车质量分别为1 494 kg和1 760 kg。该车充电3 h可行驶113～177 km，一次充满电最远可行驶257 km，最高车速可达160 km/h，0～100 km/h起步加速时间仅需要不到8 s。

图3 BMW i3碳纤维复合材料车身

除白车身之外，树脂基复合材料在很多车型的其他车身覆盖件上均有应用。早在20世纪90年代，美国通用汽车公司就开始利用树脂基复合材料制造各类车身覆盖件，通用雪佛兰“子弹头”的车身顶盖、前翼子板、车门以及后侧板等部件采用树脂基玻璃纤维复合材料制造，这一应用在减重、吸能、耐腐蚀以及减振降噪等方面都取得了很好的效果；通用雪佛兰Corvette Z06轿车的发动机罩采用环氧树脂基复合材料制成，发动机罩外板采用碳纤维环氧树脂复合材料制成，内板为碳纤维片状模塑料（Sheet Molding Compound,SMC）和低密度玻璃纤维SMC混合制成，最终使得整个发动机罩的质量仅为9.3 kg。此外，福特旗下的林肯大陆车型的前保险杠以及后行李箱盖均采用玻璃纤维树脂基复合材料，宝马公司M3系列车型的顶盖为碳纤维树脂基复合材料制造，日产汽车公司的“Skyline GT-R”车型的外装材料和丰田汽车公司的“MARKⅡ”车型的内饰材料采用碳纤维复合材料。国内的一些大型豪华客车车型上对玻璃纤维复合材料均有不同程度的应用，包括保险杠、翼子板、导流罩以及侧裙板等。

2.2 在底盘结构上的应用

对于底盘、横纵梁等主承载构件而言，为了保证足够的安全性能，汽车厂商要选择强度、刚度和吸能性均很出色的材料来制造，树脂基碳纤维复合材料密度小、耐冲击、抗疲劳，成为制造主承载构件的最佳选择。

2003年，戴姆勒-克莱斯勒公司利用碳纤维复合材料制造Dodge Viper跑车的挡板支架，这也是碳纤维复合材料首次应用在汽车底盘和车身外部构件上。该车使用的碳纤维复合材料中混合了质量分数为55%的碳纤维碎屑，相对密度只有1.4，利用该材料生产的挡板支架的单件质量仅为1.93 kg。这种材料可用在2个较小的支架和2个车头支架上，组成完整的挡板支架系统，其总质量为6.1 kg，比金属挡板支架系统减轻了18 kg，同时也减少了15～20个金属零件的使用。值得注意的是，碳纤维复合材料挡板支架的厚度虽然只有2 mm，却足以支撑整个车身前端。

近年来，树脂基复合材料在汽车底盘上的应用范围不断扩大，使用车型不断增加。梅赛德斯-奔驰、保时捷以及法拉利等汽车制造商在多款高性能车的底盘上使用碳纤维树脂基复合材料。丰田雷克萨斯LFA跑车底盘结构的65%为碳纤维树脂基复合材料。日本新能源产业技术综合研发机构（NEDO）与名古屋大学国立复合材料研究中心（NCC）成功研发了世界首个碳纤维增强热塑性复合材料汽车底盘。德国研究人员利用热塑性GFRP成功制造出汽车发动机底部托盘，如图4所示，该底部托盘比原钢制底部托盘减重60%，且具有更好的耐冲击性能和隔声性能。

图4 德国研制的玻璃纤维发动机底部托盘

2.3 在发动机上的应用

复合材料在发动机上的应用已经有几十年的时间。复合材料发动机零部件与金属材料制品相比，不但质量轻，而且具有隔热、减振降噪、降低燃油消耗并增加有效载荷等优点。通用汽车公司早在20世纪90年代就开始利用GFRP制造多款汽车的发动机气门罩；宝马汽车公司将GFRP制造的进气歧管应用在6缸发动机上；宝马735i轿车发动机的机体采用GFRP进行制造，提高了制品的高温稳定性；奥迪A4轿车新型发动机进气阀使用了含30%玻璃纤维的复合材料，使得该款发动机具有很好的燃油经济性；沃尔沃采用玻璃纤维SMC复合材料制造发动机的油底壳。

2.4 在板簧上的应用

采用树脂基复合材料制造汽车板簧，在减重的同时，也提高了汽车的“安全断裂”性能。当汽车严重超载或在崎岖路面受到强烈冲击时，树脂基复合材料板簧会沿长度方向分层裂开，虽然结构发生破坏，刚性大幅度降低，但是这一吸能作用却保证了车轴基本保持原状而不发生错位，使空载汽车能够安全开到修理厂。通用汽车公司利用长纤维缠绕工艺制造复合材料板簧，并应用在旗下的多款卡车上。JEEP牧马人在10年前就开始使用树脂基纤维增强材料制造汽车板簧。近年来，沃尔沃也开始应用纤维增强复合材料进行板簧制造，并应用到XC60车型上，获得了很好的减振效果。

2.5 在其他结构上的应用

除了上述结构，树脂基复合材料还被应用到汽车的很多其他结构上。保时捷911 Turbo、新一代福特野马GT350R都配备了碳纤维树脂基轮毂，质量仅为8.6 kg，比铝合金轮毂减重40%，在减轻质量的同时还能够吸收大量的撞击能，且碳纤维复合材料是由碳纤维丝束编制而成，能够看到其表面的纹路，更具美观性；F1赛车中使用的碳纤维复合材料制动盘，耐磨、耐疲劳且抗高温，赛车在高速行驶时的制动操作会使制动盘温度上升至900℃，一般的材料很难承受，而碳纤维制动盘能够承受2 500℃的高温，具有优秀的制动稳定性；丰田、奥迪、奔驰等汽车制造商将碳纤维树脂基复合材料传动轴应用到各自旗下的多款汽车上，减重的同时很大程度地改善了NVH性能。除此之外，树脂基复合材料还被应用到汽车座椅、地板、仪表板、前端支架、备胎架、车门把手等多个部位，且都获得了比较理想的使用效果。

3 结论

随着人们环保意识的逐步提高以及各国环保法规的相继出台，节能减排、绿色低碳成为了未来汽车工业的发展方向。树脂基复合材料密度低、强度大、耐腐蚀、抗疲劳，已经被作为金属材料的替代品应用到汽车的多个部位，并取得了良好的效果。树脂基复合材料的应用是实现车身轻量化、提高燃油利用率、减少尾气排放的主要途径，如果其回收利用和加工成本问题能够得到很好的解决，则可以预测，在不久的将来，树脂基复合材料将会被更大范围地应用到汽车领域中。