纤维增强复合材料跟随新能源汽车的同步发展研究

王华龙

（安康职业技术学院工程学院，陕西 安康 725000）

纤维增强复合材料被定义为由某些增强后的纤维材料与基体材料经过一系列的加工工艺处理得到的复合材料，根据使用纤维种类的不同，将纤维增强复合材料分为三类，分别是玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料[1-3]。相比传统的材料而言，纤维复合材料都具有极大的优势：材料性能的定向设计、热膨胀系数小。同时由于纤维增强复合材料的结构，注定它具有高的比强度和比模量，同时抗腐蚀性能优异[4]。由于纤维增强复合材料的种种优点，人们将其运用在各种现代化工业中，承担着在严苛工作环境下轻质高强的结构材料的功能，广泛应用在建筑、桥梁、海洋和油井等领域中。

近年来，随着我国经济的高速发展，汽车已经是我国人民生活中不可或缺的一环，给我们带来更为便捷的生活方式，但汽车内燃机使用的燃料均为不可再生能源，随着世界经济的快速发展，能源环境问题已经成为人类发展和生存的重大问题，而在世界各地的大气污染物的60%以上都来源于汽车尾气的排放，基于这些原因，新能源汽车开始走进世界的视野中[5]。而新能源汽车的电池系统会净增加车体的重量，车体的重量一定程度上关系到节能减排问题和汽车本身的加速和制动性性能，所以汽车轻量化技术是新能源汽车的必由之路。纤维增强复合材料的发展无疑对汽车轻量化的发展有着很大的助力。

1 玻璃纤维增强复合材料

现阶段在汽车领域应用的玻璃纤维复合材料大多包括：玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤维毡增强热塑性材料和树脂传递模塑材料[6]。

1.1 玻璃纤维增强塑性材料

使用塑料材料代替某些金属材料的使用已经成为现在汽车领域研究的热门，然而塑料的各项力学性能相比而言还是有很大的不足，为了对塑料材料的各项性能进行优化，将玻璃纤维当作增强材料成为了研究的热门方向，称为玻璃纤维增强塑料[7]。玻璃纤维的加入大幅增强了塑料的机械性能，使得玻璃纤维增强热塑性材料开始成为工程材料应用。

目前汽车领域中使用的玻纤增强塑料主要是玻璃纤维增强处理后的复合PP、PA66、PA6和PBT等材料。增强PP材料主要应用于汽车的发动机、冷却风扇叶片等物品上，但由于这些制品对外形工艺要求比较高，增强PP材料制品容易发生翘曲等现象，因此，研究人员开始使用滑石粉填充PP等代替。增强PA材料一般用于制作轿车或载货车上的保险楔块、油门踏板和嵌装螺母等小的功能件中。但值得注意的是，当生产工艺不符合标准时容易发生局部断裂的现象，造成零件的失效。而塑料进气歧管作为增强复合材料的新工艺产品，与原始的铝合金制品相比，具有强度高质量轻，表面光滑和减震、隔热等优点，受到全世界汽车厂商的喜爱，但塑料进气歧管的制作原料大部分是玻璃纤维增强PA66或PA6，其生产工艺较为复杂，国内的厂商还不能开发出质量相对较优的工艺。

1.2 玻璃纤维毡增强热塑性塑料

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料是以玻璃纤维毡为增强骨架，以热塑性树脂为基体加工制成的复合材料，由于其节能且轻质的特点，在全世界的汽车领域中有着极为出色的表现[8]。随着新能源汽车对轻量化的重视以及环境友好化的要求，国内外汽车工业对结构部件材料的选择开始倾向于使用GMT材料，GMT材料制作的产品韧性高、加工成本较低、生产工艺成型快、效率高，现在广泛适用于生产支架、仪表板托架等。

1.3 片状模塑料

片状模塑料作为性能优异、生产规模高和表面等级高的增强热固性塑料，作为替代金属车身板被大量应用，随着技术的发展，低密度SMC材料开始出现在人们的视线中，相比标准SMC材料的相对密度1.9而言，低密度SMC的相对密度低至1.3，在其实际应用的测试中发现，低密度SMC材料制成的零部件要比标准SMC材料轻30%左右，比金属制品要轻45%以上。

2 碳纤维增强复合材料

碳纤维一般指碳含量高达95%及以上的，具有高强度和高模量的纤维状石墨微晶材料，由于碳纤维的理化性质，在工程上表现出耐高温、耐腐蚀、抗蠕变性能高等特点，且密度小质量轻，但有着出色的刚度，同时膨胀系数也稳定处于低值，在服役环境严苛的工业领域有着很强的竞争优势[9]。近年来，随着技术的发展，碳纤维的制备方法得到长足的进步，碳纤维材料开始从航空航天、交通运输等高精尖领域下沉至生活日用中，如体育休闲、汽车制造等领域。然而碳纤维的本质形状是纤维体，很多情况下无法被直接使用，研究人员将柔软的纤维材料加工成各种织物，再与树脂、陶瓷或金属材料相结合，得到定向性能的复合材料，极大地丰富了碳纤维应用领域的扩展。通常来说，碳纤维复合材料都是以碳纤维作为增强体。

2.1 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）

树脂基通常分为热塑型和热固型两大类，在树脂基材料的开始阶段，热固性的树脂发展较快，但在近年来，热塑性的树脂基材料的发展反而超过了热固性树脂基材料[10]。其原因在于，热塑性复合材料不仅仅拥有出色的力学和物理性能，还具备着短的生产周期的优势，同时热塑的性质也决定着其可以循环重复利用。CFRP普遍具有高硬度、高耐磨和抗冲击缓震的特点，基于这些优点，福特公司于2007年对CFRP在汽车领域应用进行了可行性分析，研究发现，随着技术的创新，CFRP的加工周期开始缩短，且生产成本降低了60%，生产工艺也使得CFRP的加工成本也减少了30%左右，CFRP所具有的力学性能也完全符合在汽车领域的标准。

2.2 碳纤维增强陶瓷基复合材料

碳纤维增强陶瓷基复合材料是通过对多种化学物质进行多线程的加工，经过多次化学反应后得到的新型化学合成材料，由于有着陶瓷相的参与，使得碳纤维增强陶瓷基复合材料具有类似陶瓷的耐高温、耐腐蚀的特点，同时具有高硬度、高强度、高韧性和高的耐磨性，在汽车的刹车片和离合器等零件有着大量的应用[11]。同时，结构陶瓷材料有着不输金属材料的力学性能的同时，也远比金属材料产品更为节能环保。然而，现在对陶瓷的加工工艺并不成熟，容易出现过烧等问题，导致制成的复合材料出现脆断现象，因此制造成本较高，相比其他纤维复合材料而言应用并不是很广泛。

2.3 碳纤维增强金属基复合材料

轻质高强一直以来是汽车行业结构材料研究者所追求的终极目标，碳纤维增强金属基复合材料不仅具有其他纤维增强复合材料所拥有的强度高、比模量高等优异性能的同时，还可以大幅度降低金属的膨胀度，所以近年来在新能源汽车制造行业大量应用，特别是汽车的零部件的制造中[12]。金属基复合材料制造的零部件强度较高，在兼具金属材料的高强度高韧性的性能需求下，可以减轻零件的重量，节能环保。1970年就有汽车公司尝试使用碳纤维复合材料来代替金属零部件，整体减重约30%，油耗降低50%。

在碳纤维增强金属基复合材料中，碳纤维增强镁基复合材料的功能性无疑是其中的佼佼者，且由于镁基合金本身的轻量化在航天和运输产业中大量应用。且Cf/Mg复合材料的可设计性较强，对碳纤维增强镁基材料进行正确的加工和设计，可以实现其轻质高强特点的同时，兼具如电、磁、热、耐磨、减震等优势，为汽车新功能化提供新的思路[13]。但由于镁合金的活性较高，在空气中就极易被腐蚀，使得复合材料的制作成本大大升高，为此研究者们对发展低成本的Cf/Mg抱以很大的期望。现在研究者们通过扩散粘结、挤压铸造和粉末冶金等工艺制造出的碳纤维增强镁基复合材料已经拥有了较高的稳定性和更高的力学性能，为其在汽车工业领域中的应用做出了卓越的贡献。

3 芳纶纤维增强复合材料

芳纶是芳香族聚酰胺纤维的简称，芳纶具有优异的力学性能，其拉伸强度高、密度较低、断裂延伸率大，这些特点使得芳纶材料具有吸能耐磨、抗冲击抗疲劳的特征，且由于它出色的热稳定性，芳纶材料不易收缩和燃烧，拉伸模量高。相对而言，纤维增强复合材料的密度小、质量轻，且独特的纤维结构使得材料在受到冲击时，会通过自身纤维的变形和断裂吸收能量，吸能的效果比金属塑性变形的吸能形式要优越两倍以上，故而现在主要应用于汽车的缓冲器、安全带和安全气囊中。但目前芳纶纤维增强复合材料并未在车辆能量吸收部件得到广泛的应用，很大程度上是其成本过于高昂的原因[14]。

4 总结

碳纤维增强复合材料在各种程度上具有了较为优异的力学性能，在满足新能源汽车零部件强度要求的同时，大幅度减轻了车身的重量。在新能源汽车的轻量化过程中有着很大的优势，它的强度、密度和比模量等综合性优势是其他材料无法企及的。故而，随着碳纤维增强复合材料工艺的开发和研究的深入，碳纤维增强复合材料制品成本会进一步降低，功能性也愈发强大，会更多地应用在汽车领域中，成为新能源汽车制造业中不可缺的组成部分。