纺织复合材料在汽车领域的应用

2021-12-30赵渊博任学勤李文雅

轻纺工业与技术 2021年5期

赵渊博，任学勤，李文雅

（西安工程大学，陕西西安 710048）

0 引言

由于广大消费者对环境保护的意识越来越强，以及国家对环境保护的各种法律条例的颁布，环保汽车已成为汽车未来的发展方向，要使汽车达到环境保护的要求，纺织复合材料作为末来汽车材料的主流，将起到非常重要的作用。

复合材料可以改善材料的性能,延长使用寿命,增强功能性,对环境有利。应该重视复合材料的再生问题并且努力应对复合材料的再生问题，使得复合材料朝着环境保护的方向发展。纺织复合材料一是用短纤维、长丝、纱线或织物用作增强基材料的复合材料；二是用多种纤维做成的机织、针织、非织造、二维编织和三维编织等织物作为增强材料所做成的复合材料。其特点是采用了纺织预形件技术，即通过纺织加工方法将纤维材料制备成外形与复合材料成品相似、内部纤维取向和排列符合复合材料设计要求的预成形件，然后再将预形件与基体复合制成复合材料制品。它包括以橡胶为基础的柔性纺织复合材料和以树脂或塑料为基础的刚性纺织复合材料。

在纺织材料中,基体起着传递载荷以及均匀载荷和支撑纤维的作用。唯独只有纤维和基体相互配合协调,才能充分发挥出整体的作用以及自身的性能。纺织材料本身具有质量轻、强度高、刚性好等特点，而且它的强度和刚性都不大，密度比金属的小。复合材料有刚性和柔性，都可以应用在汽车工业领域。

1 汽车用纺织材料

随着当今社会的发展需求，消费者对汽车要求广泛，如重量轻、节省能源、美观以及环保和安全等，这使得纺织复合材料在汽车领域成为一个发展趋势[1]。汽车部件轻量化以及小型化已成为汽车部件的重要发展方向。因此，轻质纺织复合材料成为研究和应用的热点。汽车用纺织材料有很多种，一般纺织材料作为基体增强材料在汽车领域中使用。

普通的汽车材料质量和体积较大，强度低，阻燃性、透气性以及舒适性不高，不利于节约资源和人身安全，达不到人们的需求。因此，改进这些方面可以用纤维增强复合材料。碳纤、玻璃纤、天然纤维等纤维在汽车领域的复合中应用较多[2]。这些纤维具有尺寸稳定、吸湿率低、耐热、耐老化、耐化学和阻燃、抗拉强度高，伸长率小，弹性模量高、抗冲击等优点。这些材料可以广泛应用于汽车座椅、油箱、车门、车架、悬臂梁、驱动轴、行李箱、方向盘等上。

2 纺织复合材料在汽车领域中的应用

随着科技的进步，一些新技术、新材料逐渐应用到了汽车领域，并对汽车工业的发展产生了深远影响，其中碳纤维材料在汽车上的应用最为典型。碳纤维应用于汽车后，对汽车制造业最突出的作用是汽车轻量化[3]，最直接的影响是节约能源、加速和制动性能的提高。而轻量化的车体可以使整个车的重心向下,提高了汽车的操纵稳定性，车辆的运行也会更加安全稳定。

碳纤维复合材料具有良好的减振效果。据资料显示轻合金与碳纤维复合材料的振动停止时间,分别是9s 和2s。因此，碳纤维材料在汽车上的应用对降低汽车的噪音、振动和声振粗糙度同样有很大的贡献，将大大提高汽车驾驶的舒适度。因为碳纤维复合材料比金属材料的疲劳强度要高，碳纤维复合材料的疲劳强度一般在70%～80%，所以碳纤维复合材料在汽车上的应用可以有效地提高材料的疲劳可靠性。由于碳纤维复合材料比金属材料更容易设计以及可塑性较好，因此，碳纤维复合材料更适合应用于车身。碳纤维金属复合材料的车体构造能达到传统汽车车体的标准，大大减少零部件的种类，减少了投资，缩短开发周期。

碳纤维增强复合材料车身的质量比钢材料车身轻，两者重量相差约为50%。如果车辆重量减轻50kg，1L 燃油量的行驶距离可增加到2km；如果重量减少10%，则燃油可节省5.5%左右[4]。轮毂作为保证车辆安全的重要部件之一，不仅承担着车辆的重量和载荷，而且还传递着驱动力和扭矩，这对汽车轮毂的质量有很高的要求。而且，使用碳纤维复合材料会减轻轮毂重量，有利于降低车轮惯性，使车辆具有更快的启动、停止和转向速度。

福特新野马谢尔比gt350r 配备了碳纤维车轮，它的重量只有8.6kg，而一般金属材料的轮毂重量是15kg，所以在减少簧下质量约20kg 的同时，也保证了其坚固性和安全性。汽车传动轴对材料性能的要求也比较高，碳纤维增强材料所具有的优异特性，比如质轻以及比强度高等优点,则能更好地去满足替代金属材料。碳纤维复合材料的驱动轴不仅降低了60%的重量,而且具有更好的抗疲劳性和耐久性。兰博基尼第六元素概念车采用碳纤维活塞连杆代替钢接头，重量减少了40%～50%、碳纤维增强材料在汽车进气系统中的应用,不仅可以减轻汽车车体重量，而且碳纤维增强材料易加工成各种形状，并且外观表面比较光滑，可有效提高进气效率。采用了碳纤维增强材料制成的进气系统，碳进气纤维增强材料进气管重和塑料进气管重分别为235g 和438g。

为了使塑料材料的性能提高，高分子树脂填料的研究也正在迅速发展。由于增强材料和填充材料多种多样，增强材料将采用玻璃纤维增强塑料。目前,汽车领域主要采用玻璃纤维材料以及少量的PBT 和PPO材料增强塑料。玻璃纤维的加入大大提高了塑料的物理机械性能[5]。在目前人们对汽车众多的需求，传统的材料是达不到的，这也使汽车制造领域对玻璃纤维复合材料的需求量越来越大[6]。玻璃纤维可以用于汽车防潮、防腐、隔音、电绝缘材料等方面。玻纤的复合可以增强塑料的强度和刚性。虽然许多汽车厂在车身生产中已经用玻璃纤维增强材料代替了重金属，但玻璃纤维是一种从熔融玻璃中提取出来的纤维。高温熔融后很容易再固化，给废旧汽车的回收利用带来了很大的困难。玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GMT）由法国国家科学研究院开发，由于其多功能性，在结构设计上被广泛认为具有优势，因此被广泛应用于汽车仪表板、转向器、散热器系统和电子设备中[5]。

目前，玻璃纤维增强热塑性塑料发展迅速，发展速度快于热固性玻璃钢。世界上最大的两个汽车制造商通用汽车公司和美国福特汽车公司已经将玻璃纤维复合板应用于轻型货车（皮卡）和多功能跑车上。玻璃纤维复合材料重量较轻，也可以实现减轻车体重量的效果，从而达到节约燃油的目的[6]。目前，玻璃纤维复合材料具有很强的市场竞争力，根据近年来的数据统计，玻璃纤维复合材料汽车产品市场总量增长迅速，并有着强劲的上升趋势，更引起了汽车行业的特别关注。

3 纺织复合材料在汽车领域的展望

复合材料科学是一门横跨力学、化学、化工、物理和纺织等领域的新兴学科[7]。随着科技迅速的发展，纺织复合材料是一个重要的研究方向。传统汽车领域的材料一般为金属材料、塑料等，纺织品不可能完全替代这些材料，但是纺织材料已成为汽车材料不可替代的组成部分。纺织材料在汽车环保节能领域发挥了重要作用。传统汽车制造材料与纺织材料的复合与应用在将来是一个很好的发展方向，而且汽车用纺织材料一定会朝着功能多样化等趋势发展。在汽车制造用纺织原料的开发中，既要充分利用各种资源，又要杜绝浪费，还必须提高材料的性能，增加多功能。