车用复合材料及其应用趋势

作者：东风汽车公司技术部

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 一、复合材料的含义 随着科学技术和生产的发展，对材料的要求也越来越高。除要求材料具有高强度、高模量、耐高温、低密度以外，还要对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀以及电绝缘性等提出特殊的要求。对此，单一材料往往是无能为力的。采用复合技术，把不同性能的材料复合起来，取长补短，在性能上起协调作用，得到单一材料无法比拟的、优越的综合性能，以实现各种性能的要求，于是就出现了新型的复合材料。 一般称为复合材料的是由纤维等增强材料与基底(母体)等两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。它与纤维增强塑料(FRP)、纤维增强金属(FRM)、金属-料层叠材料等相当，具有重量轻、强度高、刚度好的特点，这些复合材料在汽车零部件上应用也很盛行。复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的具有强大生命力的材料，它的组分材料具有不同的化学或物理性质，且各组分材料之间具有明显的界面。 复合材料是一种多相材料。在工程上，所谓复合材料通常是指将一种材料人为均匀地分散在另一种材料中，以克服单一材料的某些弱点，使之优于各组分材料的综合性能，有时甚至成为各组分材料所没有的优良性能的新材料。凡是由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成的材料，均可称为复合材料。不同的非金属材料之间，不同的金属材料之间；非金属材料与各种不同的金属材料之间都可以相互复合。这种材料既可以保持原材料的某些特征，又能发挥复合后的新特点，它可以根据需要进行设计，从而更能合理地达到使用要求的目的。 二、复合材料的发展历程 自然界中许多天然材料都可看作是复合材料。树木、竹子是由纤维素和木质素复合而成的。纤维素抗拉强度大，但刚性小，比较柔软，而木质素则把众多的纤维素粘结成刚性体。动物的骨骼是由硬而脆的磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶组成的复合材料。人类很早就仿效天然复合材料，在生活和生产中制成了初期复合材料。例如在建筑房屋时，人们将麦秸或稻草参入泥浆中以增强泥土的强度；在现代建筑上大量使用的混凝土，特别是钢筋混凝土制成的复合材料等等。 近代复合材料的发展是从1932年玻璃纤维增强塑料问世开始的。30年代末期，美国因航空通讯的需要，发展了一种玻璃纤维与合成树脂结合的复合材料。40年代生产了既能满足电信需要，又能达到强度要求的玻璃纤维增强热固性塑料(又称玻璃钢)。50年代环氧树脂出现之后，又大力发展了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。随着空间技术、原子能及超音速飞机等发展的需要。60年代又发展了高强度、高模量、耐高温、低密度的碳纤维、硼纤维等高级纤维及其复合材料。至70年代，几乎所有工程塑料都用玻璃纤维增强。 目前产量大、应用广泛的复合材料是各种玻璃钢。70年代已超过百万吨。由于玻璃钢在性能上不能满足近代火箭、导弹、宇航、汽车等工业的需要，随后又发展了用碳纤维、硼纤维、SiC纤维等作为增强材料，金属、陶瓷等作基体材料的近代复合材料。上述复合材料由于生产技术复杂，价格昂贵，虽然性能优异，仍限于尖端技术领域中应用。几种材料复合在一起的性能指标，远远超过了各组成材料该项性能指标的总和。复合材料将会很快地向各工业领域中发展，以获得更广泛地应用，甚至有人预言，21世纪将是复合材料的时代。 三、复合材料的性能特点 复合材料是各向异性的非均质材料，与其他材料相比有以下突出特点。 1．比强度与比模量高。比强度、比模量是指材料的强度和模量与密度之比，比强度越高；零件自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。因为材料比强度提高，制造同一零件则自重愈小；而材料比模量愈高，则零件刚性愈大。采用比强度和比模量高的材料，可大大提高动力设备的效率。纤维增强复合材料的比强度和比模量是各类材料中最高的，当用复合材料制成与高强度钢具有同等强度和刚度的零件时，其重量可减轻70％左右。显然，这对高速运转的结构件或需减轻自重的运输工具和工程构件等具有重要意义。 2．抗疲劳性能好。在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，而疲劳破坏就是裂纹不断扩展所产生的突然断裂。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。疲劳破坏往往从材料的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上。在破坏前有预兆，如变色、声响等。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%～50%，而复合材料则可达到60%～80%左右。 3．减摩、耐磨、自润滑性好。在热塑性塑料中掺入少量的短切碳纤维可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍数可为原来的好几倍。如聚氯乙烯以碳纤维增强后为其本身的3.8倍、聚四氟乙烯为其本身的3倍、聚丙烯为其本身的2.5倍，聚酰胺为其本身的1.2倍、聚酯为其本身的2倍。选用适当塑料与钢板复合可作耐磨物件，如轴承材料等。用聚四氟乙烯(或聚甲醛)为表层、多孔青铜和钢板为里层的三层复合材料，可制成滑动轴承的良好材料。 4．化学稳定性优良。钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，既使含钼不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但纤维增强酚醛塑料，可长期在含氯离子的酸性介质中使用。用玻璃纤维增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器等设备。如用耐碱纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱纤维可用来取代钢筋与水泥复合。 5．耐高温烧蚀性好。纤维增强复合材料中除玻璃纤维软化点较低(700℃～900℃)外，其他纤维的熔点(或软化点)一般都在2000℃以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料。高温下强度和模量均有提高。例如铝合金在升温至400℃时，强度从5MPa降至0.3～0.5MPa，弹性模量迅速下降到几乎为零。如用碳纤维或硼纤维增强后，400℃时强度和模量基本可保持室温下水平。同样用碳纤维增强金属镍，不仅密度下降，而且高温性能也提高。由于玻璃钢具有极低的导热系数(只有金属的千分之一至百分之一)，可瞬时耐超高温，故可做耐烧蚀材料。 6．工艺性与可设计性好。调整增强材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，且材料与构件可一次成型，减少了零部件、紧固件和接头数目，材料利用率大大提高。 7．其他特殊性能。如：复合材料具有耐烧蚀性、耐辐射性、耐蠕变性及隔热性、特殊的电、光、磁等性能，高韧性和高抗热冲击性好，耐热性好，具有导电和导热性。缺点是层间剪切强度低、韧性差、耐热性和表面硬度都低，易老化，稳定性差，质量不易控制，成本较高。 四、复合材料的分类 1．纤维增强复合材料。纤维增强复合材料是复合材料中发展最快、应用最广的一种。纤维种类很多，每一种又有许多规格，如棉、蕉、丝等天然纤维以及各种合成纤维，但用作现代复合材料的纤维主要是指高强度、高模量的玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、碳化硅纤维、晶须、特种合成纤维、金属丝、混合纤维及自增强纤维如定向共晶等。 2．细粒复合材料。这类复合材料大致可分为金属细粒与金属基体的复合、金属细粒与塑料的复合、金属陶瓷与弥散强化。如铜合金中加入铅粉可作轴承材料；金属粉加入塑料中可改善其导热导电性能，降低线胀系数；铅粉加入氟塑料中也可作轴承材料。金属陶瓷可用作高温耐磨及高速切削材料，碳化铬金属陶瓷用作耐腐蚀、耐磨喷咀，重载荷轴承；高温无油润滑件等。 3．层叠复合材料。层叠复合材料是由两种以上不同材料层叠一起而成。可分双层复合、多层复合、包复金属或非金属。如酚醛环氧层压板上复一层铜箔，用作汽车电器印刷线路板；普通钢板上复一层聚氯乙烯塑料，用作耐腐蚀材料；高强度铝上复一薄层铬，可作兼具高强度及耐腐蚀材料。 4．骨架复合材料。骨架复合材料可分蜂窝复合、夹心复合及多孔浸渍复合。蜂窝复合材料与夹心复合材料是由重而薄、硬而刚强的面板与较轻而厚的芯子组成。其原理与工字梁相似。这种材料的优点是有高的强度重量比，高的承载能力，表面光滑，增加疲劳寿命和声振疲劳极限，可用作门板、地板、风扇叶片等。面板可由纸、木、金属、塑料、石棉板、增强塑料层压板等组成，最常用的为铝板及层压板。芯子可由纸、棉布、玻璃布等浸渍树脂组成，也可由铝箔、泡沫塑料组成。蜂窝复合材料的芯子有蜂窝形、六角形、方格形、波纹形、锯齿形等。夹芯复合材料是由两层面板中间夹一层泡沫塑料组成。如风扇叶片可由硬质泡沫塑料外复金属皮组成。多孔材料是一个连续结构但中间占有大量敝开的空隙，另一种材料可渗透到这些空隙中去。例如用润滑剂或氟塑料渗透到多孔的金属或塑料中去，或将树脂渗透到多孔性石墨中去，可用作耐磨材料及耐腐蚀材料。 五、纤维增强材料 纤维增强材料是增强塑料的骨架，基本上决定了复合材料的强度和刚度。玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的速度拉制而成。玻璃纤维有长、短两种，为非结晶型无机纤维。不燃烧，伸长率和线膨胀系数都较小，具有较高的抗拉强度。化学稳定性高，除氢氟酸、热浓磷酸和浓碱外，对其他化学介质均有良好的稳定性。玻璃纤维缺点是脆性大，耐磨性、耐柔性较差。纤维表面光滑，不易与其他物质相结合。玻璃纤维按化学成份可分为：无碱纤维(含碱量在1%以下)，低碱纤维(含碱量在2%～6%)，有碱纤维(含碱量在10%以上)。根据纤维特性可分为：高强度、高模量纤维、如S玻璃纤维和M玻璃纤维、耐高温纤维，如石英玻璃、耐酸、碱纤维，如C耐酸纤维，G抗碱纤维，普通纤维，如A玻璃纤维和E玻璃纤维。 随着人们保护环境意识的日益增长，各种天然纤维又重新被人们进一步认识而再次步入汽车部件的领域。天然纤维作为隔热/音和阻尼材料、特别是作为聚合材料的填充和增强材料，因在重量和成本方面的优势在汽车内饰件制造中的作用愈来愈大，并已开始了用于汽车外部部件（如挡泥板衬和扰流板等）的尝试。 车用天然纤维主要是指植物纤维，如洋麻、大麻、亚麻、黄麻和剑麻等麻纤维及椰壳纤维等。与合成纤维相比，天然纤维及其复合材料具有如下性能方面的优势。麻纤维生长期短、生长环境要求不高；其生长过程无需农药和化肥；生长、收获、加工的能量消耗较少；对二氧化碳的吸收能力强，具有减缓“温室效应”的作用；生产过程无“三废“污染、使用过程也无有害的游离化学物质（如近来备受关注的“甲醛”）和微粒（玻璃纤维成分）；无需化学胶粘剂，可在一步法成形过程中与基材热粘合；替代化纤和塑料等人造材料，可节约有限的石油资源；焚烧时无毒物排放、填埋后可生物降解；可再生循环利用；麻纤维复合材料的隔热、吸音性能好；能量吸收能力好、耐冲击，无脆性断裂（对提高汽车的安全性很有利）；燃烧速率低；具有良好的刚度、切口韧性、断裂特性；低温性能好；可用较低压力、一步法成形产品，节省机器和模具的投资、简化加工工艺（附座和装饰层等可与坯材一步合成、无需化学粘接和后续加工）；可成形大拉伸、复杂的三维形状。天然纤维在加工中还表现出对模具的磨蚀作用较低；密度低、重量可减轻10～30%(顺应汽车轻量化要求，提高燃油效率)；原料成本低、麻纤维来源广泛；边角料可以重新破碎后进行热塑加工，几乎没有废料产生。 作为结构材料使用的玻璃钢及其他复合材料，常用纤维状增强材料，其种类很多。按其化学组成，大致可分为无机纤维和有机纤维两大类。无机纤维有：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉纤维及金属纤维等；有机纤维有：合成纤维如芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等；天然纤维如棉纤维、剑麻、纸等。 在前述的增强材料中，应用最广泛的为玻璃纤维及其制品。玻璃纤维的种类很多，除了常用的无碱纤维、中碱纤维外，还有高强玻璃纤维、高弹玻璃纤维和耐化学介质腐蚀玻璃纤维等。玻璃纤维制品的种类达120多种，用于玻璃钢的主要有玻璃布、玻璃带、玻璃纤维合股纱、无捻粗纱、无捻粗纱布、短切毡、单向布、表面毡、短切纤维和磨碎纤维等。 六、碳纤维增强复合材料 这是近年来发展较快的一种复合材料，基体材料有各种树脂、碳、金属、陶瓷。树脂又分热固性和热塑性树脂。 1．碳纤维增强热塑性塑料。碳纤维增强热塑性塑料是指碳纤维为分散质，热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。用碳纤维增强热塑性塑料近年来发展较快，其特点是：强度与刚性高，蠕变小，热稳定性高，线膨胀系数小：减摩耐磨，不损伤磨件，阻尼特性优良。与玻璃纤维增强的相比，具有更好的机械等性能。如尼龙66中加入20%碳纤维，其弯曲强度与加入40%玻璃纤维相等，弯曲弹性模量较40%玻璃纤维增强的高二倍多。但韧性不如玻璃纤维增强的好。 碳纤维可降低热塑性塑料的摩擦系数，提高耐磨性，特别适于高载荷低速度轴承。加工收缩率为玻璃纤维增强的一半左右。添加碳纤维还可提高导电性。添加30%碳纤维的尼龙66的磨损因数为20，约为添加30%的玻璃纤维的1/4，是尼龙66的1/10。热塑性塑料的耐磨性随碳纤维的增加而有不同程度的提高，效果特别显著的是尼龙66。对乙烯/四氟乙烯共聚物、线型聚酯等均有明显增加。用碳纤维增强的聚四氟乙烯层压制品制成的密封圈既耐腐蚀，又耐热和耐磨，宜制作高压泵及液压系统的动力密封装置。 2．碳纤维增强热固性塑料。碳纤维增强热固性塑料是以热固性塑料为基体，以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。 碳纤维增强环氧树脂。碳纤维增强环氧树脂的纤维增强材料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料。这方面性能是其他材料无法比拟的。碳纤维增强环氧树脂的比强度与比模量均较其他材料高，拉伸强度比铝、钢都要大。弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。在碳纤维增强塑料中纤维的增强效果取决于纤维本身的机械性能、纤维的容积成分、纤维的排列方向和纤维与树脂的连接强度。总之，碳纤维增强塑料具有质轻高强、高模量、减摩耐磨、热导率大、自润滑、耐腐蚀、抗冲击性好、疲劳强度大等优越性能，在现代汽车工业中的应用将越来越广泛。 碳纤维增强塑料的应用。碳纤维增强塑料是汽车工业大量使用的增强材料。目前汽车耗油要求逐年下降，要使汽车轻量化、发动机高效化、车型阻力小等，都要求有质轻和一才多能的轻型结构材料，而碳纤维增强塑料则是最理想的材料。主要的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。 七、陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。它的主要基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、高耐腐蚀性、低膨胀系数、隔热性好及低密度等优异性能，而且资源也比较丰富，有广泛的应用前景。但其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。 陶瓷基复合材料应用于发动机的主要障碍来自价格和可靠性方面。目前，陶瓷基复合材料零件的价格远比金属零件价格高。制造时可能产生内部裂纹且陶瓷零件的强度波动较大，高温时有所下降。但由于陶瓷材料具有优良的机械性能和低密度特点，世界各国都在大力发展，努力改善其基本性能和工艺技术，以求降低成本，提高可靠性。 纤维增强陶瓷基复合材料是以纤维作增强体，把纤维增强陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起而组成的材料的总称。这类复合材料具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性，是一类新型结构材料。作为增强用的纤维有金属纤维（如钨丝、钽丝、钼丝等）、玻璃纤维和陶瓷纤维（如碳、碳化硅、氧化铝、氧化锆等纤维）；而陶瓷基本由氧化物基（如氧化铝、氧化锆等）和非氧化物基（如碳、碳化物、硼化物、氮化物等）组成。在选择纤维和陶瓷基体时要注意性能的匹配，如纤维必须和陶瓷一样具有耐高温性能，纤维的热膨胀系数应稍大于陶瓷基体。 纤维增强陶瓷基复合材料已应用的领域和即将应用的领域有刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机零件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造超高速列车的制动件。由于这种材料具有优异的耐摩擦性能和耐磨损性能，使用效果令人满意。 经过纤维增强的陶瓷，无论在抗机械冲击性，还是在抗热冲击性方面，都有了极大的提高，这在很大程度上克服了陶瓷的脆性，同时又保持了陶瓷原有的许多优异性能。这种打不破的陶瓷目前虽只是初露端倪，但将来肯定有着广阔的发展前景。 八、美国的车用复合材料市场 美国是世界最大的复合材料生产国，也是最大的复合材料市场。经历了本世纪初的低迷后，近几年复合材料市场稳中有升，相对于美国钢铁业、铝业等传统材料的不振，可称得上是生机勃勃。2005年美国热固性复合材料产量187万吨，约占全世界的40%，复合材料行业雇员10.6万人，其中8.1万人直接从事复合材料制造，年销售额为136.8亿美元，与复合材料业密切相关的供应及制造业拥有28万雇员，销售额达到453亿美元，其市场之巨大可见一斑。美国复合材料业的走向与各国同业也有密切的关联，由于市场繁荣，美国2005年进口了玻璃纤维17.3万吨，其中约一半从中国进口。美国复合材料的主要市场是运输车辆制造，用热固性及热塑性复合材料占复合材料市场30%以上，2005年美国年产轿车约160万辆，至2008年将达到175万辆（年增3%），由于热塑性复合材料在轿车上的应用加快，复合材料在轿车上的用量可维持稳步上升。近年来美国轻型货车及多用途车的销售表现出色，进入本世纪销售额首次超过轿车，并连续几年达到年增30%以上，复合材料制成的轻型货车的整体车斗、车底板、多用车外壳乃至重型车整体驾驶室、拖车底板、轮罩、导流罩均已得到市场认可，保证了总量增长。 九、复合材料的发展趋势 为适应社会的需求，现代汽车正朝着轻量化、安全、节能、高速、低公害和长寿方向发展。汽车轻量化的目的就是节能和减轻排放污染。同时环境保护已成为可持续发展战略必不可少的条件，而复合材料的发展趋势正朝着延长使用期以及可再生的方向发展，这都是对环境有益的。 未来的汽车是属于适应环境保护的绿色汽车，因而在此不可避免的要提到复合材料的环境意识。复合材料能提高材料性能，延长使用期，加强功能性，这些都是对环境有利的特性。但应认真对待并努力克服复合材料的再生问题，使复合材料朝着环境协调化的方向发展。 未来的汽车与现在的汽车在很多方面不会有太大的区别，但设计思想会有很大不同。当今社会，人们目光的角度以逐渐转到人与自然的关系问题上，环境与能源问题成为世界上每个国家能否生存和发展的关键。 随着人们环保意识的不断提高以及各国环保法规的相继出台，绿色汽车已经成为未来汽车发展的必然趋势，因而如何使汽车满足环境保护的要求，便提到了汽车厂商们的议事日程。而复合材料作为未来汽车材料发展的主流，必将在其中扮演非常重要的角色。汽车工业的发展日新月异，复合材料的研究也是一日千里，各种新型的车型，新式的材料不断地涌现。可以预测在不久的将来，更高性能的复合材料将更大范围地应用在汽车领域中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/2/2008)