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汽车复合材料的定义、分类和基本特点 |
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作者：意大利朗基尔股份有限公司 蒋鼎丰 来源：AI汽车制造业 |
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汽车复合材料具有“结构物”的本质，即它首先是结构，其次才是材料。因此，要充分发挥汽车复合材料的优势从而推进其在汽车中的广泛应用，必须首先对汽车复合材料的定义、分类和基本特点有一个清晰的了解和认识。
尽管纤维增强树脂基复合材料（以下简称“复合材料”）的诞生至今已有76年的发展历史，世界首辆复合材料车身的汽车Chevrolet Corvette诞生也有55年的历史，在适应汽车工业发展的需求中汽车复合材料技术也不断得到了进步和新的突破，从而在汽车中的应用越来越广泛。但是，一个不容忽视的问题是，汽车复合材料的推进工作在汽车制造业中相对于其他轻量化材料仍然进展缓慢，起伏跌宕，这一问题在我国汽车制造业中尤为突出。究其深层次原因，其中很重要的一点是，我国汽车行业的企业家、工程技术人员和用户，包括目前汽车复合材料的部分从业人员对复合材料缺乏正确的认识。
针对复合材料行业特有的认识问题，我国著名的复合材料专家张汝光教授曾经多次撰文并在不同的会议场合上大声疾呼：要正确认识复合材料！对此，他曾列举了一个例子：1988年，美国国会技术评价局发表了一份供政府决策指导的300多页的研究报告，报告题为“可设计的先进材料（指复合材料）”。编者在“影响先进材料更广泛应用的原因”一节中指出，要实现先进材料的更广泛应用，不仅仅要解决好技术方面的问题，还要设法改变包括研究人员和用户等在内的人的观念问题，因为人们总是习惯于用更适合于常规材料的观念来考虑问题。这个例子很能说明问题，也值得大家反思。张教授指出，“习惯于用更适合于常规材料的观念来认识复合材料”是影响复合材料广泛应用的主要原因。众所周知，美国是世界上复合材料应用最广、用量最大以及技术最先进的国家，但他们仍然认为，还是不能正确地认识和看待复合材料，这是影响复合材料发展的重要原因。因此，对于复合材料应用还很落后、急需迎头赶上的中国汽车工业而言，只有正确认识汽车复合材料，才能用好汽车复合材料，也才能更好、更快地发展汽车复合材料。从这个角度出发，本连载文章特地单列一篇，以对汽车复合材料的定义、分类和基本特点进行详细介绍，加深读者对汽车复合材料的认识。
汽车复合材料的定义
不少专家认为，当前人类已从合成材料时代进入到了复合材料时代，这种提法是有一定的科学依据的。因为想要合成一种新材料使之满足各种高性能要求的综合指标是非常困难的。即使研制出了某一种满意的材料，从实验室到规模化生产的投入之大和周期之长也令人望而生畏。但是，如果把现有的材料复合起来，则有可能达到事半功倍的效果。复合材料正是在这种技术研发的思路指导下蓬勃发展起来的，同时，也造就了其不同于常规材料的许多特点和性能。那么复合材料究竟是一种什么样的材料呢？它的正确定义应该是什么？我们应该如何正确理解和认识它呢？
根据国际标准化组织为复合材料下的定义，复合材料是由两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。我国国家标准GB/T 3961-1993对它的定义则是，由两个或两个以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体材料即为复合材料。国际标准化组织和我国的国家标准尽管在文字组织上有所不同，但定义的基本内容是一致的。根据其定义，我们可以从以下几个方面来认识和理解复合材料。
1、复合材料具有广义的范畴，并没有规定它由哪些特定的材料组合而成，也没有对材料的物质成分进行限定，而只是定义两种材料以上的组合，是一个材料使用方法的概念。由此我们可以想象，复合材料应该是包罗万象的，可以被设计成各种各样的材料性能，这就为我们的创新和发展提供了无限的空间。
2、 复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的，并且是经人工制造而成而并非天然形成的，这有助于我们区别具有某些复合材料形态特征的天然复合材料。
3、 复合材料的组分虽然可以是多种多样的，但是必须具有相对的独立性，即复合后仍然保持其固有的物理和化学性质，这不同于我们所知的化合物或合金一类的材料。
4、 复合材料的性能取决于各组分材料性能的协同，不是各组分材料之间性能的简单相加，而是有着重要的改进意义。因此，复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单组分材料性能所不及或不同的，它应该是一种可设计的材料。
5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。其中组分材料被区分为增强相和基体相，增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质以及在最终复合材料中的形态来区分的。增强相组分通常呈纤维(连续的或短切的)、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要的承载体。由于其在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离并包围，因此又将其称为“分散相”。基体相组分是包围增强相并相对较软和韧性的贯连材料。在复合材料中，增强相和基体相之间存在着明显的结合面，称为“复合材料的界面”。由于复合材料的界面位于增强相和基体相之间，并使这两相彼此相连，而化学成分和力学性能与相邻两相又有明显的区别，能够起着传递载荷的作用，所以其对复合材料的性能、破坏行为及应用效能具有很大的影响。
以上定义和解读所规定的是广泛意义的复合材料，既包括了聚合物基（树脂）复合材料，又包括了金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、水泥基复合材料等。其中，聚合物基（树脂）复合材料的应用最广，品种最多，产量最高，在复合材料中占据着重要的地位。在聚合物基（树脂）复合材料中，纤维增强聚合物基（树脂）复合材料又是应用最广、品种最多且产量最高的一种，其在聚合物基（树脂）复合材料中占据着重要的地位，因此人们习惯上将纤维增强聚合物基（树脂）复合材料简称为“复合材料”，而其他复合材料则被冠以全称。
在汽车工业中，目前主要使用的也是这种以纤维为增强相的树脂基复合材料。因此，本文所指的“汽车复合材料”正是“纤维增强树脂基复合材料”。由此我们得出了汽车复合材料的定义：能满足汽车工业需求和技术性能指标的纤维增强树脂基复合材料即为“汽车复合材料”。
汽车复合材料的分类
虽然已明确了“能满足汽车工业需求和技术性能指标的纤维增强树脂基复合材料”即为汽车复合材料，但按照不同的着眼点，仍有许多分类方法。例如，可以按照基体树脂的性质或种数来分，也可以按照增强相纤维的种类、形态或排列来分，还可以按照使用功能来进行分类，等等。
1、 按基体树脂性能进行的分类包括：纤维增强热固性树脂基汽车复合材料，涉及：纤维增强不饱和聚酯树脂基复合材料、纤维增强环氧树脂基复合材料、纤维增强酚醛树脂基复合材料、纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料和纤维增强聚氨酯基复合材料等等；纤维增强热塑性树脂基汽车复合材料，涉及：纤维增强聚丙烯基复合材料、纤维增强聚碳酸酯基复合材料、纤维增强聚酰亚胺基复合材料、纤维增强聚甲醛基复合材料和纤维增强聚氯乙烯基复合材料等等。
2、 按树脂种数进行的分类包括：纤维增强单一树脂基汽车复合材料和纤维增强混杂树脂基汽车复合材料。
3、 按增强相纤维的种类进行的分类包括：玻璃纤维增强树脂基汽车复合材料、碳纤维增强树脂基汽车复合材料、芳纶纤维增强树脂基汽车复合材料以及天然植物纤维增强树脂基汽车复合材料等。
4、按纤维增强材料的长短进行的分类包括：连续纤维增强树脂基汽车复合材料、长纤维增强树脂基汽车复合材料和短纤维增强树脂基汽车复合材料等。
5、按纤维增强材料种数进行的分类包括：单种增强材料树脂基汽车复合材料和混杂增强材料树脂基汽车复合材料。
6、按使用性能进行的分类包括：结构纤维增强树脂基汽车复合材料和功能纤维增强树脂基汽车复合材料。
7、 按纤维增强材料特性及其所用基体范围进行的分类包括：传统纤维增强树脂基汽车复合材料和先进纤维增强树脂基汽车复合材料。
用SMC工艺制造的多功能复合材料车顶被用在雪铁龙公司BERLINGO车上
汽车复合材料的基本特点
与传统的钢、铁、铝以及塑料和橡胶等材料相比，汽车复合材料是完全不同的另一类新型材料。它不像传统的材料那样具有均匀的且各向同性的材质，而是呈现出非匀质的各向异性。确切地说，汽车复合材料首先应该是一种结构物，其次才是一种材料。既然如此，汽车复合材料与传统的常用汽车材料相比有哪些特殊之处呢？
1、 汽车复合材料具有可设计性
汽车复合材料设计的第一步是选择增强相和基体相等基本组分，即确定增强相和基体相的种类(即选择“复合体系”)，并根据复合体系初步确定增强相在汽车复合材料中的体积分数(即各组分材料之间的体积比例)。
通常，对汽车复合材料构件性能的一般要求和特殊要求是选择增强相的重要依据。一般要求包括：密度、强度、模量、化学稳定性、尺寸和形状、生产加工性、成本、经济性、性能再现性和一致性、对损伤和磨损的抵抗与耐受能力，以及与基体相的粘接性等。特殊要求包括：导热性、热膨胀系数、抗老化性、抗氧化性和再结晶性等。
作为设计依据的原始数据，对基体相选择的一般要求包括：对增强相的包容性和充填变形性，以及基体本身的固结性、断裂韧性、耐腐蚀性、抗疲劳性和强度等；特殊要求包括：高温抗氧化性和抗蠕变能力、粘接性和二次加工性等。
一般，可根据汽车复合材料中各组分的职能和所需承担的载荷及载荷分布情况，以及具体使用条件对汽车复合材料提出的各种性能要求，来确定复合材料体系。在此基础上，再从几种汽车复合材料体系的侯选方案中，进行定性和定量比较筛选。
众所周知，材料性能的可设计性实际上是通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数等来实现的。显然，汽车复合材料中包含有许多影响最终性能的、可人为调节的因素。从理论上讲，它可以达到的性能范围几乎是无限的。汽车复合材料的力学、机械性能以及热、声、光、电、防腐和抗老化等物理、化学性能都可以按构件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期的使用性能目标。因此，我们可以认为，汽车复合材料具有可设计性，而且还有极大的自由度，能够方便地实现汽车工业中真正意义上的、具有最佳性价比的汽车构件的开发和制造。
2、汽车复合材料的材料与构件制造具有同一性
汽车复合材料的组分增强相和基体相以及相对体积分数一经确定，就可以按照构件的性能要求对它们进行选择排列和匹配等设计。待设计确定后，再经复合加工就可以得到所希望的汽车复合材料构件。由此不难发现，制造汽车复合材料与制造汽车复合材料构件是同步的。其特点是，对材料的设计要使其能够满足构件的性能要求。随着符合性能要求的构件被复合成功，汽车复合材料也随之被确定下来。相比之下，采用传统的常规材料制造的汽车构件，其成型过程通常是对现成材料的再加工。其过程包括：首先选用以板、块、棒、管和型材等形式提供的材料，然后再对这些材料进行诸如锯、铣、车和刨等机械切削加工，并采用螺接、铆接、焊接和粘接等连接方式，最终制成所需的构件。显然，对汽车复合材料的加工与传统的常规材料的加工方法有着明显的不同，它是通过采用某种设汁方法，将增强相掺入到基体相中，从而在形成复合材料的同时，也形成了复合材料的构件。因此可以认为，汽车复合材料的材料与构件制造具有同一性。
3、汽车复合材料有可能实现整体的综合优化设计
由于具有可设计性，以及材料与构件制造的同一性，因此使得汽车复合材料有可能实现整体的综合优化设计。整体的综合优化设计是指产品结构的整体化以及对材料设计、结构设计和制造工艺设计的综合优化。众所周知，传统材料的汽车构件，其成型通常是对现成材料的再加工。在加工的过程中，材料不会发生组分和化学变化。受加工工艺和条件的限制，一般很难一步完成对构件整体的加工，而往往是先分割成小件加工，再通过焊接或其他连接手段而最终组合成一个完整的构件，不仅制造工序复杂，而且生产效率低下，加工成本高。与之所不同的是，汽车复合材料的材料和结构可同时成型制得，并且作为汽车复合材料增强相的玻璃纤维和玻璃纤维织物是柔软的，其基体相树脂在成型过程中则是易于流动的，因此汽车复合材料很容易实现产品构件的整体化设计以及对材料、结构和制造工艺的综合优化。而整体化设计以及对材料、结构和制造工艺的综合优化又往往会带来如下优势：构件的整体性能好且造型容易，可大幅度减少零部件和连接件的数量，从而简化工序、缩短加工周期、提高生产效率并降低成本。可以肯定的是，如果能够充分发挥汽车复合材料的这一优点，将从根本上改变传统汽车工业的生产模式，并带来巨大的经济效益。
4、汽车复合材料的性能对复合工艺具有依赖性
由于在汽车复合材料结构件的成型过程中，其组分材料会发生物理和化学变化。而不同的成型工艺所用原材料的种类、增强材料的形式、纤维体积含量和铺设方案也不尽相同，因此决定了构件的性能对复合工艺方法、工艺参数和工艺过程等具有很大的依赖性。由此可见，科学地选择合理的复合材料制造工艺对满足汽车复合材料部件的性能要求至关重要。通常，合理的结构设计应该充分考虑到制造工艺的可能性，而制造工艺设计则应最大限度地保证实现结构物的最优结构设计。但在现阶段，受认识和技术等因素的限制，在汽车复合材料的成型过程中，还很难对其工艺参数进行准确控制。因此一般来说，汽车复合材料构件的性能分散性是比较大的，这一点应务必引起重视。
5、汽车复合材料具有各向异性和非均质性的力学性能特点
从力学分析的角度看，汽车复合材料与传统材料（如金属材料）的显著区别是，后者是均质的和各向同性的，而前者是非均质的和各向异性的。所谓“均质”，就是物体内各点的性能相同，也就是说，物体的性能不是物体内位置的函数。而“非均质”正好与此相反。所谓“各向同性”就是在物体内一点的各个方向上都具有相同的性能，而“各向异性”则表明某点的性能是该点方向的函数。
传统的汽车材料都是各向同性的匀质材料，这使得设计人员养成了一个习惯，即在进行结构设计时，往往只需考虑构件中应力最大的部位，因为只有这里才是构件的最薄弱环节。而汽车复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因而在外力作用下，其变形特征不同于一般的各向同性材料。通常，一种外力常常可以引起多种基本变形，而一个较小的应力，如果正好作用在材料性能薄弱的方向上，同样有可能引起对构件的破坏。所以，在进行汽车复合材料的结构设计时，要注意它的复杂性和特异性。除了要考虑结构物中的最大应力外，还要注意因材料强烈的各向异性特点而反映出来的薄弱环节，例如，剪切性能和横向性能远弱于纤维方向性能等。
6、汽车复合材料的叠加效应
对汽车复合材料的设计，首先是要选择合适的单元组分材料，即挑选那些在组合成汽车复合材料结构后，有希望达到预期性能指标的增强相和基体相组分。而要实现希望的性能指标，主要应依靠增强相与基体相在复合后性能的叠加或互补，使汽车复合材料获得一种新的、独特而又优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是汽车复合材料的叠加效应。叠加效应是汽车复合材料的一种主要复合效应，目的是通过材料组分性能的扬长避短和性能互补，保持增强相和基体相的协调一致，使之成为能够在指定的工作环境范围中有效承担预期载荷和发挥预期效能的有机整体，最终达到预期的复合效果。
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结束语
从汽车复合材料的定义、分类和基本特点中，可以认识到汽车复合材料与传统的汽车材料有着根本的区别。汽车复合材料具有“结构物”的本质，即它首先是结构，其次才是材料。因此，在推进汽车复合材料在汽车工业广泛应用的同时，还应该不断地提高对汽车复合材料的认识，充分发挥汽车复合材料的优势，从而在对汽车复合材料进行结构设计时，不受传统的汽车材料设计观念的束缚，而应该根据汽车复合材料的特点，建立新的观念和方法，特别是要学习和借鉴欧美先进的汽车复合材料理念和先进的设计制造手段，站在巨人的肩膀上更好更快地发展我国的汽车复合材料工业，为我国汽车工业的进步和汽车轻量化做出应有的贡献。
最后需要强调的是，汽车复合材料是复合材料的一部分，是复合材料的一个分支，但又不能简单地认为它等同于复合材料。只有既能满足汽车工业需求而又达到汽车技术性能指标的纤维增强树脂基复合材料才能将其称之为“汽车复合材料”。目前国内很多未进行性能和结构设计、未能满足汽车工业需求和技术性能指标的那些“形似而非神似”的复合材料汽车零部件，我们只能说是复合材料制品，而非汽车复合材料零部件，这是一个重要的区别。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/27/2008) |
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