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汽车复合材料的历史和现状 |
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newmaker 来源：AI汽车制造业 |
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作为一种新型的轻量化材料，树脂基复合材料正日益成为汽车制造业中的新宠。特别在小批量车型应用领域，它可谓一枝独秀，成为欧美汽车制造商开发新车型的首选材料。那么，复合材料在汽车制造业中具有多长的应用历史？占据什么地位？其工艺技术是否已趋于成熟？应用现状又如何？这些都是国内众多从事和关注汽车轻量化、从事和关注汽车复合材料的同仁们希望了解的。本文从复合材料的历史和现状两方面作一介绍，以飨读者。
汽车复合材料的历史
自开始制造汽车以来，复合材料，包括天然复合材料和人工合成复合材料便以各种形式应用于汽车中。早在1908年，美国福特汽车公司第一款大批量开发生产的T型车，其引擎盖就是采用天然复合材料——木头制造而成的。其后，很多汽车的车身框架、车底板和汽车装饰品等也均由木质材料制成。在汽车制造史上，复合材料被大规模地应用于汽车部件生产的一个典型例子是汽车的轮胎。众所周知，轮胎的橡胶基体中含有大约50%的碳黑，它不仅使轮胎呈黑色，更主要的是，碳黑的加入显著地提高了轮胎的耐磨性。通过在轮胎纵向方向加入纤维和钢丝，还大大增加了轮胎的结构强度，这是典型的人工合成复合材料在汽车领域的应用案例。尽管现代轮胎的制造技术己取得了巨大进步，但从福特公司T型车诞生以来，轮胎的基本配方和结构形式却一直都没有改变。因此我们可以认为，汽车制造业的发展史，实际上也是复合材料在汽车上的应用史。当然，本文主要介绍的是树脂基汽车复合材料，其历史应该追溯到树脂基复合材料诞生之后。
树脂基复合材料（以下简称“复合材料”）自1932年在美国诞生以来，至今已有近75年的发展历史。然而，其真正批量化应用于汽车工业则始于1953年。据资料记载，1951年，时任通用汽车公司车身设计负责人的Harley Early先生从通用汽车公司展示的玻纤增强复合材料概念车中得到启发，他憧憬着有朝一日能够设计出一款供批量生产的全玻纤增强复合材料车身的跑车，这款跑车可以结合所有欧洲汽车的优点。很快，他的想法得到了通用汽车公司副总裁Harlow Curtice先生的支持。1952年，通用汽车公司将一款原准备采用常规的钢材制造的跑车改为采用玻纤增强复合材料来制造，并将原名“Opel”改为“Corvette”，Corvette的英文原意是“轻巡洋舰”，其涵义充分表达了轻型、快速和操控性强的设计理念。
第一批Corvette车身采用手糊工艺制作而成：首先将剪切好的玻纤增强材料铺设在开放式的模具内，然后通过树脂浸渍、滚压赶泡、固化反应及脱模等一系列工序制作完成，这在当时是一种全新的车身制造工艺。经过全员努力，1952年12月22日，通用汽车公司成功地完成了该车身的开发制造。
1953年1月17日，一辆锃亮的配有红色内饰的白色Chevrolet Corvette跑车在美国纽约的Waldorf宾馆首次向观众展示（如图1所示），这是世界上第一款全复合材料车身的两座位跑车，这一天也因此成为了汽车复合材料史上值得永远纪念的日子。1953年6月30日，第一批试生产的300辆Corvette车在美国的Michigan投产。1954年，其生产地被移至美国的St.Louis。从1984年至今，Chevrolet Corvette车型一直在Bowling Green生产。
当年谁也没有预料到的是，Chevrolet Corvette车型现己成为世界复合材料汽车的典范。自1953年推出此款车型以来，通用汽车公司目前己经售出了130万余辆。而更重要的是，作为世界上第一辆全复合材料车身汽车，Chevrolet Corvette引发了一场世界范围内应用复合材料的热潮：从车头到车尾，从内饰件到外饰件，从A级表面的车身面板到结构组装件，从皮卡车厢到发动机气门盖、油底壳，从传动轴到板弹簧等部件，复合材料在各种汽车零部件的应用中均显示出了无可比拟的优势：更低的模具投资成本、更低的汽车重量、更高的设计自由度以及更高的零部件集成度等等，这些引起了汽车制造业对复合材料的广泛关注。
追述复合材料在汽车工业中的应用历史，至今己有54年，其成功案例已不胜枚举。下面的一些典型案例简要地概述了国内外汽车复合材料的应用发展史。
1、国外汽车复合材料的应用历史
自1953年Chevrolet Corvette两座位跑车作为世界上第一辆全复合材料车身的车辆被推出以来，在世界范围内先后又有多款采用了复合材料的汽车问世：1963年，Studebaker公司推出了全复合材料车身的Avanti跑车，在1964年生产了1000辆之后停产；1970年，第一个格栅面板(GOP)应用于Pontiac公司的Tempest车型中，显示了SMC材料部件良好的集成功能；1986年，Cummin公司开发的SMC气门盖成为第一个应用于发动机的引擎部件；1987年，Mercury Tracer公司展示了第一款高产量的复合材料保险杠，这是复合材料第一次应用于结构件；1989年，欧洲最先采用缠绕法制成了复合材料压缩天然气(CNG)气瓶，到目前为止，这种气瓶已在全世界范围内投入使用了至少80万套以上；1992年，复合材料板簧在美国正式投入商业化生产，广泛应用于重型卡车和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3；1993年，VW公司首创Golf A3型汽车的GMT前端框架，日产量达到2000件；1995年，Ford公司的Taurus车型和Sable车型首次采用了SMC散热器支架，Lincoln Continental车型首先采用了柔性的SMC翼子板；1997年，Corvette车型首先采用了三明治结构的复合材料轻型车底盘，该轻型车底盘于2003年应用到Cadillac XLR车型中；2002年，Renault公司推出了Avantime车型，其车身的90%采用了SMC材料，整辆汽车使用的SMC材料达到90kg，最大日产量为350辆（如图2所示）；2003年，碳纤维的SMC复合材料首先成功批量应用于2003款的Dodge Viper车型（如图3所示）和mercedes Maybach车型的系列化生产中。
图2 2002年Renault公司推出了全SMC车身的Avantime车
图3 第一次批量应用碳纤维SMC的2003款Dodge Viper车
2、国内汽车复合材料的应用历史
我国复合材料的研究和开发始于1958年，但复合材料进入汽车工业则比较迟缓，尤其是大批量、标准化应用的历史更短。
在20世纪80年代后期到20世纪90年代末，“全塑中华汽车”的概念虽然曾经在国内汽车界轰动一时，但终究由于质量较差不能满足汽车工业的要求而半途夭折。此后，国内陆续有一些汽车厂开发过全复合材料车身的客车车型，主要的工艺手段为手糊工艺，但都没有形成工业化大生产的局面。
随着以切诺基、依维柯、斯泰尔和桑塔纳等各类引进车型在中国的陆续投产，中国的汽车工业才真正开始引入和接触到与国际水平较为接近的塑料件和复合材料新技术。同时，中国汽车复合材料的历史也开始有了实质的起步，迎来了以消化吸收为主要目标的新的发展时期，并在实践中逐渐获得了中国汽车工业的认可。
经中国汽车复合材料企业成功消化吸收并获得国产化应用的范例有：1996年，南京依维柯汽车有限公司的IVECO小客车SMC前保险杠由北京汽车玻璃钢制品总公司国产化供货；2000年，北京吉普汽车有限公司的切诺基吉普车SMC后举升门由北京汽车玻璃钢制品总公司国产化供货（如图4所示）；2003年，中国重型汽车公司的斯泰尔王重卡SMC保险杠、面板等14种零部件由山东武城新明玻璃钢制品有限公司国产化供货；2004年，上海通用汽车有限公司的别克凯越车型GMT成套后座椅靠背骨架由上海耀华大中新材料有限公司国产化供货；2005年，上海通用汽车有限公司的别克GL8车型GMT前保险杠缓冲器支架由无锡吉兴汽车内饰件有限公司国产化供货；2006年，上海大众汽车有限公司的POLO、B5轿车GMT发动机底护板由上海耀华大中新材料有限公司国产化供货；2006年，一汽-大众汽车有限公司的宝来车型GMT前端框架由长春英利汽车部件有限公司国产化供货；2006年，一汽-大众汽车有限公司的宝来车型D-LFT车底部护板由长春英利汽车部件有限公司国产化供货；2006年，上海大众汽车有限公司的途安车型G-LFT前端框架由长春英利汽车部件有限公司国产化供货；2007年，一汽-大众汽车有限公司的迈腾车型GMT备胎仓由长春英利汽车部件有限公司国产化供货。
图4 北京 Jeep 2500车型SMC后举升门
汽车复合材料的现状
尽管复合材料的许多优点使其很好地适应了汽车工业的发展要求，但其存在的一些缺点也是现代汽车工业所不能容忍的，如：原材料成本较高、弹性模量较低、材料特性分散性大、生产周期较长、可回收性差以及高温烘漆后易产生油漆爆破现象等。经过50多年的不断探索和研究，近年来，复合材料的新材料、新工艺和新技术不断涌现，从而在很大程度上使上述问题得以改善，促进了复合材料在各类汽车中的广泛应用。据统计，在欧美一些国家，汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33％左右，并保持持续增长状态。目前，复合材料在车身外覆盖件上的应用已相当成熟，并开始向内饰件、半结构件及结构件等的应用方向发展。近年来，汽车复合材料在应用和技术改进方面都发生了哪些变化呢？
1、成本降低，效率提高，更具竞争优势
在初级阶段，由于原材料成本和制造成本均很高，加之生产效率低、质量稳定性差等缺点，汽车复合材料并不被汽车工业所看好，因此一般只被用于小批量的、质量要求不高的非结构件产品。随着复合材料技术的不断进步以及生产自动化程度的不断提高，复合材料零部件的产量呈增长之势。以SMC为例，在与钢材的成本-产量进行对比的过程中，一个长期的研究数据表明，二者之间存在着一个交汇点，这个交汇点即为“基准产量”。当某种SMC产品的实际产量低于此基准产量时，其成本价格低于同类钢零件，而超过此基准产量时，其成本价格则高于钢零件。事实上，这个基准产量点是动态的，其总的趋势是向上移动。据统计，20世纪70年代的基准产量约为3万件/年，20世纪80年代的基准产量约为7万件/年，到2000年则上升为15万件/年。这表明，对于年产量在15万件以下的生产规模，相比钢材，SMC汽车复合材料更具竞争优势，这在欧美国家已得到了证实（如图5所示）。
图5 SMC与钢材的成本-产量比较
2、设计、制造更具科学性
复合材料是一种“可设计”的材料，即通过改变纤维或基体，可以在极大范围内设计材料的性能。但是，以往用复合材料制造汽车零部件的过程却经常使好的设计无法实现，或不能以合理的成本制造出来。例如，纤维在树脂基体中得不到准确排列或均匀分散，以及材料的局部力学性能和化学环境不能有效控制，造成制品的材料特性呈分散性大的缺点等，这些都是汽车工业所不能容忍的。近年来，随着一些相关的设计和开发软件技术的进步，汽车复合材料的设计和制造变得更具科学性。如ESI集团公司和VISTAGY公司等相继推出的汽车复合材料产品设计软件、仿真模拟软件和有限元分析软件等，对提高汽车复合材料产品的质量、缩短成型周期以及降低生产成本等发挥了重要作用。目前，PAM-RTM成型工艺计算机模拟分析软件己得到了广泛应用，它能够对RTM生产过程中树脂的流峰、温度、压力场以及固化过程进行模拟预测，从而帮助获得合理的注射方案并缩短生产周期。
3、以SMC为代表的热固性复合材料更趋成熟
SMC是一种热固性材料，是由不饱和聚酯树脂、有机添加剂、碳酸钙和短切玻纤等混合制得的一种片状模塑料，是汽车工业中应用最成功的复合材料之一。2000年，美国和欧洲汽车SMC的消耗量已分别达到SMC总产量的70%和42%。随着SMC在汽车中应用范围的不断扩大，市场对SMC的要求也越来越高。近年来，各国在不饱和聚酯树脂、有机添加剂、填料、玻璃纤维、模具、零件设计以及SMC的生产、成型工艺过程控制等方面都进行了广泛的研究，并取得了重大进展，相继推出了A级表面SMC、低压SMC、低密度SMC、免喷涂SMC、增韧型SMC、耐高温SMC及环境友好SMC等各种汽车用SMC复合材料，充分满足了汽车工业发展的需求。2006年，德国Fraunhofer研究院与VW公司、DieffenBacher公司经过2年多的努力，推出了SMC直接在线混配、微波即时熟化连续成型生产线，从而将传统的二步法SMC成型工艺创新为一步法成型，大大降低了SMC复合材料成型的生产成本和加工周期，这无疑为汽车工业扩大应用复合材料、促进汽车轻量化带来了新的福音。
4、长纤维热塑性复合材料呈快速发展趋势
长纤维增强热塑性复合材料(LFT)由于比没有经过增强的工程热塑性塑料、热固性复合材料、钢铁或者铝材等具有更优异的抗冲击强度和耐用性、更低的重量和成本、更短的成型周期以及更好的可回收性，因此自20世纪80年代推出以来越来越受到汽车制造业的青睐（如图6所示）。2002年，全世界LFT的产量已达到6万t/年，并以30%左右的速度增长。就品种而言，PP占其中的56％，PA占其中的32％；就地区分布而言，欧美国家占到了总量的92％。2006年，仅欧洲的LFT用量就已接近14万t。近年来，亚洲汽车工业的LFT用量也呈增长态势。目前，LFT已在汽车的防撞内杆、前端框架、仪表盘骨架、车门中间承载板、电瓶箱、座椅骨架板、备胎仓以及车底部护板等结构件和半结构件上得到了广泛应用。据统计，在LFT的总消费量中，汽车工业就占据了其中的80% 。
图6 世界汽车用长纤维热塑性复合材料增长趋势
5、碳纤维复合材料在汽车工业中崭露头角
碳纤维复合材料（CFRP）因其重量轻，以及具有高强度、高刚性和良好的耐蠕变性、耐腐蚀性等特点，已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。实际上，早在几十年前，就有专家曾预言，碳纤维复合材料将取代金属用来制造汽车底盘结构件，现在这个预言已成为事实：2003款的戴姆勒-克莱斯勒Dodge Viper 运动车的底盘和车身外部构件就是采用CFRP制造而成的，它使汽车重量减轻了68%，从而使油耗降低了40％。另外，在该车的制造过程中，首次实现了SMC模压成型工艺的批量化生产，为此该项目还荣获了2004年的SPE大奖；德国BMW汽车公司在其系列车型的制造中，持续采用碳纤维增强复合材料，其最新的一个案例就是用CFRP制造的车顶。该车顶专门为欧洲新的M3 CSL车型而设计，是在BMW汽车公司的Landshut工厂中的第一条高自动化的碳纤维车身零部件加工生产线上制作而成。相比钢制车顶，其重量减轻了13.2Lb（1Lb=0.4536kg），相当于钢制车顶重量的一半；美国摩里逊公司采用CFRP为通用汽车公司的载重汽车配套生产出了汽车传动轴，从而使原来通过中间轴承连接的两根金属传动轴用一根CFRP传动轴取代即可，它不仅减轻了60%的重量，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。
毫无疑问，随着碳纤维制造工艺的不断进步及其价格的不断下降，用碳纤维复合材料大量替代钢材制造汽车结构件、半结构件和车身，从而实现汽车真正意义上的轻量化己不是遥远的梦想。
6、汽车复合材料的油漆爆裂问题已得到有效控制
通常，复合材料在经过油漆喷涂，特别是高温油漆烘烤后，其表面会出现油漆爆裂或裂纹等现象，而且其概率比钢制面板要高出4倍甚至更多，由此而带来的返工修补不仅费时，还增加了成本。多年来，这一缺点使得复合材料在汽车工业中的应用受到了限制。为了解决这一问题，一些材料供应商进行了深入研究，并在2001～2002年期间取得了突破性进展：Budd公司的塑料部门和AOC树脂公司合作推出了一种新型的、含有高性能密封剂的Atryl TCA坚韧型SMC专用A级表面树脂；巴斯夫公司和Meridian汽车系统公司联合推出了一种全新的紫外固化密封剂。这些技术进展从密封、防止缝隙产生的角度很好地解决了复合材料的爆裂及裂纹问题。数据显示，经油漆喷涂后达到 A级表面的SMC部件，在放置几个月之后，其油漆缺陷产生的概率很小，小到完全可以与A级表面的钢材料面板相媲美。
7、汽车复合材料回收技术进一步提高
对汽车工业来说，复合材料的回收是一个具有战略意义的问题。现在，人们已经解决了热塑性汽车复合材料的回收问题，同时明确了热固性复合材料属于可回收材料的范围。
目前，世界上回收热固性汽车复合材料的方法主要有3种：通过焚烧回收热能；通过热降解回收可燃油和可燃气体；通过物理粉碎法重新生成玻纤、填料和固化树脂的混合物。其中，物理粉碎法是得到了广泛认同的、最为经济和方便的回收技术。当然，不可否认的是，对热固性汽车复合材料的回收仍然存在着一些问题，如：聚合物无法再次熔融和加工，增强纤维和填料的种类复杂而难以区分，回收物的经济价值不高等。为此，世界各国汽车复合材料业仍在努力，并不断取得新的进展。例如，意大利FIAT汽车公司建立了一种SMC的回收体系，即将SMC粉粹至粒径小于50μm的粉末后，用作PVC汽车底漆的填料。初步计算结果显示，如果每辆汽车平均使用7kg的PVC底漆，其中矿物填料为3kg，那么每辆新车可消耗大均2.5kg的SMC粉末，其所带来的经济效益不容忽视。此外，在欧洲，由复合材料企业发起组成了ERCOM复合材料回收股份公司的联盟组织，目的是在欧洲范围内开展SMC废弃物的收集和回收工作，取得了很好的社会和经济效益。如图7所示，其具体做法是：
（1） 设立SMC废弃物收集网点，并通过ERCOM移动式破碎系统为这些网点提供服务。这些经破碎压缩后的废料最终被运回ERCOM回收工厂进行处理。据介绍，ERCOM回收工厂的年产能高达6 000t。
（2） 与相关工厂合作，建立汽车复合材料部件的拆卸工厂。
（3） 不断完善相关的拆卸标准，推动标准的实施，保证回收物的质量。
（4） 建立健全对回收物和SMC部件的质量管理体系。
（5） 建立实验室，对采用SMC回收物生产的部件进行测试和检查，确保产品的质量安全。
图7 欧洲复合材料循环回收利用体系
8、中国将迎来汽车复合材料发展的良好时机
与欧美发达国家相比，中国汽车复合材料的应用历史很短而且发展缓慢，技术水平低下，其原因是多方面的。首先，在计划经济时代，复合材料隶属于建材行业。由于行业之间缺乏交流，导致了中国的汽车工业一直以来就缺少复合材料这种技术资源。其次，中国复合材料行业从材料到工艺到装备一直以来都没有形成一个高水平的、完整的工业生产体系，难以满足汽车工业发展的需求。改革开放以来，中国的汽车复合材料迎来了千载难逢的发展机遇。特别是自2000年以来，汽车复合材料的需求量每年以20%～30%的速率快速增长，其中长纤维增强热塑性复合材料的增长速度更快。在中国汽车工业快速发展的过程中，轻量化、低油耗、高安全、减少污染以及降低制造和使用的综合成本等日益成为汽车业界的共识，这无疑为轻质、高强、成本低廉及综合性能优异的复合材料提供了前所未有的市场机遇。可以肯定，中国的汽车复合材料将迎来崭新的发展时期。(end)
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(9/27/2008) |
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