复合材料在汽车制造中的应用

2012年10月（下）工业技术科技创新与应用

复合材料在汽车制造中的应用

刘莉

（兰州职业技术学院，甘肃兰州730070）

汽车工业是我国国民经济的重要产业支柱之一，近年来已取得迅猛的发展。截至2010年，我国汽车产销量分别为1826.7和1806.9万辆，跃居世界第一。按照“十二五”规划，到2015年将形成2500万辆的产能[1]。汽车工业的快速发展伴随着能源匮乏、环境污染等问题。汽车节能、环保、安全既是国际汽车技术的发展方向，也是我国产业政策的要求[2]。由于钢材料刚性好、易加工，能满足汽车各零部件对材料性能的要求，但钢材料也存在易腐蚀、密度大、能量消耗多的缺点，因此以轻质材料取代传统钢材料势在必行。近年来，复合材料在汽车制造业的开发应用减轻了重量、降低了油耗、提高了强度和改善震动等性能[3]。复合材料是由两种或者多种不同性质的材料用物理或化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。一般复合材料的性能优于其组成材料的性能，并且有些性能是原来组成材料所没有的，如改善材料的刚度、强度和热学等性能等。

1汽车制造业发展趋势

为缓解日益减少的石油资源的压力，节能减排是影响可持续发展的关键因素。用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。减轻了汽车重量，滚动阻力随之减少，每公里油耗也就随之下降，不但降低了石油资源的损耗，还减少了尾气排放，缓解了温室效应的压力[2]。近年来，由于机械和汽车领域对材料强度和硬度方面的要求越来越高，使得复合材料得到广泛的应用。但与复合材料在宇航方面的应用相比，汽车工业应用复合材料的发展较为缓慢，主要是受限于材料价格高，复合材料的成型加工困难等因素。目前，伴随高性能复合材料研发与应用，已可通过减轻材料重量来节约成本。复合材料与金属材料相比，具有能耗低、加工方便、材料性能高和使用寿命长的特点，目前已大规模应用于汽车零部件和内部装饰等方面[4]。

2复合材料在汽车零部件开发应用

2.1在汽车发动机上的应用

发动机的主要部件是活塞，它的工作环境为高温高压，并且活塞在运动过程中不断与活塞环、汽缸壁之间产生摩擦，极易损坏，因此要保证发动机正常工作，要选择耐磨的复合材料。目前，应用于活塞的材料主要由低密度金属和增强陶瓷纤维组成。此外，国外又推出了氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞及氧化铝增强的镁合金制造的活塞等[5]。由于陶瓷材料质量较轻，若将配气机构中的附件也用陶瓷复合材料替换后，可以通过提高转速的方法来提高发动机的功率，或者转速不变，也可通过降低气门弹簧的弹力而降低功率损耗，从而达到节能减排的目的。气门座和摇臂头等易磨损部件再采用陶瓷材料后，也可减少磨损，延长使用寿命。在柴油机的涡流室安装陶瓷镶块后，改善了发动机低负荷时的燃烧，及低温启动性能，降低了燃烧噪声。涡轮增压器零件中使用最普遍的是增压器陶瓷涡轮，与金属涡轮相比，陶瓷涡轮质轻，转动惯量仅为金属涡轮的20%，“涡轮滞后”现象得以改善，提高了增压器的动态性能，能在金属涡轮不能承受的高温下工作[6]。韩鹏[7]从碳纤维复合材料的力学性能和发动机罩的结构特点出发，按照等刚度原则，设计并分析了碳纤维复合材料发动机罩。用有限元分析方法，确定了发动机罩性能参数。结果发现，复合材料发动机罩在满足刚度条件下，可减重约16%左右。

2.2车轮

刘国军[4]数值模拟了碳纤维/环氧(T300/5208）复合材料车轮与铝合金车轮的弯曲疲劳试验。通过对汽车车轮建模，用有限元AN－SYS软件，按国家标准车轮弯曲疲劳试验，分别分析了铝合金和复合材料汽车车轮的强度。结果发现，在相同应力水平下，复合材料车轮比铝合金车轮轻了40.74%。同时，优化设计碳纤维/环氧(T300/ 5208）复合材料汽车车轮的轮辋厚度、车轮安装凸缘厚度和车轮的轮廓尺寸，也可以使车轮的重量降低。

2.3其他部件

东风汽车公司开发的共聚甲醛与钢背复合润滑滑动轴承复合材料，已应用于汽车的制动系、传动系、转向系等轴承中。具有综合性能优于青铜合金，工艺稳定、生产率高、价格低廉等优点。此外，铜材质的散热器管材也逐渐被复合材料取代。目前一般采用30%GF 增强的PA66注射成型，并以机械方式与散热器接合，可明显提高设备的耐腐蚀性并节约了金属材料。用橡胶密封圈使接合面上达到密封的目的，还可以起到防振作用[8]。张泽书[9]用玻璃纤维和改性丙纶为原料，设计开发了GMT复合材料，并用于汽车内饰。产品规格为单位质量1150~1250g/m2，幅宽为2200mm。研究了GMT复合材料成型加工工艺参数与其力学性能之间的关系。结果发现，采用玻璃纤维和改性丙纶直接混合方法，用非织造布设备进行制备GMT复合材料，成功解决了玻璃纤维和改性丙纶均匀混合、梳理成网均匀等技术问题。

3展望

含有陶瓷纤维、玻璃纤维、高分子材料以及其他新型非金属原料的高性能复合材料在汽车制造业中的广泛研究与应用，极大减小了汽车材料对金属的依赖，实现汽车轻量化，有效缓解了对资源的压力。伴随我国汽车产业的迅猛发展，探索并开发高性能新型复合材料，进一步减轻重量，增强材料力学及加工性能，降低成本，促进汽车产业的节能减排，已经成为一种必不可挡的趋势。

参考文献

[1]黄茂松,贾润萍.中国汽车用聚氨酯材料发展方向[J].聚氨酯, 2012,3:61-66

[2]郑学森.国内汽车复合材料应用现状与未来展望[J].玻璃纤维, 2010,3:35-42

[3]刘军,王腾宁.复合材料在汽车中的应用[J].工程塑料应用, 1996,3:31-33

[4]刘国军.复合材料汽车车轮的强度分析及优化设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006

[5]曹令俊.复合材料在汽车工业中的应用及趋势[J].天津汽车, 2000,1:28-31

[6]罗鹰.复合材料在现代汽车发动机中的应用[J].汽车工程师, 2009,2:50-52

[7]韩鹏.碳纤维复合材料发动机罩优化设计研究[D].长春:吉林大学,2011

[8]向乐新,潘典三.树脂基复合材料及其在汽车中的应用[J].武汉工学院学报,1995,4:19-25

[9]张泽书.汽车内饰用GMT复合材料的制备与研究[D].郑州:中原工学院,2009

摘要：根据当前汽车制造业的发展趋势，从节能减排角度入手，分析了汽车轻量化是当今汽车工业发展的方向，综述了复合材料在我国汽车制造中的开发与应用。

关键词：复合材料；汽车制造；应用

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