新型复合材料在汽车轻量化方面的应用及展望

新型复合材料在汽车轻量化方面的应用及展望

林栋，周晓兵，杨建国，许俊

（上海华普汽车有限公司，上海201501）

【摘要】汽车轻量化在节能减排和环境保护方面起着非常重要的作用，本文首先介绍了国外内汽车轻量化复合材料应用发展动态，然后针对几种轻量化复合材料进行简单分析比较，并在此基础上介绍了新型复合材料在汽车电池框和前机盖方面的应用，最后阐述了复合材料的未来发展趋势。

【关键词】汽车轻量化材料；PE；电池框；前机盖；

The Application and Development Trend of New Type Composite Materi-

al in Automobile Lightweight

Dong Lin, Xiaobing Zhou, Jianguo Yang, Jun Xu

(Shanghai Maple Auto Co,ltd , Shanghai 201501 , China)

Abstract: Automotive lightweigh plays a very important role in energy conservation, emission reduction and environmental protection.This paper firstly introduces the latest development of automobile light-weight composite material in the world, and then, the thesis makes analysis and comparison on several kinds of automobile lightweight composite material available. It is succeeded to introduced the applica-tion of composite material in the car battery box and the automotive front hood. At last, the development of auto lightweight composite material is elaborated in future.

Keywords: Automotive lightweighting material; PE; battery frame; automotive front hood;

1 前言

当今世界，科技日新月异，但随之带来是生存环境的恶化及能源危机持续升级，节能减排逐渐成为新趋势。社会生活水平的提高，汽车已成为大众化行车工具。2014年我国汽车产销量双双突破2300万辆，连续第六年位居全球第一。汽车产销2372.29万辆和2349.19万辆，同比增长7.26%和6.86%。由于消费者节能减排意识的增强，低油耗车辆逐渐成为选择的重要因素，这使车企更加重视车辆的节能性，而车身重量是其重要的影响因素，因此车身轻量化已正成为汽车节能的重要考察因素。

美国福特汽车公司的全顺车在欧洲的试验结果表明：

满足欧Ⅳ标准条件下，每百公里油耗Y与自身质量x(kg)满足以下关系：

Y = 0.003X + 3.3434 (1) 汽车整车重量降低10%，燃油利用效率可提高6%～8%，尾气排放减少约5％，原材料成本可降低约10％[1,2]。油耗的下降，同时意味着CO2、氮氧化物(NO x)等有害气体排放量的下降，对环保要求的降低油耗和减少碳排放发挥重要作用。

针对各种类型车的大量试验结果表明，车辆的油耗与汽车的质量呈线性关系[3-5]。因此，通过降低汽车自重，即通过轻量化的手段来降低油耗，成为汽车行业最为热门的研究课题。大量地使用复合材料替代传统的纯金属，是汽车轻量化的一个重要手段，也是最重要的手段之一。

2轻量化复合材料汽车行业发展动态

复合材料作为能有效替代传统的纯金属轻量化材料之一，国内外汽车制造商在生产的车型中的使用量逐年上升，平均每辆汽车上塑料的用量从20世纪70年代初的50~60kg已增加到目前的150kg，预计还将继续增加。在日本、美国和欧洲等发达国家，每辆轿车平均塑料使用量已超过150kg，占到汽车总质量的10%。

以碳纤维复合材料使用为例，宝马i3纯电动汽车的面世是汽车设计的一次革命。它将是第一款车体主要由碳纤维材料制成的量产汽车。新型CFRP技术的应用使i3的整备质量仅为1195（1250）kg，比传统电动车减轻了250~350kg，同时实现了最高级别的碰撞安全保护。日本东丽TEEWAVE AR1电动概念车也大量使用碳纤维复合材料，使该车重量仅为846kg，比起钢制汽車重量減少53％（其中CFRP约使用160kg），扭力转向刚性却与钢制车旗鼓相当，甚至更好。平均单位重量的能量吸收达到钢的2.5倍。

近年来国内载货车技术得到很大的提高、优化与改进，同时随着国民经济的高速发展带来的市场驱动载货车产量的不断攀升，复合材料在载货车中取得了突破性的应用。国内新老汽车制造商相继推出新的车型，这些都成为汽车复合材料应用的新亮

点与增长点，表1列出了一些具体的应用实例[6]。

注：SMC 、GMT 、FRP 和LFT 分别为聚酯片状模塑料、玻璃纤维增强树脂，纤维增强复合材料和长纤维增强热塑性材料。

3车身轻量化复合材料简介

车身轻量化途径包括车身设计、材料技术与制

造技术三个方面，关键是材料的轻量化。目前车身应用材料，主要以钢板、铝合金及树脂基纤维增强复合材料三大类。

复合材料和其他轻量化材料相比具有更加优异的机械性能、耐化学性能、耐热性、耐磨性，每100kg 的塑料可替代其它材料200~300kg ，是替代金属材料的轻量化材料之一。目前主要应用在汽车内外饰上，如仪表盘、扶手、座椅支架等，相比金属可减重40%。在汽车工业中用量最多的是聚丙烯（PP ）、ABS 树脂、聚氯乙烯（PVC ）和聚乙烯（PE ）。汽车上应用塑料的种类很多，所用零件的类型也较多，详细列于表2[6]。

表2 常用塑料加工的典型零件

纤维增强材料是将纤维材料通过缠绕、模压或拉挤等成型工艺制得纤维增强复合材料。常见的纤维增强复合材料有玻璃纤维增强复合材料（GFRP ）、碳纤维增强复合材料（CFRP ），这种复合材料密度小，设计灵活美观，易成型，耐腐蚀，隔热隔电，

耐冲击，抗振，易于涂装，且强度高、弹性模量高，具有和金属材料相近的机械性能。在质量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，而整体成本更低，各纤维增强复合材料性能比较见表3。

目前在汽车车身上已普遍应用的有用玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)制造的车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、大灯罩、发动机罩、装饰条、尾板等，用传递模塑工艺技术(RTM)制造的车身板件加强筋等。

碳纤维（CF ）是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。碳纤维增强复合材料具有重量轻、高力学性能的优点，特别是弯曲模量（刚度）出色。碳纤维增强聚合物基复合材料具有绝佳的韧性和抗拉强度，且质量只有钢的1/4，为了最大程度降低汽车重量，碳纤维增强材料通常用于制造小批量的航空部件、赛车等特殊产品。以汽车车身和底盘的应用为例，碳纤维复合材料只有钢结构质量的1/3～1/6，能使车身和底盘质量减轻40%～60%[7]。

表3 各纤维增强复合材料性能比较

4新型复合材料在汽车方面轻量化的应用

根据欧洲、北美汽车轻量化发展的路径，除高档品牌轿车用铝质合金外，目前树脂基碳纤维复合材料是具备发展潜质的整车轻量化材料之一，但由于碳纤维成本太高、发展缓慢，尚未实现批量化生产。

为满足汽车车身部件的机械性能及技术要求，可充分发挥超高分子量聚乙烯纤维强度高、密度小、抗冲击韧性强、抗紫外线好等优点，借助碳纤维模量高、耐高温、刚性强和玻璃纤维耐高温、刚性强、