汽车中的复合材料

复合材料在汽车中的应用

一、汽车用复合材料简单概述

随着全球能源危机、环境污染等问题的重视，汽车对于重量、噪声、耗油等方面的要求的越来越高。另一方面，高档轿车的附加功能越来越多，又会增加轿车质量。汽车的轻量化会可以降低油耗、节约能源、保护环境、改善汽车性能。图一展示了各类不同汽车的车重和它们的百公里油耗对比情况。从图中可以看出汽车车重平均减少100 kg，汽车的百公里油耗减少0.7 L。值得提醒的是，汽车部件的能耗可以从三个方面考察：原材料能耗、加工能耗和运载能耗，图一所示的只是运载能耗。

汽车轻量化设计最有效的途径就是更

换新材料。在现代的众多材料之中，聚合物

基复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、

成本低、减振和降噪性能良好、耐腐蚀和尺

寸稳定等优良性能，生产耗能只有钢材的

50%-60%，是Al、Mg材料的70%-80%，其

实不仅是聚合物基复合材料具有以上几点

特点，用复合材料替代传统材料，普遍表现

出质量小、耐腐蚀、易修补、噪声小、燃油

消耗低、成型工艺方便、易回收利用，已广

泛应用与制造汽车车身、车门、发动机罩、

油底壳、保险杠、板弹簧和驱动轴等。例如：

美国的Pontiac Fiero轿车采用纤维增强塑料

车身，车重减少了80%。

下面概述一下各种复合材料在汽车上

面的应用。

图一：汽车能耗与重量关系金属基复合材料在汽车上的应用：

目前应用与汽车工业的金属基复合材料主要有Al或Mg基的颗粒或者短纤维增强的材料，特点是：比强度和比刚度高，耐磨性好，导热性好，热膨胀系数低。金属基复合材料适合制造汽车的制动器耐磨件，如制动盘等。现在的汽车制动盘大多采用铸铁制造，但是用铝基复合材料替代铸铁可以减重50%-60%，同时制动距离短，提高导热系数，制动过程中的大量的热量能够散发出去，提高了抗热震性能。在反复连续制动的工况下表面温度基本维持在450℃，而铸铁刹车盘表面温度高达700℃，此外，摩擦系数更为稳定。

金属基复合材料还广泛用于制造轻质连杆和活塞。如：四缸发动机具有良好的燃油经济性能，但是当其排量大于2.0L时，做循环往复运动的连杆和活塞装配件将因平衡不稳定产生有危害性的振动附加力，用复合材料就能提高构件的刚度，解决这一问题。

树脂基复合材料在汽车上面的应用：

树脂基复合材料也称为纤维增强塑料，它以合成树脂伟基体，以纤维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）为增强材料。玻璃钢是目前汽车上应用最多的树脂基复合材料，常见的有：聚苯乙烯玻璃钢、尼龙玻璃钢、聚酯树脂玻璃钢等。

碳纤维增强塑料是汽车轻量化最理想的材料，用它替代钢可减重68%，减低油耗40%，还有非常好的耐疲劳性能和耐久性。但是，它的成本太高，目前不能实现批量生产。专家推测，只有碳纤维的成本降到6.6-11美元/kg之间时，才有可能在汽车工业中推广使用。

芳纶纤维增强的复合材料比强度、比模量很高，广泛用于航空航天、舰船领域，同样因

为价格太高，目前在汽车领域的应用很少。汽车的内部饰件等处，还可以采用天然纤维增强的树脂基复合材料，加拿大的Motive工业公司甚至用大麻复合材料成功制造了一个整车车体，其强度相当于玻璃钢。下图为部分天然纤维的力学性能：

陶瓷基复合材料

主要基体有：玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等。基本的优点是：高温强度好、耐磨性好、耐腐蚀性高、热膨胀系数低、隔热性能好和密度低。用结构陶瓷代替高强度合金制造的各类发动机，可以将热效率提高一倍以上。活塞部分使用陶瓷材料，可以使得燃烧室中实现部分隔热，减小冷却系统容量。“由于陶瓷材料质量较小，配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹簧座改用陶瓷后，允许发动机以提高转速来提高功率，或者在转速不变的情况下降低气门弹簧的弹力从而降低功率损耗。气门座、摇头臂等易磨损部件用陶瓷材料替代后，可以减少磨损，延长使用寿命。此外，气门缸、活塞销以及排气管即可使用陶瓷制造。陶瓷发动机具有质量小、无须润滑和冷却水等优点，整机效率高，可节省30%的热能，而且工作效率比钢制发动机提高了45%以上”。

二、复合材料汽车刹车片

刹车片材料主要经历了三个时期：天然材料时期、合成材料时期、多种材料复合使用阶段。最早使用的汽车制动材料是木材和皮革，显然这种材料无法满足人类对于速度的追求。此时已经开始有人研究制动摩擦材料，到1908年，石棉编制的石棉布开始应用与摩擦材料之中。到20世纪30年代，石棉摩擦材料研制成功，并主导了汽车制动材料50多年时间。

石棉的特点：质轻，便宜，分散性好，摩擦损耗性能好，增强效果好等优点，曾被认为是最佳的摩擦材料用增强纤维。但是石棉有两大缺点：第一，石棉材料的高温摩擦性能不好，主要是因为石棉在400℃将失去结晶水，550℃完全失去结晶水，同时失去弹性和强度。第二，20世纪70年代左右，人们发现，加工和制动的尘埃中细小的石棉纤维进入肺部，会引起石棉肺，还会导致肺癌。世界各国开始禁止石棉摩擦材料的使用，并开始各种替代材料的研究。出现了多种替代材料，包括：半金属摩擦材料、烧结摩擦材料、使用纤维增强或聚合物粘结摩擦材料、混杂纤维摩擦材料、陶瓷型材料。

半金属摩擦材料是以金属纤维（钢纤维、铜纤维）代替石棉纤维，以树脂或其改性物作为粘结剂，加入各种摩擦性能调节剂制备而成。它的一般成分为粘结剂（酚醛系列树脂）占5~15%，铁、铜及其合金的纤维和粉末占40~70%，石墨等减磨剂占10~20%，其余为橡胶粉、腰果油等增磨剂及一些调整性能的填料。

半金属摩擦材料是一种性能优良的摩擦材料，它具有以下性能特点

（1）摩擦系数在400℃以下非常稳定，热衰退率小，热稳定性好。

（2）耐磨性好，使用寿命比石棉摩擦材料提高了3~5倍。

（3）摩擦接触面上比压升高时，摩擦系数变化小，较高负荷下有良好的摩擦性能。

（4）优良的能量吸收性能可使制动器和离合器尺寸缩小。

（5）制动噪音小。

（6）导热性能好，能改善摩擦面的温度环境。

（7）对环境污染小。

半金属材料的这些特点使它成为一类具有广泛发展前景的摩擦材料，但是也存在一些缺陷，主要表现为：

（1）钢纤维容易生锈，锈蚀后或者粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦材料强度降低、磨损加剧，同时钢纤维的含量越高，越易于刮伤对偶，加速对偶磨损。对此，国外有些专利介绍加入锌或锌的化合物、CFaZ或用某些树脂涂覆钢纤维等可以起到防锈的效果。

（2）由于热传导率高，当摩擦温度高于300℃时，使摩擦界面间的树脂粘结剂易于发生分解，加上大的温度梯度引起热应力甚至出现剥离现象，同时高的摩擦热传到制动器液压机构，引起密封圈软化和制动液发生气阻而造成制动失灵；

（3）易产生低频噪声

陶瓷型刹车片材料：

陶瓷摩擦材料在汽车领域的应用仍处于起步阶段，仅限于一级方程式赛车和高级跑车上面，但是其发展潜力不可估量。陶瓷制动材料具有质量小、耐磨损、耐高温、抗热衰退能力强等优点，被誉为“一种具有革命性意义的制动系统”。

陶瓷基制动材料的摩擦系数比铸铁高25%左右，在紧急制动时无需额外制动辅助技术，单靠制动器便能迅速提供充足的制动力。陶瓷制动器采用六活塞的制动卡钳，在活塞与制动片之间，装有陶瓷隔热体，用以防止制动时产生的高热传入液压组件和制动液，这套刹车系统可以在800℃高温下正常工作。

在制动测试中，连续25次从272 km/h减速至loo km/h，在第11次测试时，摩擦力依然维持在峰值的90%左右，这样的抗衰退能力是普通制动材料无法比拟的。这种制动材料是将炭纤维增强树脂基复合材料经炭化制得C—C多孔体，再根据C—Si之间良好的润湿性，在1420℃进行熔融渗硅，最终制备出C/C—SiC复合材料。

刹车片用聚合物基复合摩擦材料：

（1）基体树脂

主要使用酚醛树脂，主要是考虑其良好的抗压强度、耐溶剂性、不易燃，缺陷也有，包括：硬度高、脆性、耐热性不足等等，因此改性酚醛树脂称为重要的手段。改性的手段一般有两种：封锁酚羟基和引入其他组分。

有机物改性：

聚乙烯醇缩醛改性、二甲苯改性、环氧树脂改性、腰果壳油改性、芳烷基醚改性、有机硅改性、桐油改性、亚麻油改性、苯并噁嗪改性、橡胶改性。

无机物改性：

Mo改性：利用Mo的氧化物、氯化物、酸同苯酚、甲醛反应制备钼改性酚醛树脂，主要是用O-Mo-O连接了不同的酚基团，由于键能比C—C键大很多，因此提高酚醛树脂的热分解温度。例如：在反应釜中加入一定比例的苯酚、甲醛、钼改性剂，酸性条件下加热搅拌2~4h，0.08MPa真空下脱水值得的酚醛树脂热分解温度可达534.8℃。