纤维增强材料在汽车轻量化中的应用(1)
2023-02-24 14:43:23
我国的汽车产量和销量一直呈逐年增长趋势，与此同时带来的环境污染和能源供给困难等问题也越来越严重。随着社会的发展，汽车领域对材料的应用更倾向于轻量化，单一的塑料材料已经难以满足市场需求，复合材料的研究与使用成为汽车材料使用的发展方向。
纤维增强塑料复合材料是纤维和塑料复合而来的材料，其中纤维主要为玻璃纤维、碳纤维和天然纤维等作为增强材料。塑料分为热固性聚合物和热塑性聚合物两种类型。热塑性塑料具有易于回收、高抗冲击性和化学惰性的特性。热塑性塑料很容易重塑，因为加热到一定温度时，它们很容易熔化或软化，在冷却时，它们又很容易硬化。
纤维增强塑料复合材料具有良好的耐腐蚀性、舒适性、柔韧性、耐摩擦性、抗撞击性、易加工等特点，广泛应用于汽车的轻量化技术中，既能减轻汽车自身的重量，又能保证汽车行驶的安全，同时还能降低汽车生产成本。塑料在汽车上的使用量和使用率日益增加，通过汽车塑料的应用促进汽车轻量化发展是汽车工业今后发展的方向之一。
1、在汽车轻量化中的应用意义
（1）有效减轻汽车重量。金属材料中的A3钢、黄铜的比重都大于7，铝的比重轻一些，但是也有2.7。大部分的塑料的比重是0.9到1.5之间，纤维增强复合材料比重也不到2。越来越多的企业在汽车轻量化技术中采用塑料代替金属材料，减轻汽车总的重量，增加有效载荷。
（2）汽车节能减排的有效路径。汽车塑料制品应用于汽车装饰等，可以让设计更灵活、汽车造型更美观。塑料制品有耐腐蚀性、耐磨、隔热、消声、减振等多种作用，可以提高动力，适应恶劣环境，增加用车安全性。此外塑料制品使用减轻车重后能降低燃油消耗，减少尾气排放，同时轻量化也能提升新能源汽车续航时间。
（3）可降低汽车生产成本。使用塑料制品代替金属等材料作为材料，既可以降低材料的成本，也能节省材料加工、维修等费用，从而使汽车生产成本得以降低。如一个简单的注模塑料部件可以将很多的金属部件焊接在一起，此外塑料可以模铸成比其他材料更复杂更多样的形状，从而达到减少使用零部件的目的。
2、应用及研究进展
玻璃纤维具有耐高温、强度高，吸收冲击能量大，吸水性小，加工性好，价格便宜，与树脂结合性良好等优异性能。常用的FRP是玻璃纤维和聚丙烯的复合材料，集合了玻璃纤维和聚丙烯的优点，在汽车轻量化技术中有着很好的应用前景。
朱俊指出FRP具有耐腐蚀性、耐瞬时高温性、传热较慢、防水、容易着色、易成形、可设计性强、品种多样等特点，主要应用于汽车领域车身壳体、天窗、前后保险杠、前端支架、座椅骨架、挡泥板、车顶盖、以及车内饰件等。王玲等指出长维热塑性塑料复合材料应用于汽车领域对于降低汽车重量、提高燃油效能、减少废弃排放有着重要效果。
2019年，中南民族大学开发了脂肪族超支化聚酯制备车用通用塑料 - 玻纤复合材料关键技术,制备了低气味、低挥发的高性能车用复合材料，产品广泛应用于福特的福克斯和蒙迪欧、神龙的308、408 和 508以及大众的朗逸、速腾等车型。
玻璃纤维增强热塑性复合材料（GMT）的基体材料通常为聚丙烯，在汽车工业领域里应用广泛减重效果十分明显，主要用于保险杠、脚踏板、发动机罩、地板、护板、备用轮胎架等，能比使用原材质减重20%以上，材料成本降低20%以上，是汽车轻量化和低成本的很好应用。
李晓雄等使用LFT试验线及成型装备，制备了20%、30%和40%玻璃纤维质量分数的LFT-PP粒料，并将40%玻璃纤维质量分数的粒料成功应用于汽车翼子板。
北欧化工制备的Fibremod PP玻璃纤维具有更轻的质量、额外的强度，以及更大的冲击性能。应用范围从前、后挡板模块到仪表板和中控台载体。中国巨石拥有针对不同工艺增强车用热塑性材料的各种玻纤产品。
法国法雷奥汽车零部件供应商也开发了新的汽车转向柱模块，该模块的外壳和拉杆，分别采用巴斯夫的 Ultramid b3egg10Si 表面改性树脂，Ultradur B4520 及 Ultradur B 4300G4, 其中 Ultramid b3egg10Si 为质量分数50%玻璃纤维填充尼龙6，Ultradur B4520 及 UltradurB 4300G4，其中 Ultramid b3egg10Si 为质量分数50%玻璃纤维填充尼龙6。
播磨一成等研究了不同长度粒料对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的影响，结果发现复合材料的冲击强度随着玻璃纤维原始长度的增加而增加，这是由于随着纤维长度的增加，在冲击过程中纤维发生剪切、断裂的概率增加，这将吸收更多的冲击能，从而增强复合材料抵抗冲击的能力。
高鹏堂等进行了聚丙烯 / 玻璃纤维散热器作为汽车支撑骨架的可靠性分析，结果表明：用聚丙烯 / 玻璃纤维材料制造的散热器支撑骨架不仅满足结构要求，具有可靠性，而且相比于传统材料（如铜、铝合金等）制造的散热器支撑骨架可以节约原料，提高产品性能，减小成型收缩率，提高热变形温度，以及实现汽车轻量化。
李劲松等优化了玻璃纤维增强聚丙烯作为水箱支架的结构，结果表明，优化后的PP/GF水箱支架质量降低了2.8kg，最大应力降低了0.7MPa，疲劳寿命相比优化前延长了7.3%。
如今，FRP材料在汽车领域的应用越来越广泛，但我国FRP材料在应用方面与发达国家相差甚远，尤其是技术水平、研发水平都不及发达国家，所以，我们应该加大FRP材料在汽车领域的研发力度，促进基础研究和应用技术的结合，扩展我国FRP材料在汽车领域的应用。
续：纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用（2）
纤维增强塑料复合材料是纤维和塑料复合而来的材料，其中纤维主要为玻璃纤维、碳纤维和天然纤维等作为增强材料。塑料分为热固性聚合物和热塑性聚合物两种类型。热塑性塑料具有易于回收、高抗冲击性和化学惰性的特性。热塑性塑料很容易重塑，因为加热到一定温度时，它们很容易熔化或软化，在冷却时，它们又很容易硬化。
纤维增强复合材料
而热固性塑料不能被回收。聚酯、酚醛和环氧是属于热固性聚合物。PP（聚丙烯），PVC（聚氯乙烯），PE（聚苯乙烯）和 PS（聚苯乙烯）属于热塑性。热塑性聚合物进一步分为传统塑料，如PE和 PP，以及工程塑料，如PA（聚酰胺），PC（聚碳酸酯）和ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）。汽车行业最常用的材料是PA，PP。纤维增强塑料复合材料具有良好的耐腐蚀性、舒适性、柔韧性、耐摩擦性、抗撞击性、易加工等特点，广泛应用于汽车的轻量化技术中，既能减轻汽车自身的重量，又能保证汽车行驶的安全，同时还能降低汽车生产成本。塑料在汽车上的使用量和使用率日益增加，通过汽车塑料的应用促进汽车轻量化发展是汽车工业今后发展的方向之一。
（1）有效减轻汽车重量。金属材料中的A3钢、黄铜的比重都大于7，铝的比重轻一些，但是也有2.7。大部分的塑料的比重是0.9到1.5之间，纤维增强复合材料比重也不到2。越来越多的企业在汽车轻量化技术中采用塑料代替金属材料，减轻汽车总的重量，增加有效载荷。
（2）汽车节能减排的有效路径。汽车塑料制品应用于汽车装饰等，可以让设计更灵活、汽车造型更美观。塑料制品有耐腐蚀性、耐磨、隔热、消声、减振等多种作用，可以提高动力，适应恶劣环境，增加用车安全性。此外塑料制品使用减轻车重后能降低燃油消耗，减少尾气排放，同时轻量化也能提升新能源汽车续航时间。
（3）可降低汽车生产成本。使用塑料制品代替金属等材料作为材料，既可以降低材料的成本，也能节省材料加工、维修等费用，从而使汽车生产成本得以降低。如一个简单的注模塑料部件可以将很多的金属部件焊接在一起，此外塑料可以模铸成比其他材料更复杂更多样的形状，从而达到减少使用零部件的目的。
2、应用及研究进展
玻璃纤维具有耐高温、强度高，吸收冲击能量大，吸水性小，加工性好，价格便宜，与树脂结合性良好等优异性能。常用的FRP是玻璃纤维和聚丙烯的复合材料，集合了玻璃纤维和聚丙烯的优点，在汽车轻量化技术中有着很好的应用前景。
朱俊指出FRP具有耐腐蚀性、耐瞬时高温性、传热较慢、防水、容易着色、易成形、可设计性强、品种多样等特点，主要应用于汽车领域车身壳体、天窗、前后保险杠、前端支架、座椅骨架、挡泥板、车顶盖、以及车内饰件等。王玲等指出长维热塑性塑料复合材料应用于汽车领域对于降低汽车重量、提高燃油效能、减少废弃排放有着重要效果。
2019年，中南民族大学开发了脂肪族超支化聚酯制备车用通用塑料 - 玻纤复合材料关键技术,制备了低气味、低挥发的高性能车用复合材料，产品广泛应用于福特的福克斯和蒙迪欧、神龙的308、408 和 508以及大众的朗逸、速腾等车型。
玻璃纤维增强热塑性复合材料（GMT）的基体材料通常为聚丙烯，在汽车工业领域里应用广泛减重效果十分明显，主要用于保险杠、脚踏板、发动机罩、地板、护板、备用轮胎架等，能比使用原材质减重20%以上，材料成本降低20%以上，是汽车轻量化和低成本的很好应用。
北欧化工制备的Fibremod PP玻璃纤维具有更轻的质量、额外的强度，以及更大的冲击性能。应用范围从前、后挡板模块到仪表板和中控台载体。中国巨石拥有针对不同工艺增强车用热塑性材料的各种玻纤产品。
图源：中国巨石
568H适用于短玻纤增强工艺，经其改性的PA制件不仅具有优良的干态力学性能，同时具有优异的耐水解 / 醇解性能，可用于增强发动机周边的PA部件，比如冷却系统以及散热器水室等。362J是长玻纤增强的代表产品，其优良的加工性能、力学性能、疲劳性能以及气味等决定其在汽车领域应用十分广泛。362C适用于连续玻纤增强工艺，其显著特点是具有优异的浸渍性和力学性能。法国法雷奥汽车零部件供应商也开发了新的汽车转向柱模块，该模块的外壳和拉杆，分别采用巴斯夫的 Ultramid b3egg10Si 表面改性树脂，Ultradur B4520 及 Ultradur B 4300G4, 其中 Ultramid b3egg10Si 为质量分数50%玻璃纤维填充尼龙6，Ultradur B4520 及 UltradurB 4300G4，其中 Ultramid b3egg10Si 为质量分数50%玻璃纤维填充尼龙6。
播磨一成等研究了不同长度粒料对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的影响，结果发现复合材料的冲击强度随着玻璃纤维原始长度的增加而增加，这是由于随着纤维长度的增加，在冲击过程中纤维发生剪切、断裂的概率增加，这将吸收更多的冲击能，从而增强复合材料抵抗冲击的能力。
高鹏堂等进行了聚丙烯 / 玻璃纤维散热器作为汽车支撑骨架的可靠性分析，结果表明：用聚丙烯 / 玻璃纤维材料制造的散热器支撑骨架不仅满足结构要求，具有可靠性，而且相比于传统材料（如铜、铝合金等）制造的散热器支撑骨架可以节约原料，提高产品性能，减小成型收缩率，提高热变形温度，以及实现汽车轻量化。
李劲松等优化了玻璃纤维增强聚丙烯作为水箱支架的结构，结果表明，优化后的PP/GF水箱支架质量降低了2.8kg，最大应力降低了0.7MPa，疲劳寿命相比优化前延长了7.3%。
如今，FRP材料在汽车领域的应用越来越广泛，但我国FRP材料在应用方面与发达国家相差甚远，尤其是技术水平、研发水平都不及发达国家，所以，我们应该加大FRP材料在汽车领域的研发力度，促进基础研究和应用技术的结合，扩展我国FRP材料在汽车领域的应用。
续：纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用（2）
文章来源：玻璃钢商情
参考资料：《纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用》，邹瑞睿、张 坤，锻压装备与制造技术2022.10.31
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