纤维复合材料在汽车轻量化中的应用(2)
2023-02-24 14:57:27
续：纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用（1）
3、碳纤维增强塑料复合材料的应用
碳纤维增强塑料( CFRP ) 是以聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青丝等为原料，具有非常高的强度（比强度是钢的6倍）和弹性（比模量是钢的3倍以上），重量较轻、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、耐磨损、耐振动、热力学性能好，在汽车领域主要用于制作车身、车架、发动机罩、保险杠、传动轴、车轮等，一方面可以降低整车的重量，同时也可以提升车子的综合性能，是当前汽车轻量化技术中较多使用的材料。
碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRPC）具有低密度、耐磨损、质量轻易加工等特点，逐渐替代金属材料广泛应用于汽车等领域，以实现产品轻量化。例如2015年，宝马推出的新7系采用了创新混合结构，应用碳纤维增强塑料大大减轻了车体重量，比上一代减重达130kg。
汽车后背门使用碳纤维复合材料可以减重 50%，宝马i3使用了高强度复合碳纤维材料制作座舱从而减重50%，通用超轻概念车使用碳纤维材料制作车身和底盘从而减重68%，通用皮卡CarbonPro 使用碳纤维车厢使得车子减重25%, 斯巴鲁WRX STItS 采用CFRP 车顶比使用钢板车顶减重80%。
表面物理气相沉积（PVD）涂层技术也广泛应用于汽车高端制造领域，其产品具有耐1400℃高温、抗氧化、防腐蚀、耐磨损等特点，最薄可以做到单面100纳米。
黎盛寓利用环氧树脂/碳纤维复合材料对悬架控制臂进行了改进设计，通过有限元软件对环氧树脂 / 碳纤维材料和铝合金材料控制臂进行了对比仿真。结果表明，相比铝合金材料，环氧树脂 / 碳纤维复合材料强度更大且具有具有更好的动态特性。蔚亚等研究了基于碳纤维增强环氧树脂在新能源汽车底盘后纵臂轻量化设计。结果表明，碳纤维增强环氧树脂后纵臂质量相对较轻，与金属件相比减轻约30%。
CFRPC材料相比传统金属材料拥有更好的综合力学性能，在汽车领域具有广泛的应用前景，但是CFRPC材料仍有一定的缺陷。还需要不断的加大研发力度，降低CFRPC材料的成本，提高材料的综合力学性能，推动CFRPC材料更广泛的应用在汽车领域。
4、1921-2022天然纤维增强塑料复合材料的应用
NFRP 复合材料中纤维主要以麻纤维、竹纤维、椰壳纤维等植物纤维为主。聚合物基体主要分为热固性和热塑性两种类型。热塑性塑料很容易重塑。而热固性塑料不能被回收。在汽车行业主要使用的聚合物基体一般为 PA（聚酰胺）PP（聚丙烯）。NFRP复合材料具有密度小、可回收、完全无毒、易加工、质量轻、排放低的特点。
Vardaan 等介绍在过去几十年里，NFRP开始被主要汽车制造商应用，他们使用麻纤维作为增强材料来制造门板，仪表盘和车顶，减轻了汽车的重量，并且降低了制造成本。其他制造商也使用了NFRP复合材料，如大众、宝马、奔驰、奥迪和戴姆勒克莱斯勒。
然而，车用天然纤维复合塑料目前仍然有许多技术难以克服，Kim等表示天然纤维在汽车领域的应用存在障碍。采收工艺、产地、品种和加工路线对复合材料的力学性能影响很大。其中的问题之一是苔藓和真菌的攻击会导致天然纤维降解，因为它们储存了很长时间，在加工过程中也很容易热/机械降解。
木质纤维素含量的亲水性导致对聚合物作为疏水基质的抵抗力较差。这种不匹配导致复合材料的力学性能减弱。NFRP的另一个缺点是其结构不均匀，纤维不连续导致复合材料耐久性和性能低下。如何完成高效分散加工，如何突破相界面连接、如何高效收集和综合利用、如何降低加工成本是目前需要解决的问题。
5、结语
目前汽车轻量化技术应用中对于将不同浓度的纳米或者微米材料添加到塑料中的研究较多。如将纳米增强材料与镁结合有助于提升镁的机械性能，从而增加了镁在汽车领域的应用。将不同浓度的纳米和微米增强材料添加到PP为原材料的汽车保险杠，可以有效提升保险杠的力学性能。因为混杂纤维可以降低成本、减轻重量，混杂纤维复合材料的研究也很热门。
例如，碳玻璃混杂纤维不仅可以降低碳纤维产品的成本，还可以提高玻璃纤维产品的刚度和质量。纤维增强复合材料主要存在成本较高、资源回收较难的问题，如何解决上述问题开发纤维增强复合材料的在汽车领域的多种性能是目前的主要研究方向之一。
3、碳纤维增强塑料复合材料的应用
碳纤维增强塑料( CFRP ) 是以聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青丝等为原料，具有非常高的强度（比强度是钢的6倍）和弹性（比模量是钢的3倍以上），重量较轻、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、耐磨损、耐振动、热力学性能好，在汽车领域主要用于制作车身、车架、发动机罩、保险杠、传动轴、车轮等，一方面可以降低整车的重量，同时也可以提升车子的综合性能，是当前汽车轻量化技术中较多使用的材料。
碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRPC）具有低密度、耐磨损、质量轻易加工等特点，逐渐替代金属材料广泛应用于汽车等领域，以实现产品轻量化。例如2015年，宝马推出的新7系采用了创新混合结构，应用碳纤维增强塑料大大减轻了车体重量，比上一代减重达130kg。
图源：世界汽车
ARRK 集团使用热塑性复合材料代替之前采用的铝合金材料制作汽车变速箱外壳，比原来的外壳重量轻了 30%。2018年秋季，通用汽车公司发售的“2019GMC 塞拉”内部座椅使用了CFRTP。使用汽车塑料翼子板代替传统金属材料翼子板也是汽车轻量化发展趋势之一，翼子板成形难度大，选用强度好、防腐性能好、抗疲劳性强、稳定性好的碳纤维增强塑料能减重45%以上，达到较好的节能减排效果。汽车后背门使用碳纤维复合材料可以减重 50%，宝马i3使用了高强度复合碳纤维材料制作座舱从而减重50%，通用超轻概念车使用碳纤维材料制作车身和底盘从而减重68%，通用皮卡CarbonPro 使用碳纤维车厢使得车子减重25%, 斯巴鲁WRX STItS 采用CFRP 车顶比使用钢板车顶减重80%。
表面物理气相沉积（PVD）涂层技术也广泛应用于汽车高端制造领域，其产品具有耐1400℃高温、抗氧化、防腐蚀、耐磨损等特点，最薄可以做到单面100纳米。
黎盛寓利用环氧树脂/碳纤维复合材料对悬架控制臂进行了改进设计，通过有限元软件对环氧树脂 / 碳纤维材料和铝合金材料控制臂进行了对比仿真。结果表明，相比铝合金材料，环氧树脂 / 碳纤维复合材料强度更大且具有具有更好的动态特性。蔚亚等研究了基于碳纤维增强环氧树脂在新能源汽车底盘后纵臂轻量化设计。结果表明，碳纤维增强环氧树脂后纵臂质量相对较轻，与金属件相比减轻约30%。
CFRPC材料相比传统金属材料拥有更好的综合力学性能，在汽车领域具有广泛的应用前景，但是CFRPC材料仍有一定的缺陷。还需要不断的加大研发力度，降低CFRPC材料的成本，提高材料的综合力学性能，推动CFRPC材料更广泛的应用在汽车领域。
4、1921-2022天然纤维增强塑料复合材料的应用
NFRP 复合材料中纤维主要以麻纤维、竹纤维、椰壳纤维等植物纤维为主。聚合物基体主要分为热固性和热塑性两种类型。热塑性塑料很容易重塑。而热固性塑料不能被回收。在汽车行业主要使用的聚合物基体一般为 PA（聚酰胺）PP（聚丙烯）。NFRP复合材料具有密度小、可回收、完全无毒、易加工、质量轻、排放低的特点。
Vardaan 等介绍在过去几十年里，NFRP开始被主要汽车制造商应用，他们使用麻纤维作为增强材料来制造门板，仪表盘和车顶，减轻了汽车的重量，并且降低了制造成本。其他制造商也使用了NFRP复合材料，如大众、宝马、奔驰、奥迪和戴姆勒克莱斯勒。
Mission R的车门、前翼和后翼、侧板和后中段，均由NFRP制成
此外，伟世通公司还生产了使用环保材料的汽车内饰产品。所使用的材料为红麻纤维和大麻纤维的混合物，基体为PP。奔驰E级和宝马5系车门版、福特首款全电动汽车行李箱底板、保时捷718车门及尾翼均使用了天然纤维增强塑料。然而，车用天然纤维复合塑料目前仍然有许多技术难以克服，Kim等表示天然纤维在汽车领域的应用存在障碍。采收工艺、产地、品种和加工路线对复合材料的力学性能影响很大。其中的问题之一是苔藓和真菌的攻击会导致天然纤维降解，因为它们储存了很长时间，在加工过程中也很容易热/机械降解。
木质纤维素含量的亲水性导致对聚合物作为疏水基质的抵抗力较差。这种不匹配导致复合材料的力学性能减弱。NFRP的另一个缺点是其结构不均匀，纤维不连续导致复合材料耐久性和性能低下。如何完成高效分散加工，如何突破相界面连接、如何高效收集和综合利用、如何降低加工成本是目前需要解决的问题。
5、结语
目前汽车轻量化技术应用中对于将不同浓度的纳米或者微米材料添加到塑料中的研究较多。如将纳米增强材料与镁结合有助于提升镁的机械性能，从而增加了镁在汽车领域的应用。将不同浓度的纳米和微米增强材料添加到PP为原材料的汽车保险杠，可以有效提升保险杠的力学性能。因为混杂纤维可以降低成本、减轻重量，混杂纤维复合材料的研究也很热门。
例如，碳玻璃混杂纤维不仅可以降低碳纤维产品的成本，还可以提高玻璃纤维产品的刚度和质量。纤维增强复合材料主要存在成本较高、资源回收较难的问题，如何解决上述问题开发纤维增强复合材料的在汽车领域的多种性能是目前的主要研究方向之一。
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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