纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用(2)
時(shí)間：2023/2/24 14:57:27 瀏覽量：
續(xù)：纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用（1）
3、碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的應(yīng)用
碳纖維增強(qiáng)塑料( CFRP ) 是以聚丙烯腈纖維、粘膠絲和瀝青絲等為原料，具有非常高的強(qiáng)度（比強(qiáng)度是鋼的6倍）和彈性（比模量是鋼的3倍以上），重量較輕、耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞、耐磨損、耐振動(dòng)、熱力學(xué)性能好，在汽車領(lǐng)域主要用于制作車身、車架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、保險(xiǎn)杠、傳動(dòng)軸、車輪等，一方面可以降低整車的重量，同時(shí)也可以提升車子的綜合性能，是當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)中較多使用的材料。
碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRPC）具有低密度、耐磨損、質(zhì)量輕易加工等特點(diǎn)，逐漸替代金屬材料廣泛應(yīng)用于汽車等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。例如2015年，寶馬推出的新7系采用了創(chuàng)新混合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)塑料大大減輕了車體重量，比上一代減重達(dá)130kg。
圖源：世界汽車
ARRK 集團(tuán)使用熱塑性復(fù)合材料代替之前采用的鋁合金材料制作汽車變速箱外殼，比原來(lái)的外殼重量輕了 30%。2018年秋季，通用汽車公司發(fā)售的“2019GMC 塞拉”內(nèi)部座椅使用了CFRTP。使用汽車塑料翼子板代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料翼子板也是汽車輕量化發(fā)展趨勢(shì)之一，翼子板成形難度大，選用強(qiáng)度好、防腐性能好、抗疲勞性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的碳纖維增強(qiáng)塑料能減重45%以上，達(dá)到較好的節(jié)能減排效果。
汽車后背門使用碳纖維復(fù)合材料可以減重 50%，寶馬i3使用了高強(qiáng)度復(fù)合碳纖維材料制作座艙從而減重50%，通用超輕概念車使用碳纖維材料制作車身和底盤從而減重68%，通用皮卡CarbonPro 使用碳纖維車廂使得車子減重25%, 斯巴魯WRX STItS 采用CFRP 車頂比使用鋼板車頂減重80%。
表面物理氣相沉積（PVD）涂層技術(shù)也廣泛應(yīng)用于汽車高端制造領(lǐng)域，其產(chǎn)品具有耐1400℃高溫、抗氧化、防腐蝕、耐磨損等特點(diǎn)，最薄可以做到單面100納米。
黎盛寓利用環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料對(duì)懸架控制臂進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元軟件對(duì)環(huán)氧樹脂 / 碳纖維材料和鋁合金材料控制臂進(jìn)行了對(duì)比仿真。結(jié)果表明，相比鋁合金材料，環(huán)氧樹脂 / 碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度更大且具有具有更好的動(dòng)態(tài)特性。蔚亞等研究了基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂在新能源汽車底盤后縱臂輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后縱臂質(zhì)量相對(duì)較輕，與金屬件相比減輕約30%。
CFRPC材料相比傳統(tǒng)金屬材料擁有更好的綜合力學(xué)性能，在汽車領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但是CFRPC材料仍有一定的缺陷。還需要不斷的加大研發(fā)力度，降低CFRPC材料的成本，提高材料的綜合力學(xué)性能，推動(dòng)CFRPC材料更廣泛的應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。
4、1921-2022天然纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的應(yīng)用
NFRP 復(fù)合材料中纖維主要以麻纖維、竹纖維、椰殼纖維等植物纖維為主。聚合物基體主要分為熱固性和熱塑性兩種類型。熱塑性塑料很容易重塑。而熱固性塑料不能被回收。在汽車行業(yè)主要使用的聚合物基體一般為 PA（聚酰胺）PP（聚丙烯）。NFRP復(fù)合材料具有密度小、可回收、完全無(wú)毒、易加工、質(zhì)量輕、排放低的特點(diǎn)。
Vardaan 等介紹在過(guò)去幾十年里，NFRP開始被主要汽車制造商應(yīng)用，他們使用麻纖維作為增強(qiáng)材料來(lái)制造門板，儀表盤和車頂，減輕了汽車的重量，并且降低了制造成本。其他制造商也使用了NFRP復(fù)合材料，如大眾、寶馬、奔馳、奧迪和戴姆勒克萊斯勒。
Mission R的車門、前翼和后翼、側(cè)板和后中段，均由NFRP制成
此外，偉世通公司還生產(chǎn)了使用環(huán)保材料的汽車內(nèi)飾產(chǎn)品。所使用的材料為紅麻纖維和大麻纖維的混合物，基體為PP。奔馳E級(jí)和寶馬5系車門版、福特首款全電動(dòng)汽車行李箱底板、保時(shí)捷718車門及尾翼均使用了天然纖維增強(qiáng)塑料。
然而，車用天然纖維復(fù)合塑料目前仍然有許多技術(shù)難以克服，Kim等表示天然纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用存在障礙。采收工藝、產(chǎn)地、品種和加工路線對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很大。其中的問題之一是苔蘚和真菌的攻擊會(huì)導(dǎo)致天然纖維降解，因?yàn)樗鼈儍?chǔ)存了很長(zhǎng)時(shí)間，在加工過(guò)程中也很容易熱/機(jī)械降解。
木質(zhì)纖維素含量的親水性導(dǎo)致對(duì)聚合物作為疏水基質(zhì)的抵抗力較差。這種不匹配導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能減弱。NFRP的另一個(gè)缺點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)不均勻，纖維不連續(xù)導(dǎo)致復(fù)合材料耐久性和性能低下。如何完成高效分散加工，如何突破相界面連接、如何高效收集和綜合利用、如何降低加工成本是目前需要解決的問題。
5、結(jié)語(yǔ)
目前汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用中對(duì)于將不同濃度的納米或者微米材料添加到塑料中的研究較多。如將納米增強(qiáng)材料與鎂結(jié)合有助于提升鎂的機(jī)械性能，從而增加了鎂在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。將不同濃度的納米和微米增強(qiáng)材料添加到PP為原材料的汽車保險(xiǎn)杠，可以有效提升保險(xiǎn)杠的力學(xué)性能。因?yàn)榛祀s纖維可以降低成本、減輕重量，混雜纖維復(fù)合材料的研究也很熱門。
例如，碳玻璃混雜纖維不僅可以降低碳纖維產(chǎn)品的成本，還可以提高玻璃纖維產(chǎn)品的剛度和質(zhì)量。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要存在成本較高、資源回收較難的問題，如何解決上述問題開發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的在汽車領(lǐng)域的多種性能是目前的主要研究方向之一。
文章來(lái)源：玻璃鋼商情
參考資料：《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用》，鄒瑞睿、張 坤，鍛壓裝備與制造技術(shù)2022.10.31
