复合材料在汽车领域的应用（上)

       汽车工业是现代工业中首先形成全球产业的典型代表，随着国家对环境的重视程度提高，汽车行业被视为重要能源消耗及环境污染的源头之一，政策对汽车行业的节能减排要求也越来越严格，节能减排是近年来汽车行业产品优化的主要方向。复合材料因为轻质高强等一系列优异性能，已成为汽车轻量化发展的主要选材。随着材料技术的发展、制造技术的更新迭代，复合材料在汽车领域的应用也越来越广泛。

       美国能源部等部门和机构的数据显示，汽车整体重量每下降10%，油耗可降低6%-8%，排放可降低5%-6%，可见汽车轻量化是减少油耗、保护环境的有效途径。

       各种材料的主要应用部件如下：

       碳纤维复合材料（CFRP）

       复合材料在汽车上运用最多的地方就是车身，诸如引擎盖、车架、车顶框架及加强筋、A/B/C/D立柱及车门、扰流板、顶板、翼子板等。

       材料特性：CFRP的密度约为1.6g/cm³，不足钢材密度的1/4，同时拥有优异的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性，是最有发展前景的汽车轻量化材料。

       应用比例：

       应用简介：

       车身：美国通用汽车公司1992年展出了由碳纤维复合材料制造车身的超轻概念车，车身质量为191kg，整车质量降低68%，节油40%。兰博基尼汽车2011年推出了Murciélago替代车型，该车采用了全碳纤维复合材料单壳体车身，质量仅有145.5kg。

       目前，碳纤维复合材料制成的车身结构件已在德国宝马公司开发的Z-9和Z-22系列中大量采用。德国大众汽车公司的“2L车”CC1研究项目，碳纤维复合材料用于车身的比例高达45%。通用汽车公司采用碳纤维复合材料制成的ChevroletCorvetteZ06纪念版轿车的发动机罩盖，质量仅9.3kg。福特和保时捷的发动机罩也全部采用了碳纤维复合材料，在安全性不降低的前提下获得了极高的轻量化效果。

图 宝马i3碳纤维车身

       日本三菱人造丝公司的碳纤维快速固化预浸料用于生产斯巴鲁翼豹（impreza)汽车的引擎盖，使用后比原来钢制引擎盖轻63%，减质量9.2kg。

       国内快速固化复合材料已经在电动大巴车主承力结构上得到验证和应用，并与国内多家碳纤维厂商及汽车厂商合作联手推动碳纤维复合材料在汽车零部件领域的应用。

       传动系统：复合式混合传动轴一般有两种结构：一种是外层是金属轴，内层是复合材料；另一种是内层是金属轴，外层是复合材料。

       汽车新型复合材料传动轴主要由内层复合材料，外层金属材料组成。其中，铝镁合金、铝合金等轻金属材料主要用作外层材料，碳纤维主要用作内复合材料。复合材料通过层层粘结的方法固定在金属轴的内表面，以保护复合材料不受油水杂质、外部冲击等损伤。

       内层的碳纤维铺层可以提高复合材料混合轴的固有频率或提高传动轴的强度和刚度。为了解决热残余应力，常采用在合金和碳纤维层之间增加玻璃纤维过渡层。                                                                    

        悬架结构：悬架结构采用碳纤维复合材料，不仅可以降低汽车能耗，提高动力性，还可提升汽车的操纵性和舒适性等整车动力学性能。

       板簧：它是汽车悬架系统中的重要组成部分，复合材料板簧主要是指高强度、大储能、耐腐蚀的复合材料所制作的汽车钢板弹簧，由于该种材料同时具有衰减振动、弹性弯曲的性能，所以在汽车板簧设计中有着明显的利用优势。

       复合材料板簧的制造工艺，包括缠绕模型成型、高压树脂传递模型成型、SMC拉挤成型等，其中SMC拉挤成型工艺是以牵引力为作用力，使用模型模具固化浸润后的纤维带、纤维布，从而连续生产断面形状不同的复合材料板簧。缠绕模型成型工艺则是在纤维材料预浸后，将其缠绕到模具上，随后通过合模、固化等方式，产生复合材料板簧，而在汽车轻量化发展中，需要大规模生产复合材料板簧时，相关人员则可通过高压树脂传递模型成型工艺，批量化自动生产复合材料板簧，满足汽车轻量化发展基本要求。

       相较于传统钢板弹簧，复合材料板簧的弹性较高，能够提高汽车舒适性，在使用中耐疲劳性能较强，疲劳寿命为普通板簧的8~10倍。同时复合材料板簧吸振能力强，振动阻尼高，可在汽车行驶中通过自身阻尼减震性，保证整车平顺性。再者，复合材板簧中包含较多独立纤维，可形成静不定体系，在板簧结构中部分纤维断裂后，汽车产生的荷载可自行移动至其他纤维中，避免悬架结构承载能力受损。                                           

参考文献：

1. 杨桂英,赵睿,肖冰,杨秀霞,王殿铭,碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用,当代石油石化,2020(10)：24-28.

2. Harmeet Singh, Gurinder Singh Brar, Harish Kumar, Vikrant Aggarwal, A review on metal matrix composite for automobile applications,Materials Today: Proceedings,2021(43):320-325.

3. 赵艳荣,胡平,梁继才,张文杰,碳纤维复合材料在汽车工业中的应用,合成树脂及塑料,2015(5):95.

4.李嘉,崔姝艺,桂佳俊,石峰晖,张宝艳,快速固化碳纤维复合材料及其在汽车领域的应用,高科技纤维与应用,2017(2)：10-16.

5.高蕊,复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用,汽车零部件,中国重汽汽车集团有限公司.