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復(fù)合材料在汽車上的運用研究論文
由于大部分復(fù)合材料都是與目標產(chǎn)品同時形成的,所以很少有固定的復(fù)合材料型號等信息,采用相同原材料而不同種工藝或同種工藝不同參數(shù)所制造的復(fù)合材料性能也會有所不同,如果拋開成本因素,復(fù)合材料所涉及的專一方面性能指標比金屬還要寬泛。
1.行業(yè)特點
復(fù)合材料行業(yè)特點:原材料品種多,工藝方法繁多,成本跨度極大。按每公斤價格而言,復(fù)合材料可以由幾元到幾千元以上不等,一般同等重量成本均高于鋼鐵。很多材料配方和工藝方法原理簡單,容易上手,但由于工藝自由度較多,真正的工藝參數(shù)系統(tǒng)性控制難度大,產(chǎn)品離散性較大,產(chǎn)品缺陷的可探測性差,所以用簡易辦法較難區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。
2.發(fā)展現(xiàn)狀
行業(yè)門檻低,個體戶亦可從事經(jīng)營生產(chǎn)活動;復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,既可做花盆,也是航空航天等高科技領(lǐng)域不可缺少的材料。國內(nèi)缺乏高技術(shù)含量自主研發(fā)產(chǎn)品,配套設(shè)備設(shè)施也不健全,限制了復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展。復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、強度高的特點,在汽車工業(yè)方面具有典型的應(yīng)用,并占有突出的三大優(yōu)勢:一是自身減重;二是集成化功能,使系統(tǒng)減重;三是使系統(tǒng)的制造、安裝和維修簡化。而且,大部分復(fù)合材料部件具有減振降噪的效果。從復(fù)合材料的內(nèi)在特點而言,所有纖維增強復(fù)合材料,特別是連續(xù)纖維增強的復(fù)合材料部件,對微裂紋及輕微外傷的敏感性都非常弱。采用這種復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件,安全性更高,可有效降低二次傷害的可能性和程度。
復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用
自開始制造汽車以來,復(fù)合材料便以各種形式應(yīng)用于汽車中,樹脂基復(fù)合材料正式應(yīng)用于汽車中始于1953年。世界上第一輛全復(fù)合材料車身的Corvette車由手糊工藝生產(chǎn)(見圖1)。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用分為幾大類:覆蓋件(內(nèi)外飾)、結(jié)構(gòu)件(以其力學(xué)性能為主要應(yīng)用)、功能件(以其某些方面特殊性能為主要應(yīng)用)。當然,更多情況下都是多種性能同時應(yīng)用的,只是在不同的場合中個別性能稍有突出而已。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用是從覆蓋件開始的,也是用量最大的一個類別,主要采用SMC(片狀模塑料)、RTM和手糊等工藝制造。復(fù)合材料用于覆蓋件的優(yōu)點是耐沖擊性、耐候性、耐腐蝕、阻燃、行人保護以及豐富的造型設(shè)計等。
對覆蓋件的要求主要集中在外觀和尺寸以及成本上,而對材料本身等性能要求不高,導(dǎo)致這個領(lǐng)域競爭極其激烈,結(jié)果是成本下降的同時,質(zhì)量也受到影響,在某種程度上這也是復(fù)合材料名聲不好的原因之一。結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用在國內(nèi)發(fā)展較緩慢,主要是由于這類部件的技術(shù)要求相對較高,不易掌握,企業(yè)缺乏相關(guān)設(shè)計以及驗收標準和測試驗證能力,在沒有足夠證據(jù)證明新材料、新部件符合要求的情況下,主機廠只能延用原來的材料。初期開發(fā)需要一定的投入,在國內(nèi),開發(fā)投入基本都由供應(yīng)商承擔(dān),開發(fā)成功后,其成果又很容易被竊取,這也是阻礙汽車用復(fù)合材料發(fā)展的因素之一。
功能件的應(yīng)用狀況與結(jié)構(gòu)部件有相似之處,目前應(yīng)用雖然很多,但多數(shù)是合資車型,延用國外原有設(shè)計。國內(nèi)缺乏自主設(shè)計能力以及相關(guān)的驗證能力,也缺乏相關(guān)標準。設(shè)計原型在國產(chǎn)化過程中,迫于技術(shù)水平所限或成本壓力,其材料體系、工藝技術(shù)有時也會發(fā)生變化,引起部件質(zhì)量下降,最后很可能被歸結(jié)為材料本身的原因。中國的汽車用塑料平均每輛車在100kg以下,占塑料總產(chǎn)量的10%以下,而美國占15%,德國占18%,并且逐年增長。汽車塑化是目前比較熱門的話題,但我們知道,汽車也不可能被完全塑化,最終會達到一個理想的平衡狀態(tài)。
1.轎車上的應(yīng)用
復(fù)合材料在轎車上的應(yīng)用以SMC產(chǎn)品為主要代表,主要應(yīng)用于車頂板、車頂外延板、側(cè)裙板、翼子板、機艙蓋板、保險杠、儀表板和內(nèi)飾板等。應(yīng)用實例如圖2~圖6所示。其中圖2富康行李箱蓋為粘接結(jié)構(gòu),RTM工藝成形。圖3奇瑞A5行李箱蓋為粘接結(jié)構(gòu),其外板采用SMC工藝,內(nèi)板采用RTM工藝。圖4和圖5所示的零部件均采用SMC工藝成形。圖6中的寶來喜登2002年5月在東風(fēng)出產(chǎn),采用RTM工藝全塑車身,為國內(nèi)全復(fù)合材料車身產(chǎn)品,整車使用復(fù)合材料136.5kg,外觀藍色部件全部為復(fù)合材料制造。碳纖維具有絕佳的韌性和抗拉強度,且重量只有鋼的1/4。輕量、高強的特性正是高性能汽車所需的。轎車前端模塊,采用LFT–D在線混煉壓制或LFT–D在線注塑工藝,可節(jié)省材料成本25%,如圖7所示。備胎艙采用LFT或GMT材料,具有良好的抗沖擊性和防腐性,單件減重可達45%(約4kg左右),設(shè)計自由度高、可制作出較復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)。2009年,寶馬集團與西格里集團合資,建立了西格里汽車碳纖維公司,首款產(chǎn)品4門寶馬i3的碳纖維復(fù)合材料車廂采用RTM工藝成形(見圖8)。蘭博基尼的Aventador超級跑車車廂也由碳纖維復(fù)合材料制成。
2.客車上的應(yīng)用
復(fù)合材料在客車上的應(yīng)用主要包括前后圍、保險杠、頂圍、行李箱門板和整個車身等(見圖9和圖10)。
3.載貨汽車上的應(yīng)用
復(fù)合材料在載貨汽車上的應(yīng)用,主要包括高頂、面罩、保險杠、傳動軸、腳踏板、板簧、側(cè)裙板、翼子板、導(dǎo)風(fēng)罩、導(dǎo)流板和導(dǎo)流罩等。國內(nèi)自主研發(fā)8.6m自卸車車廂通過采用復(fù)合材料(見圖11),車的質(zhì)量從原來的6.8t減至4.5t,承載50t以上,每年可為用戶增創(chuàng)7萬元左右的利潤。
復(fù)合材料的新應(yīng)用
除以上所述,復(fù)合材料在其他汽車零部件上的應(yīng)用也很多。例如,發(fā)動機的氣門室罩、齒輪室罩和油底殼等,都可以用復(fù)合材料制造(見圖12)。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用日益廣泛,隨著技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合材料正在向新的種類發(fā)展(見圖13)。
復(fù)合材料的回收
對于樹脂基復(fù)合材料而言,定義為可回收材料是毫無疑問的,無論是熱固性還是熱塑性復(fù)合材料,回收技術(shù)上并不存在問題,只是回收方式不同。所有復(fù)合材料的回收難度普遍要比單一材料大,回收的利潤率更小。熱固性材料更適用于化學(xué)回收,比如裂解或燃燒;熱塑性材料更適用于物理方法回收。由于物理方法更容易被掌握,所以公眾普遍認為熱塑性材料可回收性更好。目前,復(fù)合材料的回收產(chǎn)業(yè)鏈的形成還需時日,這也依賴于全行業(yè)的共同努力以及國家相關(guān)政策的引導(dǎo)。
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