纖維增強材料在汽車輕量化中的應(yīng)用(1)
時間：2023-02-24 14:43:23 瀏覽量：
我國的汽車產(chǎn)量和銷量一直呈逐年增長趨勢，與此同時帶來的環(huán)境污染和能源供給困難等問題也越來越嚴重。隨著社會的發(fā)展，汽車領(lǐng)域?qū)Σ牧系膽?yīng)用更傾向于輕量化，單一的塑料材料已經(jīng)難以滿足市場需求，復(fù)合材料的研究與使用成為汽車材料使用的發(fā)展方向。
纖維增強塑料復(fù)合材料是纖維和塑料復(fù)合而來的材料，其中纖維主要為玻璃纖維、碳纖維和天然纖維等作為增強材料。塑料分為熱固性聚合物和熱塑性聚合物兩種類型。熱塑性塑料具有易于回收、高抗沖擊性和化學(xué)惰性的特性。熱塑性塑料很容易重塑，因為加熱到一定溫度時，它們很容易熔化或軟化，在冷卻時，它們又很容易硬化。
纖維增強復(fù)合材料
而熱固性塑料不能被回收。聚酯、酚醛和環(huán)氧是屬于熱固性聚合物。PP（聚丙烯），PVC（聚氯乙烯），PE（聚苯乙烯）和 PS（聚苯乙烯）屬于熱塑性。熱塑性聚合物進一步分為傳統(tǒng)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）。汽車行業(yè)最常用的材料是PA，PP。
纖維增強塑料復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性、舒適性、柔韌性、耐摩擦性、抗撞擊性、易加工等特點，廣泛應(yīng)用于汽車的輕量化技術(shù)中，既能減輕汽車自身的重量，又能保證汽車行駛的安全，同時還能降低汽車生產(chǎn)成本。塑料在汽車上的使用量和使用率日益增加，通過汽車塑料的應(yīng)用促進汽車輕量化發(fā)展是汽車工業(yè)今后發(fā)展的方向之一。
（1）有效減輕汽車重量。金屬材料中的A3鋼、黃銅的比重都大于7，鋁的比重輕一些，但是也有2.7。大部分的塑料的比重是0.9到1.5之間，纖維增強復(fù)合材料比重也不到2。越來越多的企業(yè)在汽車輕量化技術(shù)中采用塑料代替金屬材料，減輕汽車總的重量，增加有效載荷。
（2）汽車節(jié)能減排的有效路徑。汽車塑料制品應(yīng)用于汽車裝飾等，可以讓設(shè)計更靈活、汽車造型更美觀。塑料制品有耐腐蝕性、耐磨、隔熱、消聲、減振等多種作用，可以提高動力，適應(yīng)惡劣環(huán)境，增加用車安全性。此外塑料制品使用減輕車重后能降低燃油消耗，減少尾氣排放，同時輕量化也能提升新能源汽車續(xù)航時間。
（3）可降低汽車生產(chǎn)成本。使用塑料制品代替金屬等材料作為材料，既可以降低材料的成本，也能節(jié)省材料加工、維修等費用，從而使汽車生產(chǎn)成本得以降低。如一個簡單的注模塑料部件可以將很多的金屬部件焊接在一起，此外塑料可以模鑄成比其他材料更復(fù)雜更多樣的形狀，從而達到減少使用零部件的目的。
2、應(yīng)用及研究進展
玻璃纖維具有耐高溫、強度高，吸收沖擊能量大，吸水性小，加工性好，價格便宜，與樹脂結(jié)合性良好等優(yōu)異性能。常用的FRP是玻璃纖維和聚丙烯的復(fù)合材料，集合了玻璃纖維和聚丙烯的優(yōu)點，在汽車輕量化技術(shù)中有著很好的應(yīng)用前景。
朱俊指出FRP具有耐腐蝕性、耐瞬時高溫性、傳熱較慢、防水、容易著色、易成形、可設(shè)計性強、品種多樣等特點，主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域車身殼體、天窗、前后保險杠、前端支架、座椅骨架、擋泥板、車頂蓋、以及車內(nèi)飾件等。王玲等指出長維熱塑性塑料復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域?qū)τ诮档推囍亓俊⑻岣呷加托?、減少廢棄排放有著重要效果。
2019年，中南民族大學(xué)開發(fā)了脂肪族超支化聚酯制備車用通用塑料 - 玻纖復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù),制備了低氣味、低揮發(fā)的高性能車用復(fù)合材料，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于福特的?？怂购兔傻蠚W、神龍的308、408 和 508以及大眾的朗逸、速騰等車型。
玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料（GMT）的基體材料通常為聚丙烯，在汽車工業(yè)領(lǐng)域里應(yīng)用廣泛減重效果十分明顯，主要用于保險杠、腳踏板、發(fā)動機罩、地板、護板、備用輪胎架等，能比使用原材質(zhì)減重20%以上，材料成本降低20%以上，是汽車輕量化和低成本的很好應(yīng)用。
北歐化工制備的Fibremod PP玻璃纖維具有更輕的質(zhì)量、額外的強度，以及更大的沖擊性能。應(yīng)用范圍從前、后擋板模塊到儀表板和中控臺載體。中國巨石擁有針對不同工藝增強車用熱塑性材料的各種玻纖產(chǎn)品。
圖源：中國巨石
568H適用于短玻纖增強工藝，經(jīng)其改性的PA制件不僅具有優(yōu)良的干態(tài)力學(xué)性能，同時具有優(yōu)異的耐水解 / 醇解性能，可用于增強發(fā)動機周邊的PA部件，比如冷卻系統(tǒng)以及散熱器水室等。362J是長玻纖增強的代表產(chǎn)品，其優(yōu)良的加工性能、力學(xué)性能、疲勞性能以及氣味等決定其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。362C適用于連續(xù)玻纖增強工藝，其顯著特點是具有優(yōu)異的浸漬性和力學(xué)性能。
法國法雷奧汽車零部件供應(yīng)商也開發(fā)了新的汽車轉(zhuǎn)向柱模塊，該模塊的外殼和拉桿，分別采用巴斯夫的 Ultramid b3egg10Si 表面改性樹脂，Ultradur B4520 及 Ultradur B 4300G4, 其中 Ultramid b3egg10Si 為質(zhì)量分數(shù)50%玻璃纖維填充尼龍6，Ultradur B4520 及 UltradurB 4300G4，其中 Ultramid b3egg10Si 為質(zhì)量分數(shù)50%玻璃纖維填充尼龍6。
播磨一成等研究了不同長度粒料對玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的沖擊強度隨著玻璃纖維原始長度的增加而增加，這是由于隨著纖維長度的增加，在沖擊過程中纖維發(fā)生剪切、斷裂的概率增加，這將吸收更多的沖擊能，從而增強復(fù)合材料抵抗沖擊的能力。
高鵬堂等進行了聚丙烯 / 玻璃纖維散熱器作為汽車支撐骨架的可靠性分析，結(jié)果表明：用聚丙烯 / 玻璃纖維材料制造的散熱器支撐骨架不僅滿足結(jié)構(gòu)要求，具有可靠性，而且相比于傳統(tǒng)材料（如銅、鋁合金等）制造的散熱器支撐骨架可以節(jié)約原料，提高產(chǎn)品性能，減小成型收縮率，提高熱變形溫度，以及實現(xiàn)汽車輕量化。
李勁松等優(yōu)化了玻璃纖維增強聚丙烯作為水箱支架的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，優(yōu)化后的PP/GF水箱支架質(zhì)量降低了2.8kg，最大應(yīng)力降低了0.7MPa，疲勞壽命相比優(yōu)化前延長了7.3%。
如今，F(xiàn)RP材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但我國FRP材料在應(yīng)用方面與發(fā)達國家相差甚遠，尤其是技術(shù)水平、研發(fā)水平都不及發(fā)達國家，所以，我們應(yīng)該加大FRP材料在汽車領(lǐng)域的研發(fā)力度，促進基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，擴展我國FRP材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
續(xù)：纖維增強塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用（2）
文章來源：玻璃鋼商情
參考資料：《纖維增強塑料復(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
