纖維增強材料在汽車輕量化中的應用(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，汽車領域對材料的應用更傾向于輕量化，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。
纖維增強塑料復合材料是纖維和塑料復合而來的材料，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，廣泛應用于汽車的輕量化技術中，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。汽車塑料制品應用于汽車裝飾等，可以讓設計更靈活、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雜更多樣的形狀，從而達到減少使用零部件的目的。
2、應用及研究進展
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，在汽車輕量化技術中有著很好的應用前景。
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、可設計性強、品種多樣等特點，主要應用于汽車領域車身殼體、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合材料應用于汽車領域對于降低汽車重量、提高燃油效能、減少廢棄排放有著重要效果。
2019年，中南民族大學開發(fā)了脂肪族超支化聚酯制備車用通用塑料 - 玻纖復合材料關鍵技術,制備了低氣味、低揮發(fā)的高性能車用復合材料，產(chǎn)品廣泛應用于福特的?？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合材料（GMT）的基體材料通常為聚丙烯，在汽車工業(yè)領域里應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用。
北歐化工制備的Fibremod PP玻璃纖維具有更輕的質量、額外的強度，以及更大的沖擊性能。應用范圍從前、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、力學性能、疲勞性能以及氣味等決定其在汽車領域應用十分廣泛。362C適用于連續(xù)玻纖增強工藝，其顯著特點是具有優(yōu)異的浸漬性和力學性能。
法國法雷奧汽車零部件供應商也開發(fā)了新的汽車轉向柱模塊，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合材料力學性能的影響，結果發(fā)現(xiàn)復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構要求，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構，結果表明，優(yōu)化后的PP/GF水箱支架質量降低了2.8kg，最大應力降低了0.7MPa，疲勞壽命相比優(yōu)化前延長了7.3%。
如今，F(xiàn)RP材料在汽車領域的應用越來越廣泛，但我國FRP材料在應用方面與發(fā)達國家相差甚遠，尤其是技術水平、研發(fā)水平都不及發(fā)達國家，所以，我們應該加大FRP材料在汽車領域的研發(fā)力度，促進基礎研究和應用技術的結合，擴展我國FRP材料在汽車領域的應用。
續(xù)：纖維增強塑料復合材料在汽車輕量化中的應用（2）
文章來源：玻璃鋼商情
參考資料：《纖維增強塑料復合材料在汽車輕量化中的應用》，鄒瑞睿、張 坤，鍛壓裝備與制造技術2022.10.31
