简析复合材料在汽车轻量化设计中的应用

　　根据中国汽车工业协会2015 年初发布的信息，2014 年我国汽车销量达到2349.19 万辆，同比增长了6.86%，销量再次创造了新高，连续六年蝉联世界第一。2014 年末全国民用汽车保有量达到14476 万辆，千人保有量首次超过百辆，达到105.83 辆/ 千人。伴随着越来越多的民众购买了私家车，对石油的消耗也在逐年增加。2013 年7 月中国已超越美国成为全球最大石油进口国，现每天进口的石油超过560万桶。持续增加的石油消耗，使得机动车排放的尾气污染已经成为我国空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学污染的重要原因。此外汽车尾气还产生了大量的温室气体，是造成近年来全球变暖、南北极冰层融化、气候反常的一个重要因素。所以摆在汽车工业面前的一个十分紧迫的问题就是节能减排，同时在保证汽车的安全性的前提下，为节能减排，除降低风阻、提高发动机的效率、降低摩擦之外，一个最直接、最有效的方法和途径就是轻量化。通过对复合材料在汽车轻量化设计中的应用及其成型工艺的介绍，更加清楚的了解到各成型工艺生产的复合材料所具有的性能及该生产方式的适用范围。
　　1 汽车轻量化的途径与意义
　　一辆轿车每减重100kg，每百公里燃油消耗就平均减少0.5L，二氧化碳排放也随之减少12g/km。如果采用新材料替代来做到这一点，相当于大约采用1kg的铝替代2kg 的钢，不过为了达到减重的目的须要进行结构的优化设计。材料科学的进步推动了汽车轻量化技术的不断发展，并由此诞生了全新的汽车轻量化设计。
　　汽车轻量化的主要途径有：(1)汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度、降低耗材用量;(2)采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、玻璃纤维或碳纤维复合材料等;(3)采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析优化设计、局部加强设计等;(4)采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。
　　在以上的几种途径中，使用塑料及其纤维复合材料不仅能设计出更时尚、更符合空气动力学的外形，而且可大大减轻整车重量，进行规模化生产还能降低生产成本，所以对复合材料的研发及发展新的成型工艺已成为各大汽车公司进行轻量化设计的重要领域。
　　2 复合材料的构成与分类
　　复合材料是指由两种或两种以上不同物理特性或不同化学物质通过复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料;其主要是由增强材料和基体材料组成。根据基体材料的不同可以将复合材料划分为：树脂基增强复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
　　复合材料最大的特点是复合后材料的性能优于构成该复合材料的单一材料性能。复合材料性能不仅与组成该材料的增强材料的含量和分布情况相关，更与其生产工艺关系相关，即使相同成分的基体材料和增强材料，因选择成型工艺不同而使得产品性能有所差别。在按基体分的三类复合材料中，树脂基复合材料的使用量最大，占所有复合材料使用量的90%以上。树脂基复合材料成型工艺的不断发展，也使其在汽车轻量化设计中的应用越来越广泛。
　　3 树脂基复合材料及成型工艺
　　树脂基复合材料具有在设计与制造上自由设计性、材料与结构一致性且产品形状的设计自由性。树脂基复合材料的成型工艺可以分为三大类：
　　(1)对模成型。包括：模压成型、树脂传递成型、注射成型、冷压成型、结构反应注射成型;
　　(2)接触成型包括：手糊成型、喷射成型、真空袋成型、压力袋成型、高压釜成型;
　　(3)其他重要成型方法包括：纤维缠绕成型法、拉挤成型法、连续板材成型法、离心铸型法;不同的生产工艺，适应不同的制品和生产规模，除手糊、喷射、缠绕三种工艺为开模成型外，其余均为闭模成型工艺。在汽车使用的复合材料中，有很多种成型工艺，下面对普遍使用几种复合材料成型及应用进行概括。
　　3.1 手糊成型工艺
　　手糊成型工艺是指通过手工把增强材料和树脂相互交错的在模具上铺层，黏结然后固化成型的工艺。手糊成型工艺所需原材料包括：增强材料(玻璃纤维粗纱、玻璃纤维织物、粗纱织物、玻璃纤维毡等)、树脂(环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂等)和辅助材料(催化剂、脱模剂、填料等)。手糊成型生产设备与技术简单但效率低下，尺寸形状不受限制但稳定性差，主要用于生产汽车车壳、机器盖、保险杠等方面。
　　3.2 喷射成型工艺
　　喷射成型工艺是将混有引发剂的树脂体系或含有促进的树脂体系分别从不同的树脂罐中吸入并在喷射枪中混合或喷出后混合，且喷枪上的切割器将连续纤维切成短纤维与树脂混合，再喷到模具上，待喷涂到规定的厚后，用辊筒压实再固化成型的一种方法。喷射成型常用的树脂是30~40min 贮存期的固化树脂，常用增强材料为玻璃纤维。喷射成型效率较手糊法提高2~4 倍、生产投资少但光洁度差、工作环境恶劣，主要生产汽车车体、内饰件等。
　　3.3 树脂传递模塑成型(RTM)工艺
　　树脂传递模塑过程是指将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是近年来发展较为迅速的适宜多品种、中批量、高质量的先进复合材料成型工艺，它是一种最接近产品形状部件的生产方法。RTM 工艺的高性能树脂有：乙烯基酯树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂(BMI)和热塑性树脂。增强材料有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维和芳纶纤维等。树脂传递成型工艺可满足精确、大尺寸、外形复杂的模型要求但模具造价高、设计复杂。主要用车生产汽车车身板、保险杠、齿轮箱壳体、小卡车车厢等。
　　3.4 模压成型工艺
　　模压成型是将一定量的预混料和浸润料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压料的品种有很多，可以是浸润物料，预混物料，也可以是坯料。当前所用的模压料的品种有热固性复合材料包括：SMC(片状模塑料)、BMC(块状模压料)、TMC(厚片状模塑料)等品种;热塑性复合材料有GMT(玻璃纤维毡热塑性塑料)、LFT-D(长纤维增强热塑性复合材料直接在线生产工艺制品)、LFT-G(长纤维热塑性颗粒注射制品)等。模压成型的高性能树脂有：环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、烯丙基酯树脂等。增强材料主要有玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等，也有少量特种制品选用碳纤维、有机纤维等品种，有时也采用两种或两种以上纤维混杂料作增强材料。模压成型生产效率高、产品尺寸稳定、耐冲击、防碰撞、可批量生产但设备投资大、模具制造复杂。主要用于生产汽车车门、仪表盘、前端框架、汽车内板等。
　　料随着其工艺的发展较为迅速，成本逐渐降低，其用量正逐步扩大，在汽车轻量化设计中，越来越多的零部件将考虑使用热塑性复合材料。特别是热塑性复合材料的三种成型工艺中，相较于GMT 和LFT-G 这两种依赖于半成品板材或粒料的生产工艺，LFT-D技术则是直接利用聚合物母粒和玻璃纤维进行日常生产，省去了制板或造粒的中间过程，降低成本的同时使得制品在原料的选择上更为便捷实用，所以越来越多的汽车零部件厂商引进LFT-D 生产技术。GMT、LFT-G 和LFT-D 生产方式比较，
　　4 结束语
　　通过对复合材料的种类、成型方式及在汽车上应用进行深入的了解，熟悉复合材料的各种特性参数。在通过有限元分析软件对复合材料构件进行优化设计、性能分析，配以适当的验证试验来检验模型，能够节约大量的费用，缩短研制及进行大规模生产的周期，增加复合材料在汽车轻量化设计中的应用范围。近年来随着资源和环保的压力增大，再循环使用的热塑性复合材料，特别是高性能热塑性复合材料及LFT-D 成型工艺生产的制品在汽车轻量化设计中的应用也越来越广泛。新复合材料的试用及其工艺的不断发展，必将使复合材料成为未来汽车轻量化领域发展的主要方