OVERV旧W行业观察
摘要：节能减排和安全舒适将成为未来汽车的主要发展方向，车身轻量化是提高汽车动力性能、降低燃油消耗的最好办法。 树脂基复合材料具有比强度和比模量高、相对密度小、耐腐蚀性强等优点，是实现车身轻量化的主要材料。综述了树脂基复 合材料的种类、特性以及成型工艺，介绍了树脂基复合材料在国内外汽车上的应用，为汽车工程人员在轻量化设计方面提供 参考。
关键词:树脂基;复合材料;汽车;轻量化
Resin Matrix Composites and Automobile Lightweight
Abstract： Energy saving, emission reduction, safety and comfort will become the main development direction of future
automobiles. Lightweight of vehicle body is the best way to improve the vehicle's dynamic performance and reduce fuel consumption. Because of the advantages of high specific strength and specific modulus, small relative density, strong corrosion resistance and so on, the resin matrix composites become the main material to realize the lightweight of body. The types, characteristics and molding process of resin-based composites are reviewed, the application of resin-based composites in domestic and foreign automobiles is introduced, which provide a reference for automobile engineers in lightweight design.
Key words： Resin-based; Composites; Automobile; Lightweight
随着汽车工业的高速发展，节能减排已经成为了 响其动力学性能，而且会增加燃油消耗。在保证汽车结 构安全的前提下，车身轻量化是解决上述问题的最好 高以及可设计性强等优点，越来越受到汽车生产商的 关注，也是汽车界公认的能够代替金属材料的首选材 料[1]。复合材料是由基体材料和增强材料共同组成。一 般情况下，根据基体材料的不同，可将复合材料分为金 属基复合材料、树脂基复合材料以及陶瓷基复合材料 三大类。其中，树脂基复合材料比钢铁材料轻50%，比 铝材轻30%，在众多复合材料中，其轻量化效果尤为明 显，目前已被广泛应用于汽车工业。
维、玻璃纤维、芳基纤维、硼纤维以及天然植物纤维等。 以后其性能都会有很大程度的提高。
碳纤维增强复合材料(CFRP)是在热固性树脂中 型材料[2]。由于编织物中的碳纤维均为长纤维，因此该 复合材料的疲劳强度和拉伸破坏强度高、耐久性好、导 电导热性好，且密度低（相当于普通碳钢结构的
1/5〜1/4)，被用于制造汽车车身、底盘等主要结构件。由 于该复合材料的制造成本较高，主要被用于F赛车、 高级轿车以及小批量生产的车型中。图1示出由树脂 基碳纤维复合材料制作而成的汽车排气管。
世界汽车界的主要研究热点。汽车质量过大，不但会影 无论是热固性树脂还是热塑性树脂，在加人增强纤维
办法。复合材料具有密度小、耐腐蚀、比强度高、比模量 加人含碳量超过90%的碳纤维编织物而形成的一种新
1树脂基复合材料
1.1分类
树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以纤维为 增强体，通过人工合成技术制成的一种新型材料，也被 称为纤维增强塑料(FRP)。一般情况下，树脂基体包括 热固性树脂和热塑性树脂两大类；增强纤维包括碳纤
图1树脂基碳纤维复合材料排气管
第1期ig=汽车工g师
OVERVIEW行业观察
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)俗称玻璃钢，是以 树脂基复合材料不仅在物理性能方面有着显著的
热塑性树脂为基体，以玻璃纤维为增强材料，通过高温 优势，其化学性能也非常稳定。树脂基体和各种非金属 加压所制成的一种新型材料[3]。该复合材料制造成本 纤维增强材料都具有耐强酸、耐强碱、耐强盐以及耐强 低、吸能性好、耐腐蚀性强及减振降噪效果好，是目前 酯等特性，因此使得树脂基复合材料制件能够适应多 汽车工业中应用最为广泛的一种复合材料，主要用于 种外界条件。与金属材料相比，其具有更长的使用寿 制造车身结构件、覆盖件以及发动机周边部件。
长纤维增强复合材料(LFT)是在热塑性树脂或改 命。
此外，树脂基复合材料还具有耐高温和低温、抗冲
性热塑性树脂中加人芳基纤维或硼纤维等长度大于 击性强以及一体化成型性好等优点。
5 mm的纤维，经过压缩成型得到的一种新型材料[]。由 于该种复合材料内部的增强纤维较长，能够在树脂基 体中形成三维网格结构，在提高材料的抗冲击性能和
抗蠕变性能方面有显著效果，使得利用该复合材料制 成的汽车零部件变形更小、力学性能更加稳定，目前主 要用于制造汽车门板、仪表板以及行李架等部件。
此外，还有通过在树脂基中加人铜及不锈钢等金 属纤维加工制造而成的新型复合材料，但是由于该类 复合材料的加工工序复杂且制造成本很高，其应用受 到很大程度的限制。
1.2特点
1.2.1 比强度和比模量高
大部分的树脂基复合材料都具有较高的比强度和 比模量。例如，大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉
伸强度极限的30%〜50%，而树脂基复合材料可达到 60%〜80%。利用在树脂基中同时加人碳纤维和玻璃纤 维而形成的复合材料制作成汽车减振弹簧片，其刚度 和承载能力与质量是其4倍的钢制弹簧片相同[]。表1 示出树脂基复合材料与高强度钢的力学性能对比情 况。
表1
树脂基复合材料与高强度钢的力学性能对比表
性质
高强度钢礙维环氧树脂玻璃纤维环氧树脂杨氏模量/MPa206 000235 00039 000抗拉强!度MPa1 0101 0501 040密度/(kg/m3)
7 8001 6002 000比强度(N/m2)/(kg/m3)129656520比弹隨量/(N/m2)/(kg/m3)
26 000
147 000
20 000
1.2.2相对密度小
树脂基复合材料的密度为1.〜2.0 kg/m3,是普通碳 钢密度的1/4〜1/5,而其力学性能以及机械强度却与 碳钢水平相当。利用CFRP制成的汽车弹簧片质量为 14 kg，在保证强度水平的情况下，比利用合金钢制成 的弹簧片的质量减轻70%左右，且耐磨性比合金钢更 好。这一特性对于复合材料在汽车轻量化应用方面是 非常重要的[6]。1.2.3 耐腐蚀性强
1.3成型方法 1.3.1树脂传递模塑法
树脂传递模塑法是指在模具的型腔内预先放置好
纤维增强材料，合模夹紧以后，在一定的温度及压力下
将配好的树脂注人模具中，使之与增强材料一同固化， 最后启模、脱模得到成型制品。该方法无需胶衣涂层即 可使构件双面光滑，成型方法简单，制造出的产品表面
品质高、内部孔隙率低，是当今复合材料工业中普遍使
用的一种方法[
7]。图2示出树脂传递模塑成型设备。图2
树脂传递模塑成型设备
1.3.2 高温模压法
高温模压法是将纤维预浸料平整地铺设在上下模 具之间，将模具合实密封后，置于液压成型台上，在热
压机上经过一定时间的高温高压，使树脂和预浸料固 化，最后从热压机上取下成型制品。该成型工艺具有高 强度、高精度以及受环境影响小等优点，适用于批量 化、标准化的制件生产。1.3.3真空热压罐法
真空热压罐法是将复合材料的坯料铺设在涂抹脱
模剂的模具表面，然后依次用脱模布、吸胶毡、透气毡 完全覆盖，并密封于真空袋内，真空后放人热压罐内， 经高温、加压、固化等程序后，获得成型制品。该成型工 艺使用的模具相对简单，且生产效率较高，适用于生产 大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体。
此外，树脂基复合材料的成型方法还有喷射成型 法、层压成型法、拉挤成型法、真空倒人法以及纤维缠 绕法等。随着科学技术的发展，树脂基复合材料的成型
OVERVIEW
Er4i^汽车工_师
2019年1月
最终使得整个 工艺不断地改进和创新，复合材料在生产过程中不是 SMC)和低密度玻璃纤维SMC混合制成，单一地使用某种工艺，往往是多种工艺共同使用，以实 现资源配置的最大优化。
发动机罩的质量仅为9.3 kg。此外，福特旗下的林肯大 陆车型的前保险杠以及后行李箱盖均采用玻璃纤维树
2
脂基复合材料，宝马公司M3系列车型的顶盖为碳纤维 树脂基复合材料在汽车上的应用
日产汽车公司的“Skyline GT-R” 由于树脂基复合材料本身优异的力学性能及相对 树脂基复合材料制造，
车型的 简单的加工工艺，使得其在德系、美系以及日系等很多 车型的外装材料和丰田汽车公司的“MARK n”车型中均有应用，并且应用范围在不断加大。
2.1在车身及覆盖件上的应用
近年来，树脂基复合材料在车身上的应用越来越 广泛。在众多的复合材料当中，CFRP的各项力学性能 均非常出色，其密度小、强度大，在减轻车身质量的同
时，又能保持其防撞性能，因而被认为是制造车身覆盖 件最理想的非金属材料。由于碳纤维增强复合材料加 工成本相对较高，过去主要应用于赛车以及跑车的车 身覆盖件上。近年来，随着复合材料工业的不断发展以 及生产技术的不断改进，CFRP的加工成本大幅降低， 各大汽车厂商不断加大对CFRP的应用。
2011年，宝马公司采用树脂基碳纤维复合材料制作
电动汽车BMWi3车身，整车质量一度降低至1 224 kg， 如图3所示，2个人可以轻松地抬起，而与其续航能力 相当、使用金属材料车身的东风启辰晨风和北汽新能 源ES210的整车质量分别为1 494 kg和1 760 kg。该车 充电3 h可行驶113〜177 km，一次充满电最远可行驶 257 km,最高车速可达160 km/h，0〜100 km/h起步加速 时间仅需要不到8 s。
图3 BMW i3碳纤维复合材料车身
除白车身之外，树脂基复合材料在很多车型的其 他车身覆盖件上均有应用。早在20世纪90年代，美国 通用汽车公司就开始利用树脂基复合材料制造各类车 身覆盖件，通用雪佛兰“子弹头”的车身顶盖、前翼子 板、车门以及后侧板等部件采用树脂基玻璃纤维复合 材料制造，这一应用在减重、吸能、耐腐蚀以及减振降
噪等方面都取得了很好的效果；通用雪佛兰Corvette Z06轿车的发动机罩采用环氧树脂基复合材料制成， 发动机罩外板采用碳纤维环氧树脂复合材料制成，内 板为碳纤维片状模塑料（Sheet Molding Compound，
内饰材料采用碳纤维复合材料。国内的一些大型豪华 客车车型上对玻璃纤维复合材料均有不同程度的应
用，
包括保险杠、翼子板、导流罩以及侧裙板等。2.2在底盘结构上的应用对于底盘、横纵梁等主承载构件而言，为了保证足
够的安全性能，
汽车厂商要选择强度、刚度和吸能性均 很出色的材料来制造，树脂基碳纤维复合材料密度小、 耐冲击、抗疲劳，成为制造主承载构件的最佳选择。
2003年，戴姆勒-克莱斯勒公司利用碳纤维复合 材料制造Dodge Viper跑车的挡板支架，
这也是碳纤维 复合材料首次应用在汽车底盘和车身外部构件上。该
车使用的碳纤维复合材料中混合了质量分数为5!的
碳纤维碎屑，
相对密度只有1.4,利用该材料生产的挡 板支架的单件质量仅为1.93 kg。这种材料可用在2个 较小的支架和2个车头支架上，组成完整的挡板支架
系统，其总质量为6.1 kg,比金属挡板支架系统减轻了 18 kg,同时也减少了 1520个金属零件的使用。值得注 意的是，碳纤维复合材料挡板支架的厚度虽然只有 2 mm,却足以支撑整个车身前端。
近年来，树脂基复合材料在汽车底盘上的应用范 围不断扩大，使用车型不断增加。梅赛德斯-奔驰、保 时捷以及法拉利等汽车制造商在多款高性能车的底盘 上使用碳纤维树脂基复合材料。丰田雷克萨斯LFA跑 车底盘结构的65!为碳纤维树脂基复合材料。日本新 能源产业技术综合研发机构(NEDO)与名古屋大学国 立复合材料研究中心(NCC)成功研发了世界首个碳纤
维增强热塑性复合材料汽车底盘。德国研究人员利用
热塑性GFRP成功制造出汽车发动机底部托盘，如图4 所示，该底部托盘比原钢制底部托盘减重60%，且具有 更好的耐冲击性能和隔声性能。图4
德国研制的玻璃纤维发动机底部托盘
第1期
2.3在发动机上的应用
ig=汽车工g师
OVERVIEW行业观察
疲劳且抗高温，赛车在高速行驶时的制动操作会使制 动盘温度上升至900 °C，一般的材料很难承受，而碳纤 维制动盘能够承受2 500 °C的高温，具有优秀的制动稳 复合材料传动轴应用到各自旗下的多款汽车上，减重
的同时很大程度地改善了 NVH性能。除此之外，树脂
复合材料在发动机上的应用已经有几十年的时 间。复合材料发动机零部件与金属材料制品相比，不 并增加有效载荷等优点。通用汽车公司早在20世纪 90年代就开始利用GFRP制造多款汽车的发动机气
奥迪、奔驰等汽车制造商将碳纤维树脂基 但质量轻，而且具有隔热、减振降噪、降低燃油消耗 定性;丰田、
门罩；宝马汽车公司将GFRP制造的进气歧管应用在 基复合材料还被应用到汽车座椅、地板、仪表板、前端
6缸发动机上;宝马735轿车发动机的机体采用GFRP 进行制造，提高了制品的高温稳定性;奥迪A4轿车新 型发动机进气阀使用了含30%玻璃纤维的复合材料， 使得该款发动机具有很好的燃油经济性；沃尔沃采用 玻璃纤维SMC复合材料制造发动机的油底壳。
2.4在板簧上的应用
采用树脂基复合材料制造汽车板簧，在减重的同 时，也提高了汽车的“安全断裂”性能。当汽车严重超载
或在崎岖路面受到强烈冲击时，树脂基复合材料板簧 会沿长度方向分层裂开，虽然结构发生破坏，刚性大幅 度降低，但是这一吸能作用却保证了车轴基本保持原 状而不发生错位，使空载汽车能够安全开到修理厂。通 用汽车公司利用长纤维缠绕工艺制造复合材料板簧， 并应用在旗下的多款卡车上。JEEP牧马人在10年前 就开始使用树脂基纤维增强材料制造汽车板簧。近年 来，沃尔沃也开始应用纤维增强复合材料进行板簧制 造，并应用到XC60车型上，获得了很好的减振效果。
2.5在其他结构上的应用
除了上述结构，树脂基复合材料还被应用到汽车 的很多其他结构上。保时捷911 Turbo、新一^代福特野 马GT350R都配备了碳纤维树脂基轮毂，质量仅为 8.6 kg比铝合金轮毂减重40%，在减轻质量的同时还 能够吸收大量的撞击能，且碳纤维复合材料是由碳纤 维丝束编制而成，能够看到其表面的纹路，更具美观 性;F1赛车中使用的碳纤维复合材料制动盘，耐磨、耐
支架、备胎架、车门把手等多个部位，且都获得了比较 理想的使用效果。3结论
随着人们环保意识的逐步提高以及各国环保法规
的相继出台，节能减排、绿色低碳成为了未来汽车工业 的发展方向。树脂基复合材料密度低、强度大、耐腐蚀、 抗疲劳，已经被作为金属材料的替代品应用到汽车的 多个部位，并取得了良好的效果。树脂基复合材料的应
用是实现车身轻量化、提高燃油利用率、减少尾气排放 的主要途径，如果其回收利用和加工成本问题能够得 到很好的解决，则可以预测，在不久的将来，树脂基复 合材料将会被更大范围地应用到汽车领域中。参考文献
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(收稿日期：018-11-13)
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