树脂基复合材料在汽车工业中的应用研究.pdf

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1、文章编号:1 6 7 2 一 9 8 8 9(2 0 0 5)0 6 一 0 0 7 0 一 0 4树脂基复合材料在汽车工业中的应用研究马翠英，黄晖(济宁职业技术学院，山东 济宁 2 7 2 0 3 7)摘要:树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以纤维为增强材料，经成型技术形成的一种新型复合材料。本文介绍了树脂基复合材料的性能特点、组成和分类，重点介绍了树脂基复合材料的成型工艺及其在汽车上的应用。关键词:树脂基复合材料;特性;成型工艺;汽车;应用中图分类号:U 4 6 5.6 文献标识码:AA p p l i c a t i o n o f R e s i n Ma t r i x C o m

2、p o s i t e I n A u t o i n d u s t r yM A C u r 一 y i n g,H U A N G H u i(J i n i n g V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e,J i n i n g 2 7 2 0 3 7,C h i n a;A b s t r a c t:R e s i n m a t r i x c o m p o s i t e i s a n e w t y p e c o m p o s i t e m a t e r i a l s c o m p o s e

3、 d o f r e s i n a n d f i b e r m a t e r i a l s.T h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h e p e r f o r m a n c e,c o m p o s i t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n,m a i n l y i n t r o d u c e d t h e m o l d p r o c e s s o f r e s i n m a-c o m p o s i t e a n d t h e a p p l i c a t i o

4、n i nw o r d s:r e s i n m a t r i x c o m p o s i t e;a u t o mo b i l e.c h a r a c t e r i s t i c;m o l d p r o c e s s a u t o m o b i l e;a p p l i c a t i o n0 前言 树脂基复合材料又称纤维增强塑料(F R O，是以合成树脂为基体，以纤维为增强材料的一种新型复合材料。与钢铁材料、铝合金等传统材料相比，树脂基复合材料具有重量轻、比 强度高、耐腐蚀、减振性能好、可设计性强、易于加工等优点，在汽车工业中得到广泛应用。作为汽车上重要

5、的轻量化材料，树脂基复合材料越来越多地取代了传统的金属材料。实践证明，在汽车上大量使用树脂基复合材料可以显著 减轻汽车自 重、降 低油耗、提高汽车安全舒适性，同时还可减少环境污染和降低汽车的制造与使用综合成本，其在汽车工业中应用前景十分广阔。1 树脂基复合材料的性能特点 树脂基复合材料的主要性能有:(1)质量轻、比 强度高。树脂基复合材料的相对密度较小，一般介于 1.5 一 2.0 之间，只有普通碳钢的1/4 1/5，但比 强度大，承载能 力高。利用树脂基复合材料的轻质、高强度的特点可大幅度减轻汽车自 重，降低燃油消耗。据报道，美国T P M复合物公司制造的复合材料汽车，壳体长9.1 m，采用

6、环氧玻纤毡、R T M成型，汽车重3 1 7 5 k g，比同尺寸的钢汽车壳体减重 3 0%，其燃油消耗不到钢质汽车的6 0%。(2)性能具有可设计性。树脂基复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都可以通过对原材料合理选择，即采用不同的种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计，由于树脂基体材料种类很多，其选材设计的自由度很大。(3)优良的耐腐蚀性。树脂具有良好的耐腐蚀性能，有针对性地选择树脂进行复合材料生产，可使树脂基复合材料具有不同的耐腐蚀性能，使汽车应用领域更广阔。(4)减震性能好。由于树脂基复合材料的振动衰减系数大，受冲击时能够吸收大量的冲击能，当汽车发生碰撞时，可避免或减少对

7、人体的伤害，这对行作者简介:马翠英(1 9 6 8 一)，女，山东济宁人，讲师，从事汽车理论与汽车材料研究工作。车安全十分有利。(5)成型工艺简单。树脂基复合材料可用模具一次成型制造各种构件，从而减少了零部件的数量及接头等紧固件，节省原材料和工时，有效降低生产成本。在中批量生产的车型中，用树脂基复合材料取代铝材可以降低成本4 0%左右。此外，树脂基复合材料对缺口、应力集中敏感性小，而且纤维和基体界面能够阻止和改变裂纹扩展方向，因此具有较高的疲劳极限。2 树脂基复合材料的组成与分类 树脂基复合材料主要组成是树脂基体和纤维增强材料。树脂基体包括热固 性树脂和热塑性树脂;增强纤维材料常用的有玻璃纤维

8、、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。树脂基复合材料按基体可分热固性复合材料和热塑性复合材料，其性能与树脂基体有密切关系。2.1 树脂基体 热固性树脂初加热时软化，可塑造成型，但固化后再加热时将不再软化，也不溶于溶剂。常用的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚醋树脂和有机硅树脂等。热塑性树脂加热时会软化和熔融，可塑造成型，冷却后即成型并保持即得形状，这一过程具有重复性。应用较多的热塑性树脂是:尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚醋和聚碳酸醋等。车用复合材料的树脂基体，目 前仍以热固性树脂为主，但热固性复合材料的缺点是废弃物回收再利用困难。随着国际社会对环境保护的要求越来越高，热塑性树脂基

9、复合材料越来越受到人们的关注。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料有许多优点。例如断裂韧性高、成型过程中无化学反应，因此成型速度快，成型周期短;预浸料可以无限期存放，且对存放无特殊要求，易于回收再利用，不环境污染;能够实现快速、无污染、自动化生产。2.2 纤维增强材料 在汽车用树脂基复合材料中较典型的是用玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料。玻璃纤维增强塑料复合材料(G F R P)在我国俗称“玻璃钢”，它具有强度高、工艺性能好、价格低等特点，可用于制造保险杠、发动机罩、挡泥板，甚至于整个车身壳体。汽车上常用的玻璃钢有:聚苯乙烯玻璃钢、尼龙6 6 玻璃钢、聚醋树脂玻璃钢等。随着原材料的发

10、展与工艺上的改进，在汽车中大量应用玻璃 现代交通技术 2 0 0 5 年第6 期钢/复合材料将是今后汽车工业发展的必然趋势。碳纤维增强塑料(C F R P)是汽车轻量化最理想的材料，表 1 为主要复合材料增强项物理性能比较。从表 1 看出，高强钢筋、玻璃纤维、碳纤维三种材料的比 强度(抗拉强度/表观密度)分别是2 3,1 0 1,2 7 2，其中碳纤维最高。但由于成本太高，C F R P 零件尚未实现批量生产。美国福特公司进行了大量的C F R P 应用试验，所有研究结果均表明C F R P 具有作为汽车材料的优良 特性。例如，用碳纤维增强塑料C F R P 制造的 板簧零件强度高，模量大，热

11、膨胀系数小，减磨性好，质量只有 1 4 k g，比现有材质减轻7 6%。一旦解决了成本问题，将有大量的C F R P 用于汽车工业中。表 1 主要复合材料增强项物理性能比较材料名 称表 观 密 度AN m抗拉强 度弹 性模 量高 强 钢 筋玻 璃 纤 维碳纤维7 8.2 5拉 伸 率 /%热 膨 胀 系 数 x 1 0-64.0 1 12 6 0 0 7.5 3.5 84 9 0 0 2 3 0 2.1 0.5 53 树脂基复合材料的成型工艺3.1 片状塑料 S M C模压工艺 S M C 是用不饱和聚醋树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊浸渍短切纤

12、维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压料，是目 前国际上应用最广泛的成型材料之一。将S M C 片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放人金属模具中加热加压成型制品的工艺方法称为片状塑料(S M C)模压法。该工艺的特点是成型效率高、制品表面光洁、尺寸稳定性好，适于大批量生产。因为S M C的投资费用低于钢材，国外许多汽车制造商采用该工艺制造汽车零部件。早期的有英国的瑞利安公司、法国的R e n a u l t 公司先后采用S M C制造车身及附件。美国G M公司在 C a m a r o 车和F i e b i r d 车上使用了S M

13、 C 车顶、后门和侧门。F o r d 公司在M u s t a n g 车上应用了S M C 发动机罩，并在L i n-c o l n c o n t i n e n t a l 车上应用了S M C 盖板、发动机罩和前防护板。目 前发达国家在汽车制造中已大量采用玻璃钢片状模塑料(S M C)，以美国为例，5 0%以上的汽车用玻璃钢部件为S M C 制品，1 9 9 5 年实用化的S M C汽车部件已有 3 7 5 种，1 9 9 6 年又增加了近8 0种新型零件。应用领域包括了悬架零件、车身及车身 7 1 现代交通技术 2 0 0 5 年第6 期部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等，在我国

14、，一汽集团重型平头前保险杆和二汽集团中型平头车的翼子板也采用了S M C 材料。3.2 树脂传递模塑成型技术(R T M)R T M的基本原理是将玻璃纤维增强材料铺放到闭模的模腔内，用压力将树脂胶液注人模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模成型制品。其主要特点是成型压力低;闭模操作，不污染环境;制品 两面光洁;能成型复杂形状的大型制品;研发时间短，适于产品更新;与S M C 工艺相比，初始投资少，更适于中等批量部件的生产。采用这种工艺开发的产品已广泛应用于汽车工业。如意大利的依维柯车型(E u r a c a r g o 6 0-1 7 0 型)，日 本的 马自 达 轿车(9 3 型，M X

15、一 5 M i a t a a)，英国 莲 花 公司的 依 莱跑车 等 有 关 部件均采用了R T M工艺。3.3 增强反应注射模塑技术 增强反应注射模塑工艺(R R I M)是利用高压冲击来混合两种单体物料及短纤维增强材料，并将其注射到模腔内，经快速固化反应形成制品的一种成型方法。如果不用增强材料，则称为反应注射模塑(R I M)。采用连续纤维增强时，称为结构反应注射 模塑(S R I M)。R R I M工艺的特点:制品表面质量好，成型周期短，生产成本低，可以生产大尺寸部件。R R I M制品可做汽车保险杠、仪表盘，高强度R R I M制品可以做汽车的结构材料、承载材料。3.4 G MT工

16、艺 G M T 是中长纤维增强的热塑性片材，它是将连续玻璃纤维针刺毡或连续原丝毡与熔融聚丙烯或P E T 复合成片材，再将这种片材裁切成预定形状，经加热冲压成最终制品。由于它采用连续玻纤，机械强度较高。世界上许多著名的汽车公司制造的汽车中都采用了G M T 加工的零部件，主要是亚结构部件，如保险杠、前端部件、仪表板等。在我国，9 0 年代后期上汽帕萨特轿车、北京切诺基吉普车、一汽奥迪轿车等少数汽车开始采用G M T 片材制造发动机罩，车顶盖，行李箱盖等。2 0 0 3 年，G M T 开始用于生产切诺基吉普车后座椅支架、一汽轻卡脚踏板、帕萨特轿车前端底板衬里及发动机罩、奥迪A 6 发动机罩、奇

17、瑞新车型的保险杠等汽车零部件。纤维增强热塑性片材(G M T)的研究也已列入国家“八六三”轿车新材料技术开发项目。4 树脂基复合材料在汽车工业中的应用与发展 树脂基复合材料在汽车上用途广泛，可用于制造汽车外板、汽车结构件、发动机及发动机周边部件等。应用范围由内饰件、覆盖件向外装件、结构件和功能件发展。发动机及发动机周边部件以往通常使用金属材料制造，从 1 9 9 0 年开始树脂基复合材料被大量应用于汽车发动机部件。美国通用汽车公司首先将它应用于3.3/3.S L V 6 轿车发动机气门罩壳上，用它代替金属罩壳。表2 为树脂基复合材料在发动机外围主要零部件上的应用。表2 树脂基复合材料在发动机外

18、围主要零部件上的应用材料类型应用零件S MC,B MCGMTRT MP A6 6+GF发动机罩、气门罩壳、水箱部件、发动机隔音板、导风罩、加热器盖板、气缸盖、进气歧管、出水口 外壳、水泵、燃料泵零件等发动机罩、散热器附件、发动机噪声防护板、风扇叶片发动机水箱、隔热罩、发动机罩进气歧管、气缸盖、气缸盖罩盖、水室、水箱、机滤器壳、水泵涡轮、正时齿轮罩盖 使用树脂基复合材料制作汽车发动机部件不仅能够满足发动机对耐热性、电绝缘性、隔热性以及耐腐蚀性的要求，还可以 减轻车辆质量，降低零件成本，减轻发动机的噪声，而且表面无需涂漆。玻璃纤维增强尼龙是目 前发动机周边部件应用较多的材料。1 9 9 0 年德国

19、宝马汽车公司，首先将以玻纤增强尼龙为原料制造的进气歧管应用在六缸发动机上;以后美国福特与杜邦公司合作，共同用玻纤增强P A 6 6 制造的进气歧管应用在V 6 发动机上，以后世界各大汽车公司纷纷跟进，玻璃纤维增强尼龙进气歧管得到广泛的应用。用玻璃纤维增强尼龙制造进气歧管不仅内腔质量上乘，而且对汽车达到欧II 标准，起到决定性贡献。除进气歧管外，发动机盖，发动机装饰盖，汽缸头盖，机油滤清器，刮雨器，散热器格栅等部件一般都可采用树脂基复合材料。传统的车身材料通常采用高强度薄钢板，为了减轻汽车自 重，采用树脂基复合材料代替钢材，已成为车身结构发展的必然趋势。通用公司早在1 9 5 3 年就推出克尔维

20、特(C o r v e t t e)牌全塑车身的轿车，除翼子板用尼龙注射成型外，所有壳体都是用玻璃纤维增强塑料(F R P)压铸模塑成型的。到1 9 8 0 年已有6 5%的美国轿车采用玻璃钢片状模塑料作前脸和散热器护栅板。目 前树脂基复合材料已被广泛应用于车身结构件(如骨架、梁、柱等)、覆盖件(如前脸面罩、前翼子板、发动机罩、顶盖、车门、行李箱盖、后侧板等)以及保险杠、油箱等。表3 为树脂基复合材料在车身相关部件上的应用。由于热塑性复合材料与热固性复合材料相比表3 树脂基复合材料在车身相关部件上的应用应用部位应用零件车身及车身部件 车身装饰件 底盘类零件其它相关零部件车身壳体、硬壳车顶、地板

21、、车门、散热器护栅板、前端板、阻流板、行李仓盖板、遮阳罩、翼子板、大灯反光板、前后保险杠、仪表板等内装饰板、车门把手、仪表盘、转向杆部件、镜子边框、座椅等变速器上壳、差速器罩等泵盖、齿轮隔音板等在材料韧性、耐腐蚀性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，而在工艺上还具有良 好的二次或多次成型和易于回收的特性，所以近年来汽车用热塑性复合材料的增长速度高于热固性复合材料。以美国为例，1 9 9 4 一 1 9 9 8 年间，热固 性树脂基复合材料年平均增长速度为5.4 8%，而热塑性树脂基复合材料则为2 3.1 5%。据资料介绍，国外玻璃纤维增强塑料中有1/3 为增强热塑料，按树脂用量的多少排序，占首位

22、的是尼龙(尼龙6 和尼龙6 6)，热塑性聚醋P B T和P E T，以及聚丙烯。玻璃纤维增强热塑性塑料(F R T P)是最重要的一种汽车用纤维复合材料，它性能优异，可采用注射、挤出、压制、层压等多种成型方法加工，成型周期短、生产效率高，其应用领域正在不断扩大。5结语 目 前，树脂基复合材料作为重要的汽车轻量化材料已大量应用于汽车工业中，其应用范围由 汽车内装饰件、覆盖件向外装件、结构件方向发展。热塑J性复合材料因为性能优异，废料可回收利用，不污染环境成为车用树脂基复合材料的重要的发展方向。参考文献 1 李尹熙.汽车用非金属材料【M .北京:北京理工大学出 版社.1 9 9 9.2 l 胡I*

23、.轿车车身结构现状及发展【J l.汽车技术，1 9 9 3 (7):7 一 1 1 3 中国 复 合材料网h t t p:/w w w.o u 帅.c o m.4 刘胜吉等.树脂基复合材料在发动机上的应用研究 J l.小型内 燃机与摩托车，2 0 0 4,(6):2 3 一 2 7.5 翁容祝，颖丹.树脂基复合材料在欧美机车汽车制造业 的应用 J l.汽车科技，2 0 0 1,(3):1 4 一 1 6 6 李彦春.国内外玻璃钢/复合材料在汽车上应用现状及 发展趋势H l.热固性树脂，2 0 0 1(6):1 4 一 1 7.7 l 杨福生等.国外热塑性树脂基复合材料现状及发展趋势 D l.吉林化工学院学 报，2 0 0 1,1 8(3):7 6-7 9.8 l 李龙.树脂基复合材料的研究进展【J l.玻璃钢/复合材 料.1 9 9 9(5):3 7 一 3 8.9 l 樊 在霞，张喻纤维增强热塑性树脂基复合材料的加工 方法【J l.玻璃钢/复合材料2 0 0 2(4):2 2-2 4.(收稿日 期:2 0 0 5-0 9-0 5)7 3