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复合材料在汽车上的应用

为客户的生产需要提供具有性价比的解决方案

一,综述
汽车工业是现代工业中首先形成全球产业的典型代表,汽车正向着轻量化发展,要求节省燃油,提高时速,增加耐用性、舒适性和安全性,正越来越多地采用新型材料,其中复合材料已成为重要的汽车用材料。
随着世界环境法规要求越来越严,客观上也促使汽车越来越多地采用复合材料。复合材料不是一种独立的材料, 随着原材料的发展与工艺上的改进,复合材料将是今后汽车材料发展的必然趋势。
二,玻璃钢在汽车工业上的应用
以玻璃纤维为增强体的复合材料(俗称“玻璃钢”)为传统复合材料的重要品种之一,已在汽车工业中早有应用且近年来呈逐渐上升之势。
美国于20世纪50年代中期开始了这一进程,如1953年美国的通用汽车公司研制了一个全玻璃钢的跑车Corvette,此后玻璃钢被广泛应用在汽车的顶盖、前端框架、后举门、前后保险杠、前后翼子板、挡泥板、座椅骨架、底部护板、车门、进气歧管、散热器罩等外饰、内饰和功能件上。
我国亦于20世纪50年代开始了玻璃钢在汽车上的应用,1980年代北京中华汽车公司率先制造了玻璃钢车身;1990年代珠海公牛高性能复合材料有限公司研制了一个全玻璃钢轿车,并在西安投入量产,还在湖北二汽作了整车碰撞试验,防撞效果优于金属车身;山东武城曾制造过“齐鲁牌”全玻璃钢面包车,据说当年仅山东武城就有相关企业600多家,规模可见一斑。现在玻璃钢已广泛用在我国的各种轿车、客车、货车和特种汽车上,各大汽车生产厂家内部多建有专门的复合材料生产车间或部门,应用呈逐渐上升的态势。

图1 复合材料车体

图2 汽车复合材料外饰件

图3 汽车复合材料内饰件

图4 汽车复合材料功能件
玻璃钢/复合材料汽车零部件主要分为三类:车身部件、结构件及功能件。
(1)车身部件:包括车身壳体、车篷硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、大灯反光板、前后保险杠以及车内饰件等,主要是适应车身流线型设计和外观高品质要求的需要,这是玻璃钢在汽车中应用的主要方向,目前开发应用潜力依然巨大,典型成型工艺有:SMC/BMC、RTM和手糊/喷射等。

图5 雪铁龙berlinggo车型SMC多功能车顶

图6 berlinggo车型SMC车顶内饰组装工艺
(2)结构件:包括前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板等,其目的在于提高制件的设计自由度、多功能性和完整性。主要使用高强SMC、GMT、LFT等材料。

图7 座椅支架
(3)功能件:要求耐高温、耐油腐蚀等,以发动机及周边部件为主。如:发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水口外壳、水泵涡轮、发动机隔音板等。主要工艺材料为:SMC/BMC、RTM、GMT及玻璃纤维增强尼龙等。


图8 不同车型进气歧管的材料构成


图9 进气歧管


图10 散热器水室

(4)其他相关部件:如CNG气瓶、客车与房车卫生设施部件、摩托车部件、高速公路防眩板和防撞立柱、公路隔离墩、商品检测车顶柜等。


图11 车用CNG气瓶

美国是世界上第一大玻璃钢/复合材料生产与消耗国,美国在汽车上大量采用玻璃钢,使汽车轻量化取得了显著效果。据估算,目前美国汽车用复合材料年消耗量超过70万吨;其中32%的热固性复合材料用于汽车及其相关领域,相当一部分部件采用了SMC模压工艺。在美国,有65%的美国轿车采用SMC作前脸和散热器护栅板;95%以上汽车前灯反射镜已采用BMC作为主要材料。复合材料在汽车上的应用几乎涵盖了美国本土的所有汽车制造厂家,如通用汽车、福特汽车、戴姆勒·克莱斯勒(DC)三大汽车公司以及Mack、Aero-star等重型车厂。