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纖維增強材料在汽車(chē)輕量化中的應用(1)

時(shí)間：2023-02-24 14:43:23 瀏覽量：

我國的汽車(chē)產(chǎn)量和銷(xiāo)量一直呈逐年增長(cháng)趨勢，與此同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境污染和能源供給困難等問(wèn)題也越來(lái)越嚴重。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，汽車(chē)領(lǐng)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(mǎn)足市場(chǎng)需求，復合材料的研究與使用成為汽車(chē)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(lái)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(lèi)型。熱塑性塑料具有易于回收、高抗沖擊性和化學(xué)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(shí)，它們很容易熔化或軟化，在冷卻時(shí)，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(jìn)一步分為傳統塑料，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(chē)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(diǎn)，廣泛應用于汽車(chē)的輕量化技術(shù)中，既能減輕汽車(chē)自身的重量，又能保證汽車(chē)行駛的安全，同時(shí)還能降低汽車(chē)生產(chǎn)成本。塑料在汽車(chē)上的使用量和使用率日益增加，通過(guò)汽車(chē)塑料的應用促進(jìn)汽車(chē)輕量化發(fā)展是汽車(chē)工業(yè)今后發(fā)展的方向之一。

1、在汽車(chē)輕量化中的應用意義
       （1）有效減輕汽車(chē)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(lái)越多的企業(yè)在汽車(chē)輕量化技術(shù)中采用塑料代替金屬材料，減輕汽車(chē)總的重量，增加有效載荷。
       （2）汽車(chē)節能減排的有效路徑。汽車(chē)塑料制品應用于汽車(chē)裝飾等，可以讓設計更靈活、汽車(chē)造型更美觀(guān)。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(dòng)力，適應惡劣環(huán)境，增加用車(chē)安全性。此外塑料制品使用減輕車(chē)重后能降低燃油消耗，減少尾氣排放，同時(shí)輕量化也能提升新能源汽車(chē)續航時(shí)間。
       （3）可降低汽車(chē)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，也能節省材料加工、維修等費用，從而使汽車(chē)生產(chǎn)成本得以降低。如一個(gè)簡(jiǎn)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(jìn)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(jià)格便宜，與樹(shù)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(diǎn)，在汽車(chē)輕量化技術(shù)中有著(zhù)很好的應用前景。
       朱俊指出FRP具有耐腐蝕性、耐瞬時(shí)高溫性、傳熱較慢、防水、容易著(zhù)色、易成形、可設計性強、品種多樣等特點(diǎn)，主要應用于汽車(chē)領(lǐng)域車(chē)身殼體、天窗、前后保險杠、前端支架、座椅骨架、擋泥板、車(chē)頂蓋、以及車(chē)內飾件等。王玲等指出長(cháng)維熱塑性塑料復合材料應用于汽車(chē)領(lǐng)域對于降低汽車(chē)重量、提高燃油效能、減少廢棄排放有著(zhù)重要效果。
       2019年，中南民族大學(xué)開(kāi)發(fā)了脂肪族超支化聚酯制備車(chē)用通用塑料 - 玻纖復合材料關(guān)鍵技術(shù),制備了低氣味、低揮發(fā)的高性能車(chē)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(chē)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(chē)工業(yè)領(lǐng)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(dòng)機罩、地板、護板、備用輪胎架等，能比使用原材質(zhì)減重20%以上，材料成本降低20%以上，是汽車(chē)輕量化和低成本的很好應用。

李曉雄等使用LFT試驗線(xiàn)及成型裝備，制備了20%、30%和40%玻璃纖維質(zhì)量分數的LFT-PP粒料，并將40%玻璃纖維質(zhì)量分數的粒料成功應用于汽車(chē)翼子板。
北歐化工制備的Fibremod PP玻璃纖維具有更輕的質(zhì)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(chē)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(xué)性能，同時(shí)具有優(yōu)異的耐水解 / 醇解性能，可用于增強發(fā)動(dòng)機周邊的PA部件，比如冷卻系統以及散熱器水室等。362J是長(cháng)玻纖增強的代表產(chǎn)品，其優(yōu)良的加工性能、力學(xué)性能、疲勞性能以及氣味等決定其在汽車(chē)領(lǐng)域應用十分廣泛。362C適用于連續玻纖增強工藝，其顯著(zhù)特點(diǎn)是具有優(yōu)異的浸漬性和力學(xué)性能。
       法國法雷奧汽車(chē)零部件供應商也開(kāi)發(fā)了新的汽車(chē)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(shù)脂，Ultradur B4520 及 Ultradur B 4300G4, 其中 Ultramid b3egg10Si 為質(zhì)量分數50%玻璃纖維填充尼龍6，Ultradur B4520 及 UltradurB 4300G4，其中 Ultramid b3egg10Si 為質(zhì)量分數50%玻璃纖維填充尼龍6。
       播磨一成等研究了不同長(cháng)度粒料對玻璃纖維增強聚丙烯復合材料力學(xué)性能的影響，結果發(fā)現復合材料的沖擊強度隨著(zhù)玻璃纖維原始長(cháng)度的增加而增加，這是由于隨著(zhù)纖維長(cháng)度的增加，在沖擊過(guò)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(jìn)行了聚丙烯 / 玻璃纖維散熱器作為汽車(chē)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(mǎn)足結構要求，具有可靠性，而且相比于傳統材料（如銅、鋁合金等）制造的散熱器支撐骨架可以節約原料，提高產(chǎn)品性能，減小成型收縮率，提高熱變形溫度，以及實(shí)現汽車(chē)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(zhì)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(cháng)了7.3%。
       如今，FRP材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應用越來(lái)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(shù)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(chē)領(lǐng)域的研發(fā)力度，促進(jìn)基礎研究和應用技術(shù)的結合，擴展我國FRP材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應用。

續：纖維增強塑料復合材料在汽車(chē)輕量化中的應用（2）

文章來(lái)源：玻璃鋼商情

參考資料：《纖維增強塑料復合材料在汽車(chē)輕量化中的應用》，鄒瑞睿、張坤，鍛壓裝備與制造技術(shù)2022.10.31

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