續：纖維增強塑料復合材料在汽車(chē)輕量化中的應用（1）
3、碳纖維增強塑料復合材料的應用
碳纖維增強塑料( CFRP ) 是以聚丙烯腈纖維、粘膠絲和瀝青絲等為原料，具有非常高的強度（比強度是鋼的6倍）和彈性（比模量是鋼的3倍以上），重量較輕、耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞、耐磨損、耐振動(dòng)、熱力學(xué)性能好，在汽車(chē)領(lǐng)域主要用于制作車(chē)身、車(chē)架、發(fā)動(dòng)機罩、保險杠、傳動(dòng)軸、車(chē)輪等，一方面可以降低整車(chē)的重量，同時(shí)也可以提升車(chē)子的綜合性能，是當前汽車(chē)輕量化技術(shù)中較多使用的材料。
碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRPC）具有低密度、耐磨損、質(zhì)量輕易加工等特點(diǎn)，逐漸替代金屬材料廣泛應用于汽車(chē)等領(lǐng)域，以實(shí)現產(chǎn)品輕量化。例如2015年，寶馬推出的新7系采用了創(chuàng )新混合結構，應用碳纖維增強塑料大大減輕了車(chē)體重量，比上一代減重達130kg。
圖源：世界汽車(chē)
ARRK 集團使用熱塑性復合材料代替之前采用的鋁合金材料制作汽車(chē)變速箱外殼，比原來(lái)的外殼重量輕了 30%。2018年秋季，通用汽車(chē)公司發(fā)售的“2019GMC 塞拉”內部座椅使用了CFRTP。使用汽車(chē)塑料翼子板代替傳統金屬材料翼子板也是汽車(chē)輕量化發(fā)展趨勢之一，翼子板成形難度大，選用強度好、防腐性能好、抗疲勞性強、穩定性好的碳纖維增強塑料能減重45%以上，達到較好的節能減排效果。
汽車(chē)后背門(mén)使用碳纖維復合材料可以減重 50%，寶馬i3使用了高強度復合碳纖維材料制作座艙從而減重50%，通用超輕概念車(chē)使用碳纖維材料制作車(chē)身和底盤(pán)從而減重68%，通用皮卡CarbonPro 使用碳纖維車(chē)廂使得車(chē)子減重25%, 斯巴魯WRX STItS 采用CFRP 車(chē)頂比使用鋼板車(chē)頂減重80%。
表面物理氣相沉積（PVD）涂層技術(shù)也廣泛應用于汽車(chē)高端制造領(lǐng)域，其產(chǎn)品具有耐1400℃高溫、抗氧化、防腐蝕、耐磨損等特點(diǎn)，最薄可以做到單面100納米。
黎盛寓利用環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維復合材料對懸架控制臂進(jìn)行了改進(jìn)設計，通過(guò)有限元軟件對環(huán)氧樹(shù)脂 / 碳纖維材料和鋁合金材料控制臂進(jìn)行了對比仿真。結果表明，相比鋁合金材料，環(huán)氧樹(shù)脂 / 碳纖維復合材料強度更大且具有具有更好的動(dòng)態(tài)特性。蔚亞等研究了基于碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂在新能源汽車(chē)底盤(pán)后縱臂輕量化設計。結果表明，碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂后縱臂質(zhì)量相對較輕，與金屬件相比減輕約30%。
CFRPC材料相比傳統金屬材料擁有更好的綜合力學(xué)性能，在汽車(chē)領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，但是CFRPC材料仍有一定的缺陷。還需要不斷的加大研發(fā)力度，降低CFRPC材料的成本，提高材料的綜合力學(xué)性能，推動(dòng)CFRPC材料更廣泛的應用在汽車(chē)領(lǐng)域。
4、1921-2022天然纖維增強塑料復合材料的應用
NFRP 復合材料中纖維主要以麻纖維、竹纖維、椰殼纖維等植物纖維為主。聚合物基體主要分為熱固性和熱塑性?xún)煞N類(lèi)型。熱塑性塑料很容易重塑。而熱固性塑料不能被回收。在汽車(chē)行業(yè)主要使用的聚合物基體一般為 PA（聚酰胺）PP（聚丙烯）。NFRP復合材料具有密度小、可回收、完全無(wú)毒、易加工、質(zhì)量輕、排放低的特點(diǎn)。
Vardaan 等介紹在過(guò)去幾十年里，NFRP開(kāi)始被主要汽車(chē)制造商應用，他們使用麻纖維作為增強材料來(lái)制造門(mén)板，儀表盤(pán)和車(chē)頂，減輕了汽車(chē)的重量，并且降低了制造成本。其他制造商也使用了NFRP復合材料，如大眾、寶馬、奔馳、奧迪和戴姆勒克萊斯勒。
Mission R的車(chē)門(mén)、前翼和后翼、側板和后中段，均由NFRP制成
此外，偉世通公司還生產(chǎn)了使用環(huán)保材料的汽車(chē)內飾產(chǎn)品。所使用的材料為紅麻纖維和大麻纖維的混合物，基體為PP。奔馳E級和寶馬5系車(chē)門(mén)版、福特首款全電動(dòng)汽車(chē)行李箱底板、保時(shí)捷718車(chē)門(mén)及尾翼均使用了天然纖維增強塑料。
然而，車(chē)用天然纖維復合塑料目前仍然有許多技術(shù)難以克服，Kim等表示天然纖維在汽車(chē)領(lǐng)域的應用存在障礙。采收工藝、產(chǎn)地、品種和加工路線(xiàn)對復合材料的力學(xué)性能影響很大。其中的問(wèn)題之一是苔蘚和真菌的攻擊會(huì )導致天然纖維降解，因為它們儲存了很長(cháng)時(shí)間，在加工過(guò)程中也很容易熱/機械降解。
木質(zhì)纖維素含量的親水性導致對聚合物作為疏水基質(zhì)的抵抗力較差。這種不匹配導致復合材料的力學(xué)性能減弱。NFRP的另一個(gè)缺點(diǎn)是其結構不均勻，纖維不連續導致復合材料耐久性和性能低下。如何完成高效分散加工，如何突破相界面連接、如何高效收集和綜合利用、如何降低加工成本是目前需要解決的問(wèn)題。
5、結語(yǔ)
目前汽車(chē)輕量化技術(shù)應用中對于將不同濃度的納米或者微米材料添加到塑料中的研究較多。如將納米增強材料與鎂結合有助于提升鎂的機械性能，從而增加了鎂在汽車(chē)領(lǐng)域的應用。將不同濃度的納米和微米增強材料添加到PP為原材料的汽車(chē)保險杠，可以有效提升保險杠的力學(xué)性能。因為混雜纖維可以降低成本、減輕重量，混雜纖維復合材料的研究也很熱門(mén)。
例如，碳玻璃混雜纖維不僅可以降低碳纖維產(chǎn)品的成本，還可以提高玻璃纖維產(chǎn)品的剛度和質(zhì)量。纖維增強復合材料主要存在成本較高、資源回收較難的問(wèn)題，如何解決上述問(wèn)題開(kāi)發(fā)纖維增強復合材料的在汽車(chē)領(lǐng)域的多種性能是目前的主要研究方向之一。
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
