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        纖維復合材料在汽車輕量化中的應用(2)
        時間:2023/2/24 14:57:27  瀏覽量:
        續:纖維增強塑料復合材料在汽車輕量化中的應用(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、熱力學性能好,在汽車領域主要用于制作車身、車架、發動機罩、保險杠、傳動軸、車輪等,一方面可以降低整車的重量,同時也可以提升車子的綜合性能,是當前汽車輕量化技術中較多使用的材料。
               碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRPC)具有低密度、耐磨損、質量輕易加工等特點,逐漸替代金屬材料廣泛應用于汽車等領域,以實現產品輕量化。例如2015年,寶馬推出的新7系采用了創新混合結構,應用碳纖維增強塑料大大減輕了車體重量,比上一代減重達130kg。
        纖維增強車架
        圖源:世界汽車
               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變速箱外殼,比原來的外殼重量輕了 30%。2018年秋季,通用汽車公司發售的“2019GMC 塞拉”內部座椅使用了CFRTP。使用汽車塑料翼子板代替傳統金屬材料翼子板也是汽車輕量化發展趨勢之一,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。
               汽車后背門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%,通用超輕概念車使用碳纖維材料制作車身和底盤從而減重68%,通用皮卡CarbonPro 使用碳纖維車廂使得車子減重25%, 斯巴魯WRX STItS 采用CFRP 車頂比使用鋼板車頂減重80%。
               表面物理氣相沉積(PVD)涂層技術也廣泛應用于汽車高端制造領域,其產品具有耐1400℃高溫、抗氧化、防腐蝕、耐磨損等特點,最薄可以做到單面100納米。
               黎盛寓利用環氧樹脂/碳纖維復合材料對懸架控制臂進行了改進設計,通過有限元軟件對環氧樹脂 / 碳纖維材料和鋁合金材料控制臂進行了對比仿真。結果表明,相比鋁合金材料,環氧樹脂 / 碳纖維復合材料強度更大且具有具有更好的動態特性。蔚亞等研究了基于碳纖維增強環氧樹脂在新能源汽車底盤后縱臂輕量化設計。結果表明,碳纖維增強環氧樹脂后縱臂質量相對較輕,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性能,在汽車領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力度,降低CFRPC材料的成本,提高材料的綜合力學性能,推動CFRPC材料更廣泛的應用在汽車領域。

        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兩種類型。熱塑性塑料很容易重塑。而熱固性塑料不能被回收。在汽車行業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、完全無毒、易加工、質量輕、排放低的特點。
        Vardaan 等介紹在過去幾十年里,NFRP開始被主要汽車制造商應用,他們使用麻纖維作為增強材料來制造門板,儀表盤和車頂,減輕了汽車的重量,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。
        纖維增強復合材料應用
        Mission R的車門、前翼和后翼、側板和后中段,均由NFRP制成
               此外,偉世通公司還生產了使用環保材料的汽車內飾產品。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系車門版、福特首款全電動汽車行李箱底板、保時捷718車門及尾翼均使用了天然纖維增強塑料。
               然而,車用天然纖維復合塑料目前仍然有許多技術難以克服,Kim等表示天然纖維在汽車領域的應用存在障礙。采收工藝、產地、品種和加工路線對復合材料的力學性能影響很大。其中的問題之一是苔蘚和真菌的攻擊會導致天然纖維降解,因為它們儲存了很長時間,在加工過程中也很容易熱/機械降解。
               木質纖維素含量的親水性導致對聚合物作為疏水基質的抵抗力較差。這種不匹配導致復合材料的力學性能減弱。NFRP的另一個缺點是其結構不均勻,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題。

        5、結語
               目前汽車輕量化技術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領域的應用。將不同濃度的納米和微米增強材料添加到PP為原材料的汽車保險杠,可以有效提升保險杠的力學性能。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。
               例如,碳玻璃混雜纖維不僅可以降低碳纖維產品的成本,還可以提高玻璃纖維產品的剛度和質量。纖維增強復合材料主要存在成本較高、資源回收較難的問題,如何解決上述問題開發纖維增強復合材料的在汽車領域的多種性能是目前的主要研究方向之一。
        文章來源:玻璃鋼商情
        參考資料:《纖維增強塑料復合材料在汽車輕量化中的應用》,鄒瑞睿、張 坤,鍛壓裝備與制造技術2022.10.31
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