浅谈热塑性复合材料在汽车上的应用

热塑性复合材料在汽车外饰件上的具体应用分析作者：文/尚洋王晓婧来源：《时代汽车》 2017年第17期尚洋王晓婧众泰汽车工程研究院浙江省杭州市310018摘要：汽车用复合性材料指的是长纤维增强的、以树脂为基体的一类材料，其是否可以回收利用是由树脂的性能决定的，如果树脂是热固性的，那么该材料则同样是热固性的。

这种材料某些性能相比于热塑性的材料要差一些，本文对热塑性复合材料进行了简单介绍。

本文首先列举了热塑性材料的常见种类和特点，并分析了聚丙烯基热塑性复合材料在使用中的常见问题，最后就如何提高聚丙烯基热塑性复合材料制品表面质量进行了一定的分析，希望通过本文可以有效地促进热塑性复合材料在汽车外饰件中的使用，使汽车行业再一次进步。

关键词：热塑性复合材料；汽车外饰；应用分析1 引言在以往汽车外饰中经常使用的材料一般是热固性材料，这种材料的废弃件和边角余料经常是通过掩埋或者焚烧进行处理的，这样的处理方式会造成环境的污染问题。

但是使用热塑性材料则不会出现些类似问题，热塑新材料不仅可以进行循环利用，还具有密度低、成本低、生产效率高等特点。

在生产中使用这一材料代替金属材料或者是热固性材料可以实现轻量化的设计和生产，所以这种材料在汽车中的使用范围越来越广。

2 热塑性复合材料的种类和特点现阶段在汽车外饰材料使用中，常见的材料主要有GMT 材料和LFT 材料两种，下面简单介绍这两种材料的特点。

GMT 材料的基体树脂材料是聚丙烯，其具有许多优点，如密度低、加工性好等，在现阶段使用较多。

这种材料需要使用压模的方式进行成型，片材需要先进行预热，在220℃左右，然后才可以进行零件的制作。

这种材料具有较强的耐冲性，所以经常用来替换汽车原来的金属和热固性材料，主要进行汽车前端模块框架或者是汽车仪表板骨架等方面的制作，用来替换高强度骨架类零件。

LFT材料可以先被制作成粒状或者片状，然后运输到厂家进行各种零件的制作，这一工艺的名字叫做LFT-G，也可以直接进行在线生产，这一工艺技术叫做LFT-D。

热塑性复合材料在汽车车身结构件上的应用开发摘要：以某中型车座椅横梁为研究对象，从选材设计、结构设计和工艺设计等方面全面介绍了热塑性复合材料座椅横梁的轻量化设计方案及制造技术；并通过零部件的性能检测和减重效果评价，验证了产品符合使用性能与设计要求，可有效替代原钣金结构，并在成本未显著提升的同时实现减重32%，可有效降低整车油耗，对满足国家油耗强制法规提供了有力支持。

关键词：热塑性复合材料轻量化1 前言在我国汽车产业飞速发展的同时，能源安全、节能减排已经成为汽车产业可持续发展所面临的重要问题。

国家出台了一系列的政策法规，对汽车的能耗和排放指标均进行了严格的限制，而汽车轻量化正是解决上述问题，满足政策及市场需求的重要手段。

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）以其优异的机械性能、抗疲劳性能以及远低于金属的密度条件，成为了汽车轻量化的首选材料。

但是，目前90%以上的汽车用碳纤维复合材料均采用热固性树脂体系，这类材料存在回收困难、固化周期长等问题，对满足《汽车有害物质和可回收利用率管理要求》将造成较大影响。

为此，热塑性碳纤维复合材料就成为解决这一问题的有效手段[1]。

连续纤维增强热塑性复合材料具有较好的机械性能，目前多通过模压工艺实现成型，但是，受工艺特性限制，无法满足一些特殊结构的成型要求。

对于这类复杂结构，目前多采用注塑成型的方式，但使用的纤维长度仅3 mm左右，制品的机械性能较差，较难满足车身结构件的使用要求[2]。

如果将模压工艺与注塑成型的方式结合起来，以连续纤维增强热塑性复合材料为骨架，并通过注塑成型的方式实现复杂结构的成型，则可同时满足汽车零部件对性能和结构的需要，进一步拓展热塑性复合材料在汽车结构件上的应用。

为此，项目组依托“国家自然科学基金-中国汽车产业创新发展联合基金”U1664250课题，以某中型车的座椅横梁为研究对象，通过采用模压-注塑混合成型工艺的形式，进行了全流程的设计开发，在降低零部件质量的同时，深入研究了模压-注塑共性关键技术问题，为模压-注塑混合成型工艺在整车上的批量应用积累了宝贵经验。

复合材料在汽车工业中的应用探讨在当今汽车工业的发展进程中，复合材料凭借其独特的性能优势，逐渐成为了备受关注的重要材料。

复合材料不仅为汽车的轻量化、高性能化提供了有力支持，还在提升汽车安全性、舒适性以及降低能耗等方面发挥着关键作用。

复合材料，简单来说，是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的一种新型材料。

其组成成分通常包括纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）和基体材料（如树脂）。

这种独特的组合方式赋予了复合材料优异的力学性能、化学稳定性以及良好的加工性能。

汽车轻量化是当前汽车工业发展的重要趋势之一。

随着环保法规的日益严格和消费者对燃油经济性的关注不断增加，降低汽车整备质量成为了各大汽车厂商的首要任务。

复合材料在实现汽车轻量化方面具有显著优势。

相比传统的金属材料（如钢铁），复合材料的密度通常要低得多。

以碳纤维增强复合材料为例，其密度仅为钢铁的约五分之一，但强度却能达到甚至超过钢铁的水平。

这意味着在保证汽车结构强度和安全性的前提下，使用复合材料替代部分金属部件可以大幅减轻汽车重量，从而降低燃油消耗和尾气排放。

在汽车的车身结构中，复合材料的应用越来越广泛。

例如，一些高端汽车品牌已经开始使用碳纤维复合材料制造车身框架和覆盖件。

这些部件不仅重量轻，而且具有良好的抗冲击性能和耐腐蚀性能，能够显著提高汽车的安全性和使用寿命。

此外，复合材料还可以用于制造汽车的底盘部件，如悬架系统、传动轴等。

通过优化设计和采用先进的制造工艺，可以使这些部件在满足性能要求的同时实现轻量化。

除了轻量化，复合材料还能为汽车带来更好的性能提升。

在汽车的动力系统中，复合材料可以用于制造发动机部件，如气缸盖、活塞等。

由于复合材料具有良好的耐高温性能和耐磨性能，能够有效提高发动机的工作效率和可靠性。

同时，复合材料的低惯性特性也有助于减少发动机的振动和噪音，提升汽车的NVH（Noise、Vibration、Harshness，即噪声、振动与声振粗糙度）性能。

复合材料在汽车上的运用研究由于大部分复合材料都是与目标产品同时形成的，所以很少有固定的复合材料型号等信息，采用相同原材料而不同种工艺或同种工艺不同参数所制造的复合材料性能也会有所不同，如果抛开成本因素，复合材料所涉及的专一方面性能指标比金属还要宽泛。

1.行业特点复合材料行业特点：原材料品种多，工艺方法繁多，成本跨度极大。

按每公斤价格而言，复合材料可以由几元到几千元以上不等，一般同等重量成本均高于钢铁。

很多材料配方和工艺方法原理简单，容易上手，但由于工艺自由度较多，真正的工艺参数系统性控制难度大，产品离散性较大，产品缺陷的可探测性差，所以用简易办法较难区分产品质量的好坏。

2.发展现状行业门槛低，个体户亦可从事经营生产活动；复合材料应用领域广泛，既可做花盆，也是航空航天等高科技领域不可缺少的材料。

国内缺乏高技术含量自主研发产品，配套设备设施也不健全，限制了复合材料行业的发展。

复合材料以其质量轻、强度高的特点，在汽车工业方面具有典型的应用，并占有突出的三大优势：一是自身减重；二是集成化功能，使系统减重；三是使系统的制造、安装和维修简化。

而且，大部分复合材料部件具有减振降噪的效果。

从复合材料的内在特点而言，所有纤维增强复合材料，特别是连续纤维增强的复合材料部件，对微裂纹及轻微外伤的敏感性都非常弱。

采用这种复合材料制作结构件，安全性更高，可有效降低二次伤害的可能性和程度。

复合材料在汽车上的应用自开始制造汽车以来，复合材料便以各种形式应用于汽车中，树脂基复合材料正式应用于汽车中始于1953年。

世界上第一辆全复合材料车身的Corvette车由手糊工艺生产（见图1）。

复合材料在汽车上的应用分为几大类：覆盖件（内外饰）、结构件（以其力学性能为主要应用）、功能件（以其某些方面特殊性能为主要应用）。

当然，更多情况下都是多种性能同时应用的，只是在不同的场合中个别性能稍有突出而已。

复合材料在汽车上的应用是从覆盖件开始的，也是用量最大的一个类别，主要采用SMC（片状模塑料）、RTM和手糊等工艺制造。

在技术持续发展的大环境下，我国的汽车产业获得了飞速的发展。

总结现阶段我国汽车产业的持续发展，其面临的主要问题为能源安全与节能减排。

现如今，国家出台了一系列的政策与法规，目的是要对汽车的能耗以及排放指标等进行限制，而要真正地解决汽车能耗问题，还是要从汽车轻量化入手。

碳纤维复合材料的机械性能十分优异，且其抗疲劳性能要明显地优于金属的密度条件，所以在汽车轻量化实践中碳纤维材料应该作为首选。

对目前的市场进行总结，90%以上的汽车在使用碳纤维复合材料的时候利用的是热固性树脂体系，这类材料在后续回收利用等方面存在着问题，而热塑性碳纤维复合材料则可以很好地解决这一问题。

连续纤维增强热塑性复合材料的机械性能更加的突出，且目前已经实现了成型。

不过受到工艺特性的限制，一些特殊结构的成型要求还没办法满足。

在现阶段的该问题解决中，主要采用的是注塑成型的方式，但是这种方式成型的制品机械性能并不理想。

模压工艺和注塑工艺有各自的优势，如果将其进行结合，并以连续纤维增强热塑性复合材料作为骨架，然后通过注塑成型的方式来进行复杂结构的成型，这样，热塑性复合材料在汽车车身构件中的利用会更加的显著。

1热塑性复合材料要在汽车车身构件设计开发的过程中充分利用热塑性复合材料，首先需要对热塑性复合材料有全面的认知和了解。

就定义而言，所谓的热塑性复合材料指的是以热塑性树脂作为基体，以各种纤维为增强材料而制成的复合材料。

对热塑性复合材料的类别划分进行分析，按照树脂基体和复合之后的性能，热塑性复合材料主要分为两大类：（1）高性能复合材料，其以优良纤维增强高性能热塑性树脂，比如碳纤维、芳纶纤维、聚苯硫醚等均属于高性能复合材料，这类材料的比强度和比模量较高，能够在200℃以上长期使用。

（2）通用型复合材料，其指的是以玻纤及制品增强一般通用的热塑性树脂，比如目前广泛使用的PP、PE、PVC 等均属于这一类材料。

在实践中要强调热塑性复合材料的有效利用，还需要对热塑性复合材料的特性进行了解。

复合材料在汽车的应用在汽车制造中，复合材料主要应用于车身、底盘、发动机等重要部件。

其主要好处在于具有较高的比强度、较低的比重和良好的抗腐蚀性能。

下面将就几个典型的应用领域进行详细介绍。

首先，复合材料在汽车车身方面应用广泛。

由于复合材料具有较高的比强度和较低的比重，可以显著降低车身重量，提高汽车的燃油经济性能。

此外，复合材料车身还能够提供更好的碰撞安全性能，增加车辆乘坐者的安全性。

许多高档汽车品牌已经采用了碳纤维复合材料来制造车身，使得车辆更加轻盈且具有更好的驾驶性能。

其次，复合材料在底盘方面也有广泛应用。

底盘是汽车的重要组成部分，承担着车身和发动机的重量以及悬挂系统的负荷。

复合材料底盘具有较高的刚度和强度，能够提供更好的悬挂系统性能和操控稳定性。

此外，复合材料底盘还具有较好的吸震性能，能够减少驾乘者的颠簸感和疲劳感，提高车辆的乘坐舒适性。

第三，发动机部件中的复合材料应用也越来越多。

例如，复合材料可以用于制造发动机罩和进气道等部件，以提高发动机的性能和效率。

由于复合材料具有较低的热膨胀系数和较高的抗热稳定性，可以有效降低发动机在高温条件下的变形和热裂纹的发生。

此外，复合材料材质还能提供更好的隔音和隔热效果，减少发动机噪音对驾乘者的干扰。

此外，复合材料也可用于制造汽车内饰部件，如仪表盘、门板等。

由于复合材料具有良好的成型性能和表面质量，能够制造出更加精细和美观的内饰部件。

与传统的塑料材料相比，复合材料具有更高的耐磨损性和耐划伤性能，能够提高内饰部件的使用寿命。

综上所述，复合材料在汽车制造中有着广泛的应用，能够显著改善汽车的性能和重量。

随着技术的不断进步，相信复合材料在汽车制造中的应用将会更加广泛，为我们带来更安全、更环保和更高性能的汽车。