纤维增强复合材料有高比模量、耐腐蚀等优异的力学特性和热物理性能、化学稳定性、阻尼减震降噪性等一系列金属材料所无法比拟的优良性能，并具有可设计性强、可大规模整体成型等一系列优点，在汽车制造业中得到广泛应用。那复合材料具体在国内外汽车工业上有哪些应用？在国内汽车工业中应用上又有怎样的展望？让小编来为大家一一解说。
前言
自从1953年世界上第一部FRP汽车——GM Corvette制造成功以后，聚合物基复合材料即成为汽车工业的一支生力军。
20纪70年代开始，由于片状模压成型SMC，Sheet Molding Compound)、块状模压成型(BMC, Bulk Molding Compound)材料的成功开发和机械化模压技术的应用，汽车玻璃纤维增强复合材料发展得到快速发展。
以SMC、BMC制造工艺为代表，主要用于汽车的汽车内饰件和防腐蚀外护板件，也有少量用于汽车的结构件和半结构件；随着环保和轻量化、节能等需求，复合材料原材料以及工艺制造和装备的不断进步，汽车复合材料构件的制造成本降低、生产效率提高，以玻璃毡增强热塑性树脂成型工艺(GMT, Glass Mat reinforced Thermoplastics)、长纤维在线模压成型工艺(LFT-D,Long Fiber Reinforced Thermoplastics- Direct processing)、树脂注射成型(RTM, Resin transfer molding)为代表的高性能复合材料得到了迅猛发展，主要用于汽车的车身、车身地板、车门、轮毂等结构件和半结构件。
一、纤维增强复合材料在国外汽车上的应用
复合材料在国外汽车车身覆盖件、内饰件等半结构件开发与制造得到广泛应用，主要是以SMC、GMT等短切玻璃纤维增强复合材料构件为主，包括车顶板、后备箱盖板、车备胎仓、保险杠、内饰板和车前端等。近年来，复合材料在轿车上的覆盖件及内饰件应用见表1所示。
表1. 国外汽车复合材料的应用
由于玻璃钢存在刚度不足的缺点，不能用于主承力结构，高性能的连续碳纤维复合材料正在引发全球汽车制造业一场新的技术革新。
BMW M3 CSL碳纤维车顶是在BMW汽车公司的Landshut工厂中的第一条高自动化的碳纤维车身零部件加工生产线上制作而成，相比钢制车顶，其重量减轻了约6kg，相当于钢制车顶重量的一半。
图 BMW M3 CSL碳纤维车顶，来源于汽车之家
Polimotor Research Inc.公司开发了一种新的、轻巧、碳纤维复合材料四缸发动机缸体(如图1所示)，采用东邦耐克丝碳纤维被选为环氧树脂基增强材料，采用模塑成型工艺，使用低成本的加工材料，循环时间比传统的碳纤维复合材料的成型方法更快，模具工具成本减少50%，碳纤维复合材料缸体比合金的重量轻20磅，新发动机缸体重量比铝的轻45%~50%。
图1 碳纤维复合材料发动机缸体
宝马2013年推出首款i3电动车以及其后推出的i8跑车的整个车身结构都是由碳纤维材料制成，采用RTM进行高压树脂注射技术，将成型时间控制在10分钟内；在整车组装方面，宝马采用新的自动化接合技术，极大提高了生产效率。宝马i8 Spyder概念车的重量仅为1630公斤，能够比传统新能源汽车减轻250~350公斤(如图2所示)。
图2 宝马i系列碳纤维车架
复合材料在国外大型客车中也得到进一步的拓展应用，应用部件包括前后围、前后保险杠、翼子板、轮护板、踏步围板、行李箱门板、裙板(侧围板)、后视镜、仪表板、仓门板、空调顶置壳体等。荷兰人甚至研制了一个全复合材料超级巴士(如图3所示)，该车15×2.5×1.5m，可乘24人，双侧各有8个门，上下方便，其主用材为T700-12K/环氧树脂，采用真空辅助树脂熔塑法成形。
图3 复合材料客车
二、纤维增强复合材料在国内汽车工业上的应用
我国汽车复合材料应用始于美系、日系等引进车型上，近几年奇瑞、吉利、长城等自主品牌也在自主开发的一些车型应用上取得了长足进步。复合材料在国内汽车中的部分应用实例见表2。
表2 复合材料在国内汽车中的部分应用实例
自2009年的哥本哈根会议开始，“低碳经济、新能源”成为世界各国关注的焦点。作为汽车消费大国的中国，新能源汽车的生产和使用必将成为未来的发展趋势，这就给了国内汽车轻量化一个机遇，同时也是复合材料汽车零部件借势发展的一个巨大市场。上汽采用轻质GMT复合材料制备顶棚内饰板(如图4所示)，可实现减重20%~30%，综合成本可降低约20元/件。上汽大通校车顶凸台采用SMC材料，减重14kg，重量较原有钣金件降低60%。
图4 顶棚内饰板
近年来，复合材料零部件在国内客车及载货汽车的应用，也有不少成功案例。比如，南京依维柯都灵V系列车的SMC豪华面罩、后行李厢门、BMC前大灯和雾灯、FRP后围等构件、一汽集团解放J5、J6系列的SMC前保险杠、前围面板、导流罩等；中国重汽华沃系列的SMC前端面板、脚踏板、门下装饰板和侧护板等；陕汽德龙系列的SMC面罩、保险杠、脚踏板、左右护栏板和导流罩等。
国内首辆自主研发的复合材料车厢自卸车（如图5所示），车身长度达到8.6米，但车身自重仅为4.8吨，其载重能力可达50吨，与传统的金属车厢运输车重量减轻了29%左右。
图5 复合材料箱体运输车
近年来，聚合物基复合材料在客车及载货汽车领域应用有所增加，而且SMC、LFT-D工艺正逐步替代传统手糊工艺，而且以短切纤维增强复合材料为主，连续碳纤维复合材料国内汽车厂家应用案例较少。
三、纤维增强复合材料LFT-D成型工艺
在提到模压成型工艺技术时，特别要提到近年来在汽车复合材料行业中最受关注和市场成长最快的LFT-D成型工艺(如图6(a)所示)。LFT-D成型工艺是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术，将设计好比例的树脂、添加剂以及长纤维在专用设备中进行混合，将混配好的原料送入双螺杆挤出机中制成坯料后经传输装置送入冲压模压单元，直接快速成形成品。
图6(a) LFT-D 成型工艺
与传统GMT成型工艺(如图6(b)所示)相比，LFT-D成型工艺省略了半成品制备步骤，因而大幅度提高生产效率，比传统工艺成本低20%~50%。与同类材料成形工艺相比，其制品的抗冲击性能提高大约40%~60%。
图6(b) GMT 成型工艺
LFT-D成型工艺包含材料复合工艺、冲压模压工艺、数控化设备等关键难点，欧洲已成功应用20多年，目前国内尚未系统攻克。
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注：文章来源于机械科学研究总院先进制造技术研究中心周玉敬，杨涛，范广宏 ，艾邦高分子编辑整理
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原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：纤维增强复合材料在汽车工业上的应用
