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纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用

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纤维增强塑料复合材料在汽车轻量化中的应用


我国的汽车产量和销量一直呈逐年增长趋势,与此同时带来的环境污染和能源供给困难等问题也越来越严重。随着社会的发展,汽车领域对材料的应用更倾向于轻量化,单一的塑料材料已经难以满足市场需求,复合材料的研究与使用成为汽车材料使用的发展方向。

纤维增强塑料复合材料是纤维和塑料复合而来的材料,其中纤维主要为玻璃纤维、碳纤维和天然纤维等作为增强材料。塑料分为热固性聚合物和热塑性聚合物两种类型。热塑性塑料具有易于回收、高抗冲击性和化学惰性的特性。热塑性塑料很容易重塑,因为加热到一定温度时,它们很容易熔化或软化,在冷却时,它们又很容易硬化。

纤维增强复合材料

而热固性塑料不能被回收。聚酯、酚醛和环氧是属于热固性聚合物。PP(聚丙烯),PVC(聚氯乙烯),PE(聚苯乙烯)和 PS(聚苯乙烯)属于热塑性。热塑性聚合物进一步分为传统塑料,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)。汽车行业最常用的材料是 PA,PP。

图源:兴隆尼龙

图源:东明石化

纤维增强塑料复合材料具有良好的耐腐蚀性、舒适性、柔韧性、耐摩擦性、抗撞击性、易加工等特点,广泛应用于汽车的轻量化技术中,既能减轻汽车自身的重量,又能保证汽车行驶的安全,同时还能降低汽车生产成本。塑料在汽车上的使用量和使用率日益增加,通过汽车塑料的应用促进汽车轻量化发展是汽车工业今后发展的方向之一。

1.在汽车轻量化中的应用意义

(1)有效减轻汽车重量。

金属材料中的 A3 钢、黄铜的比重都大于 7,铝的比重轻一些,但是也有 2.7。大部分的塑料的比重是 0.9 到 1.5 之间,纤维增强复合材料比重也不到 2。越来越多的企业在汽车轻量化技术中采用塑料代替金属材料,减轻汽车总的重量,增加有效载荷。

(2)汽车节能减排的有效路径。

汽车塑料制品应用于汽车装饰等,可以让设计更灵活、汽车造型更美观。塑料制品有耐腐蚀性、耐磨、隔热、消声、减振等多种作用,可以提高动力,适应恶劣环境,增加用车安全性。此外塑料制品使用减轻车重后能降低燃油消耗,减少尾气排放,同时轻量化也能提升新能源汽车续航时间。

(3)可降低汽车生产成本。

使用塑料制品代替金属等材料作为材料,既可以降低材料的成本,也能节省材料加工、维修等费用,从而使汽车生产成本得以降低。如一个简单的注模塑料部件可以将很多的金属部件焊接在一起,此外塑料可以模铸成比其他材料更复杂更多样的形状,从而达到减少使用零部件的目的。

2.应用及研究进展

玻璃纤维具有耐高温、强度高,吸收冲击能量大,吸水性小,加工性好,价格便宜,与树脂结合性良好等优异性能。常用的 FRP 是玻璃纤维和聚丙烯的复合材料,集合了玻璃纤维和聚丙烯的优点,在汽车轻量化技术中有着很好的应用前景。

FRP制品

朱俊指出 FRP具有耐腐蚀性、耐瞬时高温性、传热较慢、防水、容易着色、易成形、可设计性强、品种多样等特点,主要应用于汽车领域车身壳体、天窗、前后保险杠、前端支架、座椅骨架、挡泥板、车顶盖、以及车内饰件等。王玲等指出长维热塑性塑料复合材料应用于汽车领域对于降低汽车重量、提高燃油效能、减少废弃排放有着重要效果。

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