復合材料在重型卡車中的應用

孫巍，宋修宮，翟國芳。
(1.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢430070)(2.北京汽車玻璃鋼有限公司，北京102101)

摘　要：復合材料與金屬材料相比，具有熱脹系數低、比重小，比強度高、比模量高、隔熱消音、可設計性強等諸多優點，因此被廣泛地應用于重型卡車的結構件件、覆蓋件，既提高了結構強度，又降低了成本和油耗。本文綜述了復合材料的優點及其在重型卡車中的具體應用，并對未來的卡車進行了預測。
關鍵詞：復合材料；低密度；低成本；可設計性

1　前　言

　　復合材料是隨現代科學技術發展而涌現出的具有強大生命力的高技術新材料，它是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質，通過不同工藝制備出來的一種多相材料，主要由增強材料與基體材料組成。
　　二十世紀五十年代，西方一些工業發達就制造了各種汽車的零部件。到了七十年代，出現了高強度玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等高性能增強材料和耐高溫樹脂基體，從而制造了性能更高的先進復合材料，因此得以迅速發展。隨著復合材料制造技術的不斷進步及其用量的迅速增長，其應用領域也在不斷擴大。八十年代初，開展了復合材料技術在汽車工業上的應用研究，復合材料也從制造簡單的汽車非承力構件發展到了制造承力構件。八十年代后期，由于各同對汽車節能和環保意識的不斷提高，要求汽車具有能耗低、安全可靠、機動性強、速度高等特點，這促使汽車制造商除采用新的設計構思外，還須采用先進復合材料。他們先后研制了先進復合材料驅動器、板簧和仝復合材料車身等制品，產量也迅速增大。
　　重型卡車是現代交通運輸的重要工具，批量小、體積大、結構復雜、換型快。由于復合材料具有重量輕、制造成本低、零部件的集成度高等特點，重型卡車是復合材料應用的極佳領域，并且潛力很大。

2　復合材料與金屬材料的特點比較

2.1　熱膨脹系數低
　　復合材料的熱膨脹系數比金屬材料和塑料都低，而日通過合適的鋪層沒計可使熱膨脹系數進一步降低，利用這一特點可制造一些尺寸精密、穩定的構件。這就使得復合材料制品具有較好的表面，例如SMC制品可達到A級表面，優于金屬材料，而且可以實現在線噴漆，其高承受溫度可達200℃，大大減少了工藝程序，提高了生產效率。
2.2　比重小，比強度、比模量高
　　復合材料的比重、強度和模量與常用的金屬材料，如鋼、鋁、鈦相比較，見表1所示，其力學性能突出，這對其在汽車中的應用很有價值。
　　從表中可以看到，復合材料的比重明顯低于金屬材料，滿足了車身輕量化的要求，既可節能，又可減少污染。傳統的汽車車身以薄鋼板為主，不能適應人們高速與輕量化的需求，為減輕其重量、改善風阻系數和降低油耗，許多汽車廠家都積極研究和利用新材料以達到上述要求，而復合材料在重型車身輕量化中充分發揮了其優異的性能。隨著新型復合材料研究不斷深入，以及復合材料制備技術的不斷進步，復合材料在高性能和輕量化進程中的作用必將更加突出。

2.3　減震性好、隔熱消音
　　復合材料減震性好、隔熱消音、碰掩回彈性好，多用于室內、外飾件及承重構件、功能件上。復合材料的特點之一是抗沖擊韌性好，能吸收沖擊能量，用于制造車的前后保險杠，利用其無可比擬的抗沖擊性能和彈性回復性能，在發生車禍時可以大大降低對人體的傷害。由于復合材料具有隔熱的作用，可保持車室內的溫度，給人以舒適的感覺。
　　此外，汽車在行駛時要發出很大的噪音，這主要是由油箱和發動機產生的。復合材料具有很高的阻尼特性，其阻尼性能是金屬材料(如鋁、鋼)的十倍以上，如圖1所示，因此廣泛應用于汽車的這些部件中。據報道，對一輛開動的汽車來說，復合材料油箱可使其噪聲降低9分貝，復合材料發動機罩可使其噪音降低15～20分貝，起到明顯的消音降噪效果。復合材料板簧有著與四層鋼板彈簧一樣的回彈速度，不但質量比鋼板彈簧輕4～5倍，還能有效地抑制聲音振動、延長使用壽命。

2.4　成本低，可設計性強
　　多部件一體化是降低成本的有效途徑，在中等批量生產的車型中用復合材料取代鋁材可以降低成本40％左右，可縮短從產品研制到形成批量生產的開發周期。復合材料與鋼鐵相比占有明顯的優勢。如表2所示，在汽車制造中采用復合材料，可使汽車質量得到進一步提高，成本和重量都有所降低，零部件數量也明顯減少。

　　復合材料的可設計性很高，通過改變纖維、基體的種類及相對含量、纖維排列方式、鋪層結構等可以滿足復合材料結構與性能的各種要求。復合材料制品的制造多為整體成型，如圖2所示，老式福特全順汽車車頭需要19個金屬部件和一個塑性部件，而新式福特汽車只需一個SMC構件，而不像以前那樣需要焊、鉚、切割等二次加工，工藝過程大大簡化。由于是一次成型，不僅減少了加工時間，而且零部件、緊固件和連接件的數目也隨之減少，使結構更加輕量化。

3　復合材料在重型卡車中的具體應用

　　由于復合材料具有耐腐蝕、比重小、高比強、成本低、可設計等很多優點，因此在汽車中廣泛地應用。目前在重型卡車上的主要應用部件包括以下幾類：
　　(1)懸架零件，如前保險杠、后保險杠；其中，Volvo FH／FM系列、Man TG-A、一汽解放系列，重汽的德龍／奧龍系列、福田的歐曼系列等重型卡車的保險杠都有使用；
　　(2)車身及車身部件，如車身殼體、硬殼車頂、車門、前端板、導流罩、翼子板、備用車輪箱、發動機罩等；其中，雷諾公司的Premium、Midlum等車型前端面板均為SMC材料；ManF2000型卡車的前端面板、翼子板、導流板等由SMC制戒；梅賽德斯-奔馳卡車上也大量使用了SMC材料。
　　(3)發動機部件方面，70年代開始用于發動機輕微受力的部件，如排氣扇和空氣清潔部件，80年代中期開始使用于發動機的主要部件如氣缸頭罩，目前使用復合材料的零部件包括：熱蒸發器葉輪，風扇護罩，空調器殼，曖風殼和暖風接頭，發動機室，發動機擋板，發動機罩和發動機罩的遣氣道等。
　　(4)車內裝飾件，如內飾板、儀表盤、轉向桿部件、座椅骨架。其中保險杠、車頂、前臉部件、發動機罩、儀表板、發動機隔音板、前后翼于板等部件為重要，應用量也大。

4　結束語

　　復合材料具有優異的性能，提高了材料性能，延長使用周期，加強了使用功能，已經廣泛地應用于各式卡車中，滿足了人們目前的需求。但汽車工業的發展日新月異，復合材料的研究也是一日千里，各種新車型、新材料也不斷涌現。未來的卡車與現在的卡車不會有太大的區別，但設計理念會有很大不同。
　　隨著人們環保意識地不斷提高以及各國環保法規的相繼出臺，綠色卡車將成為未來卡車發展的必然趨勢，因而如何使卡車滿足環境保護的要求便提到了汽車生產商的議事日程上來。而復合材料作為未來卡車材料發展的主要方向之一，必將在其中扮演非常重要的角色?？梢灶A測，在不久的將來，更高性能的復合材料將更大范用地應用在卡車領域中，從而推動汽車工業的發展。