國內汽車復合材料應用現狀與未來展望

鄭學森
(北京汽車玻璃鋼有限公司，北京102101)

摘　要：闡述了汽車復合材料的應用順應了國際汽車的節能、環保和安全的房展方向。回顧了復合材料在我國汽車零部件開發中的發展歷程。詳細介紹了當今復合材料在轎車(含suv)、載貨車、客車等各種車輛及汽車工業相關領域的應用現狀。展望了復合材料在汽車部件中將不斷開發的新應用?？偨Y我過汽車復合材料的發展舉措。
關鍵詞：汽車；復合材料；回顧；現狀；展望

0　前　沿

　　汽車工業是我國國民經濟的重要支柱產業之一，近幾年來已取得迅猛的發展。汽車工業的快速發展導致了汽車保有量的急劇增加，同時也給社會帶來了三大問題：能源缺乏、環境污染、安全問題。汽車節能、環保、安全既是國際汽車技術的發展方向，也是我國產業政策的要求。
　　減少燃料消耗和降低對環境的污染已成為當今汽車工業發展和社會可持續發展急需解決的關鍵問題：(1)實現汽車輕量化，是節省能源的有效的途徑之一，也是國際先進汽車制造商所追求的重要目標。汽車輕量化一方面決定于材料工業的發展，另一方面取決于提高汽車性能。采用高性能輕質材料時實現汽車輕量化的一條重要途徑，如選用鋁、鎂、鈦等合金、高強度鋼、工程塑料和復合材料等，用以制造汽車車身、底盤、發動機等零部件，可以有效地減輕汽車自重，提高發動機效率。據估計，汽車重量每減輕10％，就會節省6％～8％的燃料。(2)減少空氣阻力是有效改善汽車燃油經濟性的途徑之一。為了減少空氣阻力，國內外研制開發造型獨特的流線型車身及裝置，在增加車身的流線型和整車美觀度的同時，在保證車輛的高速性能的前提下起到進一步減少風阻和節約能耗的作用。
　　作為構成汽車的以塑代鋼的重要輕量化材料――玻璃鋼／復合材料，與汽車節能、環保、安全有著密不可分的關系。采用玻璃鋼／復合材料制造汽車車身殼體及其他相關部件，是使汽車輕量化有效的途徑之一；玻璃鋼／復合材料的問世，為汽車造型設計提供了重要的變革條件，利用其設計自由度大和成型方便的特點為汽車產品的造型、功能增添了新奇與美感，實現汽車車身流線型的設計理念；同時，玻璃鋼／復合材料還具有安全、低噪音、保溫隔熱等優良性能。由于汽車的質量減輕，滾動阻力減少，進而收到降低油耗、節約能源、減少環境污染以及保證安全等一系列效能。
　　自從1953年上部FRP汽車――GM Corvette制造成功以后，玻璃鋼／復合材料即成為汽車工業的一支主力軍。當前，作為新材制前沿的復合材制逐步替代汽車零部件中的金屬產品和其它傳統材料，并取得更加經濟和安全的效果。玻璃鋼／復合材料汽車零部件主要分為三類，即：車身部件、結構部件及功能部件。

1　復合材料在我國汽車零部件開發應用的歷程回顧

　　零部件工業是發展汽車工業的基礎。沒有強大的汽車零部件工業，就不可能有強大的汽車工業。汽車復合材料作為汽車零部件應用的一個分支，它伴隨著我國汽車工業的發展而興起、成長。我國汽車復合材料的發展主要經歷了3個階段，在各個階段扮演著不同的角色。
1.1　汽車復合材料應用的初步興起階段
　　從20世紀50年代我國汽車工業興起開始一直延伸到20世紀80年代末為止。這一階段，汽車復合材料主要以手糊工藝為主，總的來說是批量小、質量差、應用少。
　　生產玻璃鋼／復合材料汽車零部件的廠家多為業內專業廠家，由于認識上的問題，在很長一段時間內在汽車零部件開發方面存在許多差距和不足。早在20世紀50年代，我國即以手糊成型工藝試制玻璃鋼／復合材料汽車部件；60年代中期己在汽車制造中正式應用；至70年代初，國內不少廠家已采用玻璃鋼／復合材料生產各種型號的客車外飾件。但是一直以來復合材料技術相對落后，大多采用了手糊成型工藝，長期以來停留在初級水平，工作效率和制品性能等受到很大的局限性。
　　上世紀80年代后期，“全塑汽車”的概念曾經在國內汽車界轟動一時，典型例子為原北京汽車公司等生產的全玻璃鋼車身。由于糊玻璃鋼工藝效率和質量狀態的局限性，許多玻璃鋼／復合材料整車身車型不能形成工業化生產，甚至終不得不退出市場競爭。
1.2　汽車復合材料應用的探索成長階段
　　從20世紀90年代初至2001年底我國加入WTO為止。這一階段，隨著我國汽車工業由載貨卡車為主體的生產體系向輕便車、轎車為主體的生產體系發生的戰略轉移，隨著其國產化進程的不斷加快，在處于提高質量與數量、取代進口、打翻身仗的關鍵時刻，玻璃鋼／復合材料在我國汽車工業中的應用廣度有了突破。
　　該階段，中美合資北京吉普汽車有限公司生產的XJ系列切諾基吉普車的后舉升門總成、前散熱器罩和座椅骨架等部件；南汽引進的依維柯S系列商務車的保險杠和頂蓋等部件；一汽引進德州大眾公司奧迪100中級轎車中的后保險杠背襯、右側煙道隔離板、行李箱和備胎廂等部件；東風汽車公司利用引進日產技術開發的8t平頭柴油車系列車型的輪罩和前圍板等部件；以及原重汽集團引進的斯太爾重卡系列的面罩、遮陽罩和導流罩等玻璃鋼/復合材料零部件均陸續實現國產化生產配套。此外在一些國產車型的改進和更新過程中，也加大了玻璃鋼／復合材料在相關部件開發中應用力度，如BJ212吉普車的電瓶托盤和硬頂；CA141貨車發動機部件中的挺桿室蓋板、機油濾清器外罩、通風閥總成等：CA140-2貨車的水箱面罩和保險杠；輕騎摩托車的擋泥板和頭盔：南方摩托車的機油泵蓋總成等。
　　該階段，越來越多的車型采用了玻璃鋼／復合材料部件，而且作為以塑代鋼的理想材料已被汽車工業部門逐步認識，初步形成汽車復合材料的概念。盡管手糊成型工藝依然在生產某些汽車零部件領域還占主導地位，但已出現精品化生產趨勢，而SMC、BMC、RTM等先進材料和工藝的應用推廣也具有相當迅猛之勢，并在某些力面實現了對手糊工藝的完全替代，形成一定的批量生產能力，質量上得到明顯提高，應用范圍有所擴大。
1.3　汽車復合材料應用的快速發展階段
　　從2002年至今。我剛加入WTO以后，隨著整車生產政策的調整，汽車零部件進口關稅的大幅度降低，國外資本與技術引進進一步加速。隨著知識經濟和經濟化步伐的加快，開始反思“以生產換技術”的做法，具有自出知識產權的民族品牌的車型如雨后春筍般涌現。我國汽車工業進入了歷史性的快速成長時期，形成以轎車、載貨車、客車并行上升的局面，大踏步向汽車大國邁進。
　　該階段，受國內汽車工業大發展的影響，汽車復合材料企業也在不斷增加，并在國內形成多個區域性的汽車復合材料零部件產業群和多個具備規?；芰Φ钠噺秃喜牧蠈I化廠家。同時，國外汽車復合材料企業隨著諸多國外汽車零部件廠家進入，激勵著國內企業的革新與創新。通過技術引進，激勵著國內企業的革新與創新。通過技術引進與消化吸收以及自主研發創新能力的提高，SMC／BMC、RTM、噴射以及短纖維增強熱塑性塑料技術等進一步融入和成熟，并形成了一定的規?；a技術與能力，零部件質量大幅提高，汽車主機廠對汽車復合材料認同度大大增強，同時，GMT、LFT和新能源汽車用氣瓶的纏繞技術等得到了一定的發展，進一步提高了汽車復合材料工藝技術，拓展了汽車復合材料零部件的應用廣度與深度。

2　我國汽車復合材料的應用現狀

　　我國汽車復合材料的大規模應用始于引進車型上，也在自主開發的一些車型上得到發展，尤其在近幾年來取得了長足進步，但總體來說與發達尚有距離。據估算，目前我國玻璃鋼／復合材料年產量已接近200萬t，但汽車復合材料的年用量僅為10萬t左右，所以比例較小，而且由于汽車復合材制廠家普遍規模較小，存在創新發展能力不足的問題。
2.1　復合材料在轎車(含SUV)方面的應用現狀
　　目前我國轎車生產仍以進口車型為主，主要可分為美系、歐系、日系、韓系。另有一些完全的自主品牌，如奇瑞、吉利、長城、獵豹、華普、華晨等。進口車型的復合材料部件基本沿用原廠設計，部分實現本地化生產配套，但相當一部分部件依然需要進口；而國產品牌轎車上復合材料部件還較少使用。
　　近年來，復合材料在國內轎車和SUV車型中的新應用實例分別見表1、表2。

2.2　復合材料在載貨車方面的應用情況
　　近年來國內載貨車技術得到很大的提高、優化與改進，同時隨著國民經濟的高速發展帶來的市場驅動載貨車產量的不斷攀升，玻璃鋼／復合材料在載貨車中取得了突破性的應用。
　　近幾年來，國內新老汽車制造商相繼推出新的中／重掣載貨車車掣，這些都成為汽車復合材料應用的新亮點與增長點，表3列出了一些具體的應用實例。

　　而近年來，國內輕型載貨車和皮卡車市場增長沒有中／重型載貨車火爆，而且汽車復合材料零部件開發與應用相對要少得多，但也不乏應用案例。如：北汽福田奧鈴輕卡系列的SMC前翻轉蓋板、FRP導流罩；北汽福田歐碼可輕卡系列的FRP導流罩；躍進輕卡系列的SMC輪眉與側裝飾條、FRP導流罩；解放輕卡系列的GMT腳踏板、發動機BMC導風管和SMC罩蓋；東風多利卡輕卡系列的SMC前圍面罩、外側板與輪罩及FRP導流罩；東風小霸王輕卡的SMC保險杠；江鈴輕卡系列的RTM側防護板、擋泥板和FRP導流罩，廂式貨車的手糊FRP廂體；江淮輕卡的FRP導流罩，等等。部分皮卡車型使用了FRP保險杠，如保定長城“迪爾”等。
2.3　復合材料在客車方面的應用情況
　　近年來，玻璃鋼／復合材料在國內大型豪華客車中繼續得到進一步的拓展應用，幾乎囊括所有廠家的所有車型，如：鄭州宇通、廈門金龍、蘇州金龍、西安西沃、上海申沃、上海雙龍、安徽安凱、北京客車、神馬巨鷹、深圳尼普蘭、中通客車、桂林大宇、亞星-奔馳、丹東黃海、天津伊利薩爾、北方尼奧普毫、金華青年等。涉及應用部件有前后圍、前后保險杠、翼子板、輪護板、踏步圍板、行李箱門板、裙板(側圍板)、后視鏡、儀表板、倉門板、空調項置殼體等。由于此類客車部件類多、較大、量小，一般采用手糊／噴射或RTM 工藝成型。另有部分庫椅采用SMC、RTM或手糊工藝制作，如申沃客車座椅、雙龍巴士連體座椅等。一些長途旅游客車或房車，其衛生間都采用手糊FRP制作。
　　在中型客車中，玻璃鋼／復合材料也有進一步的應用。如：南京依維柯都靈v系列車的SMC豪華面罩、電動門總成、三角窗總成、后行李廂門總成和BMC前大燈和霧燈、FRP后圍總成等。
　　近年來，玻璃鋼／復合材料在微型客車領域應用有所增加，而且有應用SMC、RTM 工藝逐步替代傳統手糊工藝的趨勢。
2.4　復合材料在汽車工業相關領域的應用情況
　　(1)  汽車發動機部件。隨著雷諾、沃爾沃、康明斯等國際知輯發動機制造商進入進行合資建廠或技術合作，氣門罩蓋、油底殼、噪音隔離罩、輸入管、進氣歧管等功能性部件開發應用需求大，大部分采用了SMC或玻纖增強PA材料?，F已有成功開發應用的案例。
　　(2)  新能源汽車氣瓶。國內的CNG/LPG高壓氣瓶先應用于公交車，并正在向轎車、卡車等推廣應用。相當一部分氣瓶采用FRP或FRTP纏繞成型，包括全復合材料結構氣瓶、金屬內襯(如鋼內膽結構、無焊縫鋁合金內襯)和塑料內襯(如高密度聚乙烯)復合材料氣瓶等。目前國內以開發金屬內襯復合材料CNG/LPG氣瓶為主，“十五”期例產量逾14萬只，部分產品直接出口。
　　(3)  拖拉機部件。約翰?迪爾天拖有限公司采用RTM制作內外頂棚、左／右外擋泥板等部件。
　　(4)  公路交通設施。高速公蹄防眩板大多采用SMC制作；高速公路防撞立柱部分采用SMC或拉擠工藝制作；公路收費站隔離墩部分采用手糊工藝制作。
　　(5)  工程機械部件。山東工程機械廠、徐州工程機械廠、天津美卓戴納派克公司等生產的工程機械，其機蓋總成和側圍大多采用手糊FRP或RTM 工藝制作。

3　復合材料在我國汽車工業中應用未來的展望

3.1　我國汽車工業快速發展給汽車復合材料發展帶來的機遇與挑戰
　　統計數據顯示，2006年我國汽車產銷量突破700萬輛，2007年達到888余萬輛，巨大的市場需求不僅使成為繼美國之后的第二大汽車消費市場，還成為僅次于美國和日本的第三大汽車生產國。隨著國民經濟繼續保持較快增長的態勢，今后我國汽車上業仍將穩步上升?！笆晃濉币巹?，要把我國汽車行業建設成為創新型產業，由汽車大國發展成為汽車強國。
　　當前，汽車產業而對著原材料漲價和成車降價雙重成本和市場競爭壓力，用戶對汽車產品的安全性、舒適性和個性化提出的越來越高的要求，社會對環保也更加關注，現有的原材料資源日益匱乏和與此有關的越來越嚴格的法規要求，促使了國內汽車產業的重大變革和產業升級。而隨著汽車產業規?；a的發展，汽車產業內部和零部件企業之間的分工協作不斷細化和深化，形成汽車產品全過程專業化分工的生產體系，有力推動了汽車產業的變革。同時，期望汽車廠家“整合資源，形成拳頭，形成效益”，也將促使汽車零部件企業的整合調整和優勝劣汰。
　　當前國內汽車零部件技術發展的通用化、模塊化、輕量化、環?；融厔菰絹碓矫黠@。
　　(1)  通用化技術趨勢。當今汽車發展的一個顯著特點是產品多樣化、更新快。為尋求規模經濟與多樣化、個性化的平衡點，汽車企業不斷縮短新產品開發周期，加快新產品推出，紛紛推行產品開發的平臺戰略。同一平臺，從一種車型到另一種車型只需扣一個不同的外殼即可。而復合材料作為汽車表面覆蓋件的重要替代材料之一，可以充分利用其一次成型、開發刷期短、前期投入少等特點適應汽車企業平臺戰略的需要。
　　(2)  模塊化技術趨勢。模塊化思想貫穿在汽車的開發、工藝設計、采購和制造等環節的全過程之中。模塊化生產，即是以一個零件(或部件)為中心將劇邊的零件組合在一起經一次成型加工而成，這樣可以減少許多制造工藝和模具數量，進而降低整車的生產成本，使汽車在市場上有強大的競爭能力。近年來，在歐美發達，復合材料在促進汽車零部件模塊化設計和生產方面取得了長足發展，也將促進復合材料在國內汽車零部件模塊化設計和生產技術的應用深度。
　　(3)  環保化技術趨勢。我國高度重視資源節約和環境保護。汽車業的節能減排，是擺在行業和企業面前的一個嚴肅話題。未來的汽車與現在的汽車在很多方而不會有太大的區別，但設計思想會有很大不同。當今社會，人們目光的角度已逐漸轉到人與自然的關系問題上，環境與能源問題成為上每個能否生存和發展的關鍵。綠色汽車已經成為未來汽車發展的必然趨勢。在原材料選用上，進一步開發輕量化替代材料，并更加關注整車可回收材料的比例。復合材料作為與傳統汽車材料競爭的替代材料，將在汽車環保化方而起到更多的作用，同時也會促使汽車復合材料工藝技術和回收技術的發展。
　　(4)  輕量化技術趨勢。輕量化依然是未來汽車重要的發展方向之一，而汽車輕量化實際上就是零部件的輕量化。2008年底，汽車輕量化技術創新戰略聯盟成立，旨在通過減輕汽車自重來實現節能減排目標。該聯盟的長期目標是：開展汽車輕量化材料應用共性關鍵技術研究，攻克和自主掌
握輕量化關鍵技術，提升汽車行業輕量化材料應用水平。復合材料作為輕質高強、以塑代鋼的重要材料將在汽車輕量化技術推進過程中成為主流材料。
3.2　我國汽車復合材料的應用展望
　　汽車工業的發展日新月異，復合材料的研究也是一日千里，各種新型的車型、新式的材料不斷地涌現。作為新材料前沿科技的復合材料，必將在其中扮演怍常重要的角色。可以預測在不久的將來，更高性能的復合材料將更大范圍地應用在汽車領域中。
3.2.1　車身外覆蓋件應用
　　(1)  引進轎車車型的保險杠、天窗、后背廂蓋、后舉升門、備胎廂等復合材料部件，以SMC工藝為主，將越來越多地實現本地化生產，并將在國內自主開發車型中推廣應用。
　　(2)  SUV車的大包圍部件及其他車身部件將更多地選用玻璃鋼／復合材料，以手糊工藝為主并將逐步向RTM、SMC工藝過渡。
　　(3)  玻璃鋼／復合材料在國外引進或自主開發的中重型載貨車駕駛室車身部件和客車車身部件方面的應用將持續保持良好的增長勢頭，依然以SMC工藝為主，并輔助RTM、噴射等工藝。
　　(4)  以BMC注塑為主導的車燈反射罩部件應用比例將繼續增加。
　　(5)  以SMC和玻纖增強熱塑性塑料為主導的轎車尾翼(擾流板)、以RTM、SMC和復合增強PU材料為主的載貨車導流裝置(包括導流罩、導流板、側護板)將鞏固絕大多數的地位。
    (6)  為滿足娛樂休閑需要的改裝車市場對FRP大包圍、尾翼、天窗等部件的需求量也將有增無減。
3.2.2　內飾件與結構件應用
　　(1)  目前國內汽車儀表板一般采用PP、PC、ABS、ABS／PC等一次性注塑成型，但從國外發展趨勢看，采用玻纖增強PP、AS或PPE成型儀表板和使用LFT等復合材料作為儀表板骨架都是不錯的選擇。
　　(2)  考慮到輕量化，現在也有用玻璃纖維增強PA替代鐵芯作為方向盤骨架的趨勢。
　　(3)  轎車車內頂棚使用玻纖增強TPO發泡復合成型的也將增加。
　　(4)  對于引進轎車車型的保險杠骨架、座椅骨架、前端支架、內頂棚骨架、地板等高強SMC、GMT、LFT部件將越來越多地實現本地化生產，并將逐步向其他車型相關部件或其它部件拓展應用。
3.2.3　功能部件應用
　　(1)  隨著節能減排要求的提高，具有隔音降噪功能的SMC或玻纖增強PA66、PA6或PPS等復合材料將在發動機內部件(如氣門罩蓋、油底殼、進氣歧管、隔音罩蓋等)中得到更大的應用，據測算其應用需求增長速度將大于20％，并將陸續實現本地化生產。
　　(2)  暖風機、空調是汽車重要的功能部件，其總成大部分是由塑料注塑或吸塑而成，選擇玻纖增強熱塑性塑料成型是一個發展趨勢，其殼體采用玻纖增強PP注塑而成，轉動板、臂、撥叉、齒輪等連接件則是采用玻纖增強PA66注塑而成。
3.2.4　新能源汽車應用
　　(1)  隨著NPG/LPG等汽車新能源的開發，將極大地推進復合材料氣瓶的開發與應用，將在目前60％市場占有量的基礎上進一步繼續提高。
　　(2)  國內電動汽車的開發正如火如荼地開展，其車身部件乃至整車身都選擇了玻璃鋼／復合材料。
　　(3)  目前以氫氣為能源的新能源汽車開發也已提上議事日程，復合材料也將成為未來氫氣氣瓶的選材料。
3.3　我國汽車復合材料的發展舉措
　　面對我國汽車工業良好的發展勢頭，汽車復合材料企業需要抓住機遇，迎接挑戰，努力創造自己的生存和發展空間。重要的是，必須依靠復合材料的產品、技術、工藝與應用發展創新來提升核心競爭力。
3.3.1　加強多方合作，形成產品設計和材料開發聯合體
　　為適應汽車零部件通用化、模塊化、環?；洼p量化等技術發展的趨勢，需要汽車復合材料企業與汽車設計／制造商的合作更加緊密與同步，結合復合材料的特點和優勢，優化產品結構設計和材料工藝選擇。堅持走共同設計和同步工程的道路，豐富并完善汽車復合材料產品設計、仿真模擬和有限元分析等軟件與技術，幫助獲得合理的產品解決方案。通過自身能力的提升，形成具有設計、開發、制造和服務等全方位功能的規模大、能力強的零部件供應商。
　　21世紀的高性能復合材料技術是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。通過與汽車設計／制造商、原材料生產企業的多向合作，形成新村料開發研究聯合體，協調新材料及新產品的開發工作，構筑材料、成型加工設計、檢查一體化的材料系統，形成聯盟或集團化的組織系統，這將更充分地利用各方而的技術資源和物質資源，緊密聯系各方而的優勢，實現風險轉移與化解。
3.3.2　加強技術創新，在業內形成良性的競爭態勢
　　汽車復合材料企業要繼續注重國內外先進技術的消化和吸收，加快產業現代化進程。汽車復合材料企業作為技術開發的主體，堅持以“料(材料)、機(設備)、模(模具)、技(工藝)”四位一體的開發模式，在企業內部開發出構成核心競爭力的技術，走自我發展的道路。在不斷滿足汽車制造商持續提高的需求前提下，提升產品品質，提高生產效率，降低綜合成本，實現節能降耗，實現玻璃鋼／復合材料企業與汽車制造商之間的雙贏，實現玻璃鋼／復合材料企業之間的多贏，做大做強，逐步走上良性發展的競爭態勢。
3.3.3　推動標準化、環?；?，開創汽車復合材料的新天地
　　作為汽車零部件供應商，從自身的專業優勢出發，積極配合汽車制造商的需求，供應配套用零部件。緊緊依靠企業的不斷創新，走專業化發展道路，提高汽車復合材料零部件檔次和工藝技術水平，推廣應用新材料、新技術、新工藝、新方法，充分發揮自己的資源優勢和技術優勢，揚長避短，注意創新，完善汽車復合材料零部件設計、開發、制造、服務等全過程的管理機制，把汽車復合材料零部件做好、做精、做專，形成有特色的、有競爭力的汽車復合材料領域。
　　在相關行業協會的指導下，積極配合汽車企業涉及汽車復合材料零部件的標準化建設，以及第三方質量監督認可制度的完善與實施。依據ISO／16949汽車行業質量管理體系、ISO14001環境管理體系、OHSAS18001員工職業健康管理體系等國際標準要求，進一步推進企業內部管理標準、工作標準、技術標準等企業標準的完善，運用大質量概念強化以過程控制與能力分析為主導的質量管理機制，消除綠色環保、健康安全等非貿易性技術壁壘，更好地參與國內國際競爭。
　　通過汽車復合材料企業的不斷技術創新與管理創新，提高產品質量的穩定性和可靠性，提升汽車復合材料零部件產品的外觀、精度和功能，更好地適應汽車企業對零部件與整車的設計、加工、裝配及終端使用者的相關需求，拓展汽車復合材料的應用廣度與深度。
　　汽車復合村料企業要加強循環經濟的實踐，通過內部管理與技術改進，減少廢棄物的排放，增加綠色材料應用；在相關環保政策的引導下，在汽車工業協會和復合村料工業協會等行業協會的指導下，積極配合與推進復合材料綜合處理與再生技術與應用研究，重點發展物理回收(粉碎法)，人力拓展再生利用材料在建筑中的應用、在石膏中的應用、在拉擠型村中的應用、在SMC／BMC模壓制品中的應用和典型工程塑料制品中的應用。