汽車復合材料的歷史和現狀
作為一種新型的輕量化材料，樹脂基復合材料正日益成為汽車制造業中的新寵。特別在小批量車型應用領域，它可謂一枝獨秀，成為歐美汽車制造商開發新車型的選材料。那么，復合材料在汽車制造業中具有多長的應用歷史？占據什么地位？其工藝技術是否已趨于成熟？應用現狀又如何？這些都是國內眾多從事和關注汽車輕量化、從事和關注汽車復合材料的同仁們希望了解的。本文從復合材料的歷史和現狀兩方面作一介紹，以饗讀者。
汽車復合材料的歷史
自開始制造汽車以來，復合材料，包括天然復合材料和人工合成復合材料便以各種形式應用于汽車中。早在1908年，美國福特汽車公司款大批量開發生產的T型車，其引擎蓋就是采用天然復合材料——木頭制造而成的。其后，很多汽車的車身框架、車底板和汽車裝飾品等也均由木質材料制成。在汽車制造史上，復合材料被大規模地應用于汽車部件生產的一個典型例子是汽車的輪胎。眾所周知，輪胎的橡膠基體中含有大約50%的碳黑，它不僅使輪胎呈黑色，更主要的是，碳黑的加入顯著地提高了輪胎的耐磨性。通過在輪胎縱向方向加入纖維和鋼絲，還大大增加了輪胎的結構強度，這是典型的人工合成復合材料在汽車領域的應用案例。盡管現代輪胎的制造技術己取得了巨大進步，但從福特公司T型車誕生以來，輪胎的基本配方和結構形式卻一直都沒有改變。因此我們可以認為，汽車制造業的發展史，實際上也是復合材料在汽車上的應用史。當然，本文主要介紹的是樹脂基汽車復合材料，其歷史應該追溯到樹脂基復合材料誕生之后。
樹脂基復合材料（以下簡稱“復合材料”）自1932年在美國誕生以來，至今已有近75年的發展歷史。然而，其真正批量化應用于汽車工業則始于1953年。據資料記載，1951年，時任通用汽車公司車身設計負責人的Harley Early先生從通用汽車公司展示的玻纖增強復合材料概念車中得到啟發，他憧憬著有朝一日能夠設計出一款供批量生產的全玻纖增強復合材料車身的跑車，這款跑車可以結合所有歐洲汽車的優點。很快，他的想法得到了通用汽車公司副總裁Harlow Curtice先生的支持。1952年，通用汽車公司將一款原準備采用常規的鋼材制造的跑車改為采用玻纖增強復合材料來制造，并將原名“Opel”改為“Corvette”，Corvette的英文原意是“輕巡洋艦”，其涵義充分表達了輕型、快速和操控性強的設計理念。
批Corvette車身采用手糊工藝制作而成：先將剪切好的玻纖增強材料鋪設在開放式的模具內，然后通過樹脂浸漬、滾壓趕泡、固化反應及脫模等一系列工序制作完成，這在當時是一種全新的車身制造工藝。經過全員努力，1952年12月22日，通用汽車公司成功地完成了該車身的開發制造。
1953年1月17日，一輛锃亮的配有紅色內飾的白色Chevrolet Corvette跑車在美國紐約的Waldorf賓館次向觀眾展示（如圖1所示），這是上款全復合材料車身的兩座位跑車，這一天也因此成為了汽車復合材料史上值得永遠紀念的日子。1953年6月30日，批試生產的300輛Corvette車在美國的Michigan投產。1954年，其生產地被移至美國的St.Louis。從1984年至今，Chevrolet Corvette車型一直在Bowling Green生產。
當年誰也沒有預料到的是，Chevrolet Corvette車型現己成為復合材料汽車的典范。自1953年推出此款車型以來，通用汽車公司目前己經售出了130萬余輛。而更重要的是，作為上輛全復合材料車身汽車，Chevrolet Corvette引發了一場范圍內應用復合材料的熱潮：從車頭到車尾，從內飾件到外飾件，從A級表面的車身面板到結構組裝件，從皮卡車廂到發動機氣門蓋、油底殼，從傳動軸到板彈簧等部件，復合材料在各種汽車零部件的應用中均顯示出了無可比擬的優勢：更低的模具投資成本、更低的汽車重量、更高的設計自由度以及更高的零部件集成度等等，這些引起了汽車制造業對復合材料的廣泛關注。
追述復合材料在汽車工業中的應用歷史，至今己有54年，其成功案例已不勝枚舉。下面的一些典型案例簡要地概述了國內外汽車復合材料的應用發展史。
1、國外汽車復合材料的應用歷史
自1953年Chevrolet Corvette兩座位跑車作為上輛全復合材料車身的車輛被推出以來，在范圍內先后又有多款采用了復合材料的汽車問世：1963年，Studebaker公司推出了全復合材料車身的Avanti跑車，在1964年生產了1000輛之后停產；1970年，個格柵面板(GOP)應用于Pontiac公司的Tempest車型中，顯示了SMC材料部件良好的集成功能；1986年，Cummin公司開發的SMC氣門蓋成為個應用于發動機的引擎部件；1987年，Mercury Tracer公司展示了款高產量的復合材料保險杠，這是復合材料次應用于結構件；1989年，歐洲先采用纏繞法制成了復合材料壓縮天然氣(CNG)氣瓶，到目前為止，這種氣瓶已在全范圍內投入使用了至少80萬套以上；1992年，復合材料板簧在美國正式投入商業化生產，廣泛應用于重型卡車和牽引車上，重量僅為鋼材板簧的1/3；1993年，VW公司創Golf A3型汽車的GMT前端框架，日產量達到2000件；1995年，Ford公司的Taurus車型和Sable車型次采用了SMC散熱器支架，Lincoln Continental車型先采用了柔性的SMC翼子板；1997年，Corvette車型先采用了三明治結構的復合材料輕型車底盤，該輕型車底盤于2003年應用到Cadillac XLR車型中；2002年，Renault公司推出了Avantime車型，其車身的90%采用了SMC材料，整輛汽車使用的SMC材料達到90kg，大日產量為350輛（如圖2所示）；2003年，碳纖維的SMC復合材料先成功批量應用于2003款的Dodge Viper車型（如圖3所示）和mercedes Maybach車型的系列化生產中。
圖2 2002年Renault公司推出了全SMC車身的Avantime車
圖3 次批量應用碳纖維SMC的2003款Dodge Viper車
2、國內汽車復合材料的應用歷史
我國復合材料的研究和開發始于1958年，但復合材料進入汽車工業則比較遲緩，尤其是大批量、標準化應用的歷史更短。
在20世紀80年代后期到20世紀90年代末，“全塑汽車”的概念雖然曾經在國內汽車界轟動一時，但終究由于質量較差不能滿足汽車工業的要求而半途夭折。此后，國內陸續有一些汽車廠開發過全復合材料車身的客車車型，主要的工藝手段為手糊工藝，但都沒有形成工業化大生產的局面。
隨著以切諾基、依維柯、斯泰爾和桑塔納等各類引進車型在的陸續投產，的汽車工業才真正開始引入和接觸到與國際水平較為接近的塑料件和復合材料新技術。同時，汽車復合材料的歷史也開始有了實質的起步，迎來了以消化吸收為主要目標的新的發展時期，并在實踐中逐漸獲得了汽車工業的認可。
經汽車復合材料企業成功消化吸收并獲得國產化應用的范例有：1996年，南京依維柯汽車有限公司的IVECO小客車SMC前保險杠由北京汽車玻璃鋼制品總公司國產化供貨；2000年，北京吉普汽車有限公司的切諾基吉普車SMC后舉升門由北京汽車玻璃鋼制品總公司國產化供貨（如圖4所示）；2003年，重型汽車公司的斯泰爾王重卡SMC保險杠、面板等14種零部件由山東武城新明玻璃鋼制品有限公司國產化供貨；2004年，上海通用汽車有限公司的別克凱越車型GMT成套后座椅靠背骨架由上海耀華大中新材料有限公司國產化供貨；2005年，上海通用汽車有限公司的別克GL8車型GMT前保險杠緩沖器支架由無錫吉興汽車內飾件有限公司國產化供貨；2006年，上海大眾汽車有限公司的POLO、B5轎車GMT發動機底護板由上海耀華大中新材料有限公司國產化供貨；2006年，一汽-大眾汽車有限公司的寶來車型GMT前端框架由長春英利汽車部件有限公司國產化供貨；2006年，一汽-大眾汽車有限公司的寶來車型D-LFT車底部護板由長春英利汽車部件有限公司國產化供貨；2006年，上海大眾汽車有限公司的途安車型G-LFT前端框架由長春英利汽車部件有限公司國產化供貨；2007年，一汽-大眾汽車有限公司的邁騰車型GMT備胎倉由長春英利汽車部件有限公司國產化供貨。
圖4 北京 Jeep 2500車型SMC后舉升門
汽車復合材料的現狀
盡管復合材料的許多優點使其很好地適應了汽車工業的發展要求，但其存在的一些缺點也是現代汽車工業所不能容忍的，如：原材料成本較高、彈性模量較低、材料特性分散性大、生產周期較長、可回收性差以及高溫烘漆后易產生油漆爆破現象等。經過50多年的不斷探索和研究，近年來，復合材料的新材料、新工藝和新技術不斷涌現，從而在很大程度上使上述問題得以改善，促進了復合材料在各類汽車中的廣泛應用。據統計，在歐美一些，汽車復合材料的用量約占本國復合材料總產量的33％左右，并保持持續增長狀態。目前，復合材料在車身外覆蓋件上的應用已相當成熟，并開始向內飾件、半結構件及結構件等的應用方向發展。近年來，汽車復合材料在應用和技術改進方面都發生了哪些變化呢？
1、成本降低，效率提高，更具競爭優勢
在初級階段，由于原材料成本和制造成本均很高，加之生產效率低、質量穩定性差等缺點，汽車復合材料并不被汽車工業所看好，因此一般只被用于小批量的、質量要求不高的非結構件產品。隨著復合材料技術的不斷進步以及生產自動化程度的不斷提高，復合材料零部件的產量呈增長之勢。以SMC為例，在與鋼材的成本-產量進行對比的過程中，一個長期的研究數據表明，二者之間存在著一個交匯點，這個交匯點即為“基準產量”。當某種SMC產品的實際產量低于此基準產量時，其成本價格低于同類鋼零件，而超過此基準產量時，其成本價格則高于鋼零件。事實上，這個基準產量點是動態的，其總的趨勢是向上移動。據統計，20世紀70年代的基準產量約為3萬件/年，20世紀80年代的基準產量約為7萬件/年，到2000年則上升為15萬件/年。這表明，對于年產量在15萬件以下的生產規模，相比鋼材，SMC汽車復合材料更具競爭優勢，這在歐美已得到了證實（如圖5所示）。
圖5 SMC與鋼材的成本-產量比較
2、設計、制造更具科學性
復合材料是一種“可設計”的材料，即通過改變纖維或基體，可以在極大范圍內設計材料的性能。但是，以往用復合材料制造汽車零部件的過程卻經常使好的設計無法實現，或不能以合理的成本制造出來。例如，纖維在樹脂基體中得不到準確排列或均勻分散，以及材料的局部力學性能和化學環境不能有效控制，造成制品的材料特性呈分散性大的缺點等，這些都是汽車工業所不能容忍的。近年來，隨著一些相關的設計和開發軟件技術的進步，汽車復合材料的設計和制造變得更具科學性。如ESI集團公司和VISTAGY公司等相繼推出的汽車復合材料產品設計軟件、仿真模擬軟件和有限元分析軟件等，對提高汽車復合材料產品的質量、縮短成型周期以及降低生產成本等發揮了重要作用。目前，PAM-RTM成型工藝計算機模擬分析軟件己得到了廣泛應用，它能夠對RTM生產過程中樹脂的流峰、溫度、壓力場以及固化過程進行模擬預測，從而幫助獲得合理的注射方案并縮短生產周期。
3、以SMC為代表的熱固性復合材料更趨成熟
SMC是一種熱固性材料，是由不飽和聚酯樹脂、有機添加劑、碳酸鈣和短切玻纖等混合制得的一種片狀模塑料，是汽車工業中應用成功的復合材料之一。2000年，美國和歐洲汽車SMC的消耗量已分別達到SMC總產量的70%和42%。隨著SMC在汽車中應用范圍的不斷擴大，市場對SMC的要求也越來越高。近年來，各國在不飽和聚酯樹脂、有機添加劑、填料、玻璃纖維、模具、零件設計以及SMC的生產、成型工藝過程控制等方面都進行了廣泛的研究，并取得了重大進展，相繼推出了A級表面SMC、低壓SMC、低密度SMC、免噴涂SMC、增韌型SMC、耐高溫SMC及環境友好SMC等各種汽車用SMC復合材料，充分滿足了汽車工業發展的需求。2006年，德國Fraunhofer研究院與VW公司、DieffenBacher公司經過2年多的努力，推出了SMC直接在線混配、微波即時熟化連續成型生產線，從而將傳統的二步法SMC成型工藝創新為一步法成型，大大降低了SMC復合材料成型的生產成本和加工周期，這無疑為汽車工業擴大應用復合材料、促進汽車輕量化帶來了新的福音。
4、長纖維熱塑性復合材料呈快速發展趨勢
長纖維增強熱塑性復合材料(LFT)由于比沒有經過增強的工程熱塑性塑料、熱固性復合材料、鋼鐵或者鋁材等具有更優異的抗沖擊強度和耐用性、更低的重量和成本、更短的成型周期以及更好的可回收性，因此自20世紀80年代推出以來越來越受到汽車制造業的青睞（如圖6所示）。2002年，全LFT的產量已達到6萬t/年，并以30%左右的速度增長。就品種而言，PP占其中的56％，PA占其中的32％；就地區分布而言，歐美占到了總量的92％。2006年，僅歐洲的LFT用量就已接近14萬t。近年來，亞洲汽車工業的LFT用量也呈增長態勢。目前，LFT已在汽車的防撞內桿、前端框架、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉以及車底部護板等結構件和半結構件上得到了廣泛應用。據統計，在LFT的總消費量中，汽車工業就占據了其中的80% 。
圖6 汽車用長纖維熱塑性復合材料增長趨勢
5、碳纖維復合材料在汽車工業中嶄露頭角
碳纖維復合材料（CFRP）因其重量輕，以及具有高強度、高剛性和良好的耐蠕變性、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。實際上，早在幾十年前，就有專家曾預言，碳纖維復合材料將取代金屬用來制造汽車底盤結構件，現在這個預言已成為事實：2003款的戴姆勒-克萊斯勒Dodge Viper 運動車的底盤和車身外部構件就是采用CFRP制造而成的，它使汽車重量減輕了68%，從而使油耗降低了40％。另外，在該車的制造過程中，次實現了SMC模壓成型工藝的批量化生產，為此該項目還榮獲了2004年的SPE大獎；德國BMW汽車公司在其系列車型的制造中，持續采用碳纖維增強復合材料，其新的一個案例就是用CFRP制造的車頂。該車頂專門為歐洲新的M3 CSL車型而設計，是在BMW汽車公司的Landshut工廠中的條高自動化的碳纖維車身零部件加工生產線上制作而成。相比鋼制車頂，其重量減輕了13.2Lb（1Lb=0.4536kg），相當于鋼制車頂重量的一半；美國摩里遜公司采用CFRP為通用汽車公司的載重汽車配套生產出了汽車傳動軸，從而使原來通過中間軸承連接的兩根金屬傳動軸用一根CFRP傳動軸取代即可，它不僅減輕了60%的重量，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。
毫無疑問，隨著碳纖維制造工藝的不斷進步及其價格的不斷下降，用碳纖維復合材料大量替代鋼材制造汽車結構件、半結構件和車身，從而實現汽車真正意義上的輕量化己不是遙遠的夢想。
6、汽車復合材料的油漆爆裂問題已得到有效控制
通常，復合材料在經過油漆噴涂，特別是高溫油漆烘烤后，其表面會出現油漆爆裂或裂紋等現象，而且其概率比鋼制面板要高出4倍甚至更多，由此而帶來的返工修補不僅費時，還增加了成本。多年來，這一缺點使得復合材料在汽車工業中的應用受到了限制。為了解決這一問題，一些材料供應商進行了深入研究，并在2001～2002年期間取得了突破性進展：Budd公司的塑料部門和AOC樹脂公司合作推出了一種新型的、含有高性能密封劑的Atryl TCA堅韌型SMC專用A級表面樹脂；巴斯夫公司和Meridian汽車系統公司聯合推出了一種全新的紫外固化密封劑。這些技術進展從密封、防止縫隙產生的角度很好地解決了復合材料的爆裂及裂紋問題。數據顯示，經油漆噴涂后達到 A級表面的SMC部件，在放置幾個月之后，其油漆缺陷產生的概率很小，小到完全可以與A級表面的鋼材料面板相媲美。
7、汽車復合材料回收技術進一步提高
對汽車工業來說，復合材料的回收是一個具有戰略意義的問題。現在，人們已經解決了熱塑性汽車復合材料的回收問題，同時明確了熱固性復合材料屬于可回收材料的范圍。
目前，上回收熱固性汽車復合材料的方法主要有3種：通過焚燒回收熱能；通過熱降解回收可燃油和可燃氣體；通過物理粉碎法重新生成玻纖、填料和固化樹脂的混合物。其中，物理粉碎法是得到了廣泛認同的、為經濟和方便的回收技術。當然，不可否認的是，對熱固性汽車復合材料的回收仍然存在著一些問題，如：聚合物無法再次熔融和加工，增強纖維和填料的種類復雜而難以區分，回收物的經濟價值不高等。為此，各國汽車復合材料業仍在努力，并不斷取得新的進展。例如，意大利FIAT汽車公司建立了一種SMC的回收體系，即將SMC粉粹至粒徑小于50μm的粉末后，用作PVC汽車底漆的填料。初步計算結果顯示，如果每輛汽車平均使用7kg的PVC底漆，其中礦物填料為3kg，那么每輛新車可消耗大均2.5kg的SMC粉末，其所帶來的經濟效益不容忽視。此外，在歐洲，由復合材料企業發起組成了ERCOM復合材料回收股份公司的聯盟組織，目的是在歐洲范圍內開展SMC廢棄物的收集和回收工作，取得了很好的社會和經濟效益。如圖7所示，其具體做法是：
（1） 設立SMC廢棄物收集網點，并通過ERCOM移動式破碎系統為這些網點提供服務。這些經破碎壓縮后的廢料終被運回ERCOM回收工廠進行處理。據介紹，ERCOM回收工廠的年產能高達6 000t。
?。?） 與相關工廠合作，建立汽車復合材料部件的拆卸工廠。
?。?） 不斷完善相關的拆卸標準，推動標準的實施，保證回收物的質量。
?。?） 建立健全對回收物和SMC部件的質量管理體系。
（5） 建立實驗室，對采用SMC回收物生產的部件進行測試和檢查，確保產品的質量安全。
圖7 歐洲復合材料循環回收利用體系
8、將迎來汽車復合材料發展的良好時機
與歐美發達相比，汽車復合材料的應用歷史很短而且發展緩慢，技術水平低下，其原因是多方面的。先，在計劃經濟時代，復合材料隸屬于建材行業。由于行業之間缺乏交流，導致了的汽車工業一直以來就缺少復合材料這種技術資源。其次，復合材料行業從材料到工藝到裝備一直以來都沒有形成一個高水平的、完整的工業生產體系，難以滿足汽車工業發展的需求。改革開放以來，的汽車復合材料迎來了千載難逢的發展機遇。特別是自2000年以來，汽車復合材料的需求量每年以20%～30%的速率快速增長，其中長纖維增強熱塑性復合材料的增長速度更快。在汽車工業快速發展的過程中，輕量化、低油耗、高安全、減少污染以及降低制造和使用的綜合成本等日益成為汽車業界的共識，這無疑為輕質、高強、成本低廉及綜合性能優異的復合材料提供了前所未有的市場機遇?？梢钥隙?，的汽車復合材料將迎來嶄新的發展時期。
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