玻璃鋼復合材料將開啟我國汽車零部件市場
1 前言
復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。另外，納米技術逐漸引起入們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高
了材料的綜合性能。
2 開發汽車復合材料零部件的潛在商機
時下，汽車工業的化時代已經來臨，汽車廠家難以在一國范圍內完成汽車產業的全部采購，必然從過去依賴自身生產能力，轉向在范圍內配置資源。在汽車零部件采購的背景下，我國汽車零部件產業發展的春天來了。而目前受資源和環境因素的瓶頸制約，輕量、節能的零部件一直是 國際汽車工業的研究方向。其中，開發具有較高強度的輕質高性能新材料及設計新的輕量化結構，必然成為汽車零部件材料的佳選擇。據專家介紹，環氧玻璃鋼復合材料因明顯具有輕質高強、設計自由度大、不銹蝕、成型工藝性好等優點，成為汽車工業以塑代鋼的理想加工材料。目前，我國越來越多的車型采用了環氧樹脂基玻璃鋼／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，盡管手糊成型工藝依然在生產某些汽車零部件領域尚占主導地位，但SMC,RTM, GMT等先進材料和工藝的應用推廣十分迅速。
目前全民用復合材料的年產量已達550多萬噸，年產值達1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產品計入，其產值將更為驚人。從范圍看，復合材料的生產主要集中在歐美和東亞地區。近幾年歐美復合材料產需均持續增長，而亞洲的日本則因經濟一直不景氣，發展緩慢。但尤其是內地復合材料行業發展迅速。據PPG公司統計，2000年歐洲的復合材料占有率約為32％，總年產量約200萬噸。與此同時，美國復合材料在20世紀90年代則是年年增長，年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，為4%-60%不等。2000年，美國復合材料的年增長率為4%左右，年產量達170萬噸左右。美國復合材料市場的穩步增長主要歸功于汽車用復合材料的迅速增加。復合材料大量使用在汽車上，并使得美國汽車在市場上重新崛起。亞洲近幾年復合材料的發展情況與政治經濟的整體變化密切相關，各國的占有率變化很大。內地自從改革開放以來，復合材料發展迅速，年均增長率達8%-9%左右，隨著臺灣地區電路板生產基地向內地遷移，內地復合材料市場將會有更大的發展，2006年大陸復合材料總產量可達185萬噸。
當前，伴隨著我國汽車工業的迅猛發展，方興未艾的汽車零部件產業顯示出誘人的商機，而作為新材料前沿科技的復合材料，特別是性能優異的樹脂基復合材料必將成為這個新興產業的主導。隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復合材料的價格成本已被許多行業接受，但玻纖增強復合材料的強度僅是取代木材的好材料，尚不足以和金屬匹敵。為了取代金屬材料，碳纖維、硼纖維等增強復合材料相繼問世，使高分子復合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。
業內人士認為，“全塑汽車”時代即將來臨。上世紀80年代后期到90年代末，“全塑汽車”的概念曾經在國內汽車界轟動一時。北京、山東、浙江、重慶等地的汽車生產廠家，均生產過全環氧玻璃鋼車身。但基本上是手工糊制，檔次有待提高。東風客車公司采用手糊成型工藝生產的一款高速客車的全玻璃鋼車身，每輛消耗玻璃鋼約250公斤；北京汽車玻璃鋼有限公司采用手糊成型工藝生產駕駛室，全車身重量僅600多公斤。玻璃鋼／復合材料已在
轎車、客車、卡車中得到廣泛應用，如在轎車保險杠、車頂、車門、前臉大框、發動機罩蓋等外飾件，以及車燈反射罩、電瓶托盤等部件中得到廣泛應用。濟南重汽華沃生產的沃爾沃重卡的前端面板、左右角板、左右擾流板均采用SMC或RTM生產。黃河重卡改進車型的面罩、導風罩和前圍下護面采用SMC或手糊FRP材料制作。這主要緣于復合材料節省重量、節省燃油、制品集成度高、設計自由度高、投資費用少等優點。目前，各地已興起一批
汽車零部件生產基地，基體以不飽和聚酯樹脂為主。
汽車工業的迅速發展，給玻璃鋼／復合材料帶來了市場應用的潛在商機。當今汽車發展的一個顯著特點是產品多樣化、更新快。新的電子技術、計算機控制技術、新工藝技術等不斷進人汽車行業，同時人們個性化需求日益強烈，致使汽車的更新速度越來越快。實現汽車輕量化，降低燃油消耗，增加載重量，提高運輸效率，對于汽車工業的發展至關重要。近年來，作為新材料前沿的復合材料逐步替代汽車零部件中的金屬產品，并取得更加經濟
和安全的效果。福特汽車目前通過將汽車發動機蓋改成模塑件，可有效整合原來11個金屬部件，而這一款福特車的年產量是20萬輛。生產實踐和科學研究表明，玻璃鋼/復合材料是較為科學、理想的新型汽車零部件材料。在未來開發節能、環保的新車、快速改型換代、小批量投產方面，它將發揮重要作用。據統計，上世紀90年代歐洲、美國每輛汽車上應用的玻璃鋼/復合材料達到60公斤到80公斤，而目前我國國內每輛汽車上應用的玻璃鋼/復合材料平均還不到10公斤。
當前，產業政策的不斷調整，新車型不斷涌現，跨國公司汽車品牌的不斷本土化，零部件采購促進了我國汽車零部件產業的發展。而且，從汽車零部件發展趨勢來看，零部件正向著模塊化設計方向發展。零部件模塊化可以大大減少零部件組裝量，有利于增強汽車輪廓的流線性。而玻璃鋼／復合材料無疑為汽車輕量化和模塊化提供了前提條件，并逐步向結構復雜且大型部件方向拓展，促使汽車零部件開發和生產成本的進一步降低。隨著汽車輕量化的強烈要求，以及總體生產成本下降的需要，將促進新型玻璃鋼工藝技術的發展與完善。諸如真空輔助成型等新型工藝技術將在汽車零部件開發中扮演重要角色。先進的產業化汽車玻璃鋼／復合材料成型關鍵技術及其產業化應用，將是以后研究的重要方向。
業內人士認為，隨著汽車市場的國際化和競爭的加劇，汽車整車質量要求越來越高，成本要求越來越低。要處理好這對矛盾，只有通過玻璃鋼／復合材料企業不斷進行材料和工藝的改進與創新來實現。然而，目前我國整個工業體系構成尚不符合經濟規律。如我國汽車工業中整車生產企業就多達百余家，絕大多數均未形成一定經濟規模。這樣所需的玻璃鋼部件就無法采用SMC模壓法生產，只能以手糊法或RTM生產。而且，隨著國內汽車市場價格與國際市場價格并軌，必然導致零部件價格下降，這必將使得各個零部件生產商承擔一定的投資風險。零部件產業的發展與汽車產業發展現狀息息相關。當前，面對競爭激烈的汽車市場，國內汽車生產廠家均十分注重產品質量的提升。今后汽車整車質量要求越來越高，絕大多數整車生產企業將被兼并或淘汰。隨著國內汽車市場供需失衡的加劇，國內汽車及零部件行業也將面臨嚴酷的價格競爭。這種形勢就逼迫我國玻璃鋼／復合材料生產企業不斷進行材料、工藝和技術的改進和創新，向規模化和品牌化建設方向不斷努力。
3 樹脂基復合材料的增強材料
樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
玻璃纖維。目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10％以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍事方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高
硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。
碳纖維。碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。我國的碳纖維總體水平還比較低，國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。
芳綸纖維。20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發動機殼體、飛機發動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
超高分子量聚乙烯纖維。超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了發達的極大興趣和重視。
4 玻纖增強復合材料在汽車上的應用實例
汽車上使用的非金屬材料包括塑料、橡膠、粘接密封膠、摩擦材料、織物、玻璃等各種材料，涉及石化、輕工、紡織、建材等相關工業部門，因此非金屬材料在汽車上應用的如何，反映了一個經濟和技術綜合實力，同時也包含了一大批與之相關產業的技術開發及應用能力。目前汽車上應用的玻璃纖維增強復合材料包括：玻璃纖維增強熱塑性材料(GFRTP）、玻璃纖維氈增強熱塑性材料（GMT）、片狀模塑料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)以及手
糊FRP制品。汽車上使用的玻纖增強塑料主要有：玻纖增強PP、玻纖增強PA66或PA6以及少量PBT,PPO材料。增強PP主要用于制作發動機冷卻風扇葉片、正時齒帶上下罩蓋等制品，但有些制品存在外觀質量不好、翹曲等缺欠，因此非功能件逐漸被滑石粉等無機填料添充PP所替代。
增強PA材料在乘用車、商用車上都已采用，一般都是用于制作一些小的功能件，例如：鎖體防護罩、保險楔塊、嵌裝螺母、油門踏板、換擋上下護架-防護罩、開啟手柄等，如果零件生產廠家所選材料質量不穩定、生產工藝采用不當或材料烘干不好，就會出現制品薄弱部位斷裂現象。塑料進氣歧管是近幾年發展起來的新技術，與鋁合金鑄造的進氣歧管相比，具有重量輕、內表面光滑、減震隔熱等優點，因此在國外汽車上得到廣泛應用，它所用的材料全部是玻纖增強PA66或PA6，主要采用熔芯法或振動摩擦焊法，目前國內有關單位已經開展此方面研究并取得階段性成果。
隨著汽車對輕量化及環保的要求，國外汽車工業越來越傾向于使用GMT材料以滿足結構部件的需要，這主要是因為GMT材料具有韌性好、成型周期短、生產效率高、加工成本低、不污染環境等一系列優點，被視為21世紀材料之一，主要用于生產乘用車多功能支架、儀表板托架、座椅骨架、發動機護板、蓄電池托架等。片狀模塑料(SMC)是重要的玻纖增強熱固性塑料，由于它的各項性能優異、可大規模生產和可達到A級表面等優勢，已大量應用于汽車上。
目前國外SMC材料在汽車上應用品種又有了新的進展，現在，SMC在汽車上的應用量大的是車身板，占SMC用量的70％，增長快的是結構件和傳動器零件，在今后5年內，SMC在汽車上的用量將繼續增加22%-71％，而在其他行業的增長為13%-35％。國外高含量的玻璃纖維增強的片狀模塑料越來越多地被應用在汽車結構部件上，在福特1995年兩種車型(Ex-plorer和Ranger)上次展示它在結構件上的應用，由于它具有多種功能，被廣泛認為在結構設計方面很有優勢，因此推廣應用在汽車儀表板、轉向機、散熱器系統及電子裝置系統。美國Budd公司模塑的上支架和下支架是利用含40％玻璃纖維的不飽和聚酯復合材料，兩片式前端結構型汽車滿足用戶所需，前端低駕駛室向前，上支架固定在前端頂蓬和前端車身結構上，而下支架配合冷卻系統。這兩個支架相互聯結并配合車蓬及車身結構與前端穩固。低密度SMC材料的比重為1.3，在實際應用和測試中顯示，比標準的sMc的重量輕30％，標準SMC的比重為1.9。使用這種低密度SMC與用鋼制作的同類部件相比可減輕重量大約45%。美國通用汽車公司的所有克爾維特99型車的內板和新型車頂內飾都使用低密度SMC。另外，還有車門、發動機罩、行李箱蓋等。美國DodgeVipex車在發動機罩也使用了這種低密度SMC，汽車99型有1/2使用這種材料制作發動機罩，低密度sMC發動機罩比鋼件減輕重量達35%。
其他應用SMC在汽車上的應用除上述幾種新的用途外，還用于生產其他一些零件，如：駕駛室門、充氣車頂、保險杠骨架、貨倉門、遮陽板、A和D立柱、車身板、車頂排水管、車棚側橫條、貨車車箱等。其中用量大的是用于車身外板上。
國內應用概況隨著國內乘用車生產技術的引進，先在乘用車上采用，主要用于備胎倉和保險杠骨架等，目前還應用在商用車上，如挺桿室蓋板、膨脹水箱、線速夾、大／小隔板、進氣罩總成等。對國內SMC材料行業的需求。
在人們的觀念中，熱固性復合材料是不可回收利用的，在今天環保已經被提上議事日程，這不得不考慮SMC使用的前景問題。據資料報道，無論是涂漆或粘接過的SMC都可回收利用，使用部分回收的SMC制作的零件基本不影響其性能。不久的將來，利用回收的SMC制成的保險杠將用在重型商用車上，同時發動機罩、活動式車頂內襯、側板、格柵板以及車身外板等也可利用回收的SMC來制作。SMC的回收利用對我們國內材料同業來說是較新的一項工作，而這是一種重要的需求。
5 開發復合材料汽車的對策
我國復合材料發展潛力很大，但須處理好以下熱點問題。
復合材料創新。合材料創新包括復合材料的技術發展、復合材料的工藝發展、復合材料的產品發展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新、產品應用發展創新和應用發展要創新。到2007年，亞洲占復合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費量僅為0.29kg,而美國為6.8kg,亞洲包括具有極大的增長潛力。
聚丙烯腈基纖維發展。我國碳纖維工業發展緩慢，從cF發展特點，國內碳纖維發展過程，PAN基CF市場概況看，發展聚丙烯腈基纖維既有必要也有可能。
玻璃纖維結構調整。我國玻璃纖維70%以上用于增強基材，在國際市場上具有成本優勢，但在品種規格和質量上與先進尚有差距，必須改進和發展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發展。
開發能源、交通用復合材料市場。清潔、可再生能源用復合材料，包括風力發電用復合材、煙氣脫硫裝置用復合材料、輸變電設備用復合材料和天然氣、氫氣高壓容器；汽車、城市軌道交通用復合材料，包括汽車車身、構架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等。
纖維復合材料基礎設施應用。國內外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統材料相比有很多優點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程和大型儲倉修補和加固中市場開闊。
復合材料綜合處理與再生。重點發展物理回收一粉碎回收、化學回收一熱裂解和能量回收，加強技術路線、綜合處理技術研究，示范生產線建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠制品中的應用、在SMC/BMC模壓制品中的應用和典型產品中的應用。
加強質量管理。通過改進經營管理、原材料質量、結構設計、制造設備與工藝技術、施工監控等，克服幾何外觀問題、產品剛度不夠、抗撓曲水平不夠、連接問題、拉伸強度不夠、滲漏與冒汗現象和尺寸問題，建立完善的玻璃鋼管道及原材料的質量檢驗制度，加強纏繞設備的更新與改造。
6 結束語
未來的汽車與現在的汽車在很多方面不會有太大的區別，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。21世紀的高性能樹脂基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。以開發高剛度、高強度，高濕熱環境下使用的復合材料為重點，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。組織系統上將是聯盟和集團化，這將更充分的利用各方面的資源（技術資源、物質資源），緊密聯系各方面的優勢，以推動復合材料工業的進一步發展。隨著人們環保意識的不斷提高以及各國環保法規的相繼出臺，綠色汽車已經成為未來汽車發展的必然趨勢，因而如何使汽車滿足環境保護的要求，便提到了汽車廠商們的議事日程。而復合材料作為未來汽車材料發展的主流，必將在其中扮演非常重要的角色。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?？梢灶A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。
參考文獻：
1張耀明，李巨白，姜肇中．玻璃纖維與礦物棉全書．北京：化學工業出版社，2001
2姜肇中，鄒寧宇，葉鼎銓．玻璃纖維應用技術．北京：
