（车辆工程专业论文）碳纤维复合材料典型车身覆盖件设计开发与试制.pdf

摘要 摘要 安全、节能和环保是当今汽车工业技术研究的三大主题。燃料电池电动汽车 作为2 l 世纪最有前途的产品，是实现零排放环保要求和节能战略目标的重要途 径。但由于燃料电池、气瓶等动力系统使整车的重量增加，所以轻量化成为迫切 需求。 本文主要研究碳纤维增强型复合材料( c f r p ) 在燃料电池轿车车身外覆盖件 上应用的可行性。运用h y p e r m e s h 、i - d e a s 和p a m c r a s h 软件完成典型零部件 发动机舱盖、行李箱盖和顶盖钢与c f r p 的静力学分析，整车正面碰撞安全性比 较分析，分析两种不同材料制成的车身覆盖件的力学性能以及对整车安全性的影 响。在相关科研机构的协助下，完成碳纤维增强型三明治结构复合材料( c f r p ) 的零件试制，包括方案设计、原材料选择及试制工艺流程，以探讨c f r p 在国内 汽车车身覆盖件上应用的可行性和发展前景。 关键词：车身典型覆盖件，碳纤维增强型复合材料，车身轻量化，碰撞安全性 ab s t r a c t s a f e t y 、f u e le c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e e nt h ep i v o to ft h e a u t o m o b i l et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a st h em o s tp r o m i s i n gp r o d u c ti n21 啦c e n t u r y , t h ef u e lc e l lv e h i c l ei st h ei m p o r t a n ta p p r o a c ht om e e tt h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dt or e a c ht h es t r a t e g i cg o a lo fe n e r g yc o n s e r v i n g m e a n w h i l e ，i ti sa l s o v e r ys i g n i f i c a n tf o rt h ef u e lc e l lv e h i c l et or e d u c et h ea d d i t i o n a lw e i g h t , w h i c hc a u s e d b yp o w e r t r a i ns y s t e m ，s u c ha st h ef u e lc e l l ，g a sb o t t l e t h i sp a p e rf o c u so nt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o no ft h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c s ( c f r p ) o nt h eb o d yc o v e rp a n e lo f t h ef u e lc e l lv e h i c l e t h es t a t i ca n a l y s i so f t y p i c a lb o d yc o v e rp a n e l ( h o o da n dd e c kl i d ) w i t ht w o k i n d so fm a t e r i a l s ，t h a tm e a n s s t e e la n dc f r p , h a sb e e nd o n eb yu s i n gt h es o f t w a r eh y p e r m e s h 、l - d e a s t h e nt h e f r o n tc r a s hm o d e lo fw h o l ec a l h a sb e e nb u i l ti np a m c r a s ha n dt h ec r a s h w o r t h i n e s s e f f e c to fd i f f e r e n th o o d st ot h ew h o l ee a r ss a f e t yw i l lb ea n a l y z e d w i t ht h ec o o p e r a t i o no fc e r t a i nr e s e a r c hi n s t i t u t et h ec o m p o n e n t so fc a rb o d yw i t h c f r ps a n d w i c hs t r u c t u r eh a sb e e n t r i a l - p r o d u c e d i n t h i s p a p e rt h e w h o l e t r i a l - p r o d u c t i o nf l o w , i n c l u d i n gs t r u c t u r ed e s i g n 、s e l e c t i o no fr a wm a t e r i a la n d t h e t e c h n i c sp r o c e s sw i l la l s ob es t u d i e di no r d e rt od i s c u s st h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t ya n d d e v e l o p m e n tf o r e g r o u n do fc f r po nc a rb o d yc o v e rp a n e li nd o m e s t i ca u t o m o b i l e i n d u s t r y k e y w o r d s ：t y p i c a lb o d yc o v e rp a n e l ，c f r p , b o d yl i g h t w e i g h t ，f r o n tc r a s hs a f e t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：鼢 一年? 月厂日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：枷 年月日知6 年弓月lr 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：嘉加 “年多月t f 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业的不断发展在为人类文明做出巨大贡献的同时，也给人们带来了日 益严重的石油危机和环保问题。燃料电池汽车作为未来汽车的发展趋势，是实现 零排放环保要求和节能战略的重要途径。 燃料电池汽车以氢为燃料，通过氢和氧的反应产生电能供给动力系统，尾气 只有水蒸气，所以堪称“零污染的理想环保车，同时它还具有高效、无噪音等 特点。因此这一高科技的出现，给能源利用、环境保护、汽车产业发展等带来革 命性突破。尽管目前氢燃料电池车存在制造、储存以及基础设施等方面的技术问 题，成本也较高，但不存在无法克服的技术障碍，并具有较大降低成本的空间。 所以氢燃料电池技术最有可能领衔汽车工业革命的新潮流，成为新世纪氢能源经 济的标志。 另一方面，随着能源危机的爆发，能源和材料价格不断上扬，汽车轻量化技 术已成为当代汽车研究的另一大主题。研究表明，汽车的燃油消耗与汽车自身总 质量成正比，因此，要想减少燃油消耗，只要在保证足够安全的前提下尽量减轻 汽车自身重量。通常而言，轿车自身质量远大于装载载荷，所以减轻自身质量对 轿车就显得更为重要。 作为将在未来5 , - - - 1 0 年中实现大批量生产，进入市场的燃料电池轿车，在试 验开发阶段，是在母型车基础上对车身结构进行改进，增加了质量较大的承载式 车架，由燃料电池驱动系统取代原来的内燃机动力总成，这就使整车整备质量大 大高于母型车，不利于动力性能的全面提高。因此，将轻量化设计概念引入燃料 电池轿车开发与研制阶段，通过轻质结构的车身的开发与试制，降低整车质量， 以较高起点促进整个电动汽车重大攻关项目的发展，同时探索轻质材料，特别是 复合材料在汽车车身外覆盖件上的应用可行性。 复合材料是二次世界大战后西方国家首先发展起来的高科技技术，传统的汽 车车身材料处于以薄钢板为主的单一状态，不能适应人们追求高速与轻量化的要 求，为减轻其质量，改善风阻系数和降低油耗，许多汽车厂家都积极研究和利用 新材料以达到上述要求。据报道，汽车质量减少5 0 k g ，1 l 燃油行驶距离可增加 2 公里；汽车质量减少1 0 ，燃油经济性可提高5 5 。复合材料由于它的特性 在汽车轻量化过程中得到了施展才能的舞台，并在汽车轻量化进程中大显身手。 复合材料与传统材料相比，具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能好、减震 第l 章绪论 性能好等诸多优点。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，得到单一种 材料无法比拟的优越的综合性能。汽车工业将复合材料首先应用在保险杠上，而 后用于生产变截面弹簧板以代替钢板，之后逐渐出现复合材料车门、前后盖等。 1 9 5 3 年世界上第一部手糊工艺的f r p 汽车侧c o r v e t t e 制造成功。其后， 福特公司用碳纤维复合材料制成的g t 4 0 赛车，在法国勒芒举行的2 4 小时拉力赛 中获胜( p h i l l i p s1 9 6 9 ) 。后来a c t 公司用全碳纤维设计了一个整体的无骨架式 结构汽车。t w r “美洲虎”( j a g u a r ) x j r 一6 型是第一辆用不同厚度的坚固而轻便 的碳纤维与杜邦公司的k e v l a r 纤维复合而成的运动赛车。自从1 9 7 3 年石油危机 以来，碳纤维复合材料c f r 便成为汽车行业的重要研究对象。所有研究结果均认 为c f r p 具有作为汽车材料的优良特性。美国福特汽车公司进行了大量的c f r p 应 用试验工作。1 9 7 7 年福特试验成功c f r p 材料的汽车传动轴、车门、发动机罩， 1 9 7 8 年c f r p 试验零件增加到2 0 个，如上、下前悬挂臂，横梁，车门窗合页等。 1 9 7 9 年试制的样车上尽可能的使用c f r p 材料，结果，车身重量由1 6 9 t 降到 1 1 3 t ，即减重5 6 0 k g ，轻量化效果达到3 3 ，其中由于取代钢板而减轻的重量为 3 2 0 k g ( 见表1 - 1 ) 。由于c f r p 的轻量化效果，发动机也由原来的5 0 0 0 m lv 8 改 成2 3 0 0 m l 直列发动机，制动装置也可以变小u 3 。 表l - lc f r p 汽车零件轻量比例( 单位：k g ) 零件名称钢 c f r p重量减轻 车身 2 0 99 41 1 5 车架 1 2 89 43 4 前端 4 41 3 3 1 发动机罩 2 2 81 4 罩盖 1 961 3 保险杠 5 62 03 6 车轮 4 22 2 1 9 车门 7 l 2 84 3 其他 3 l1 61 5 合计 6 2 23 0 23 2 0 1 9 7 8 年美国汽车年会上展出f w 公司制造的汽车传动轴。s h a k e sp e a r 公司 用石墨纤维和玻璃纤维混合制造的传动轴质量为8 2 k g ，而原来钢制品为 1 5 o k g 。当时已在通用和福特汽车公司的数千辆小轿车、货车上装了这种实验品。 c f r p 制造的传动轴，不仅重量轻，而且具有很好的耐疲劳性和耐久性。此外， c f r p 传动轴振动衰减性好，噪声小，耐磨性好。 c f r p 制造的悬挂片簧的质量为金属制品的1 4 ，而且耐疲劳、耐腐蚀。c f r p 第1 绪论 制的纵粱和横梁质量为金属制品的2 0 5 。3 帆。货车上c f r p 制品的轻量化效果更 明显( 见袁卜2 ) 。 表1 - 2 在货车上使用c f r p 的轻量化效果( 单位：k g ) 汽车零件钢制品c f r p 制品 重量减轻 传动轴 7 42 35 l 板簧5 91 44 5 车架 7 2 01 3 55 8 5 2 0 世纪8 0 年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动 机罩、翼于扳、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复台材料 的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美汽车复合材料的用量约占本国复台材 料总产量的”左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件应 用材料来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外疆件的使 用向汽车的内饰件和结构件方向发展。 克莱斯勒公司1 9 9 7 年推出了一款c c v 复合材料概念车，为5 座设计配有 风冷、项置阀门、o8 l 的双缸发动机。该车的车身材料含有玻璃增强纤维，用来 加强车身的刚度和硬度，还含有稳定剂、冲击延展剂、颜色添加剂等。车辆的全 装备总重量设计仅为5 4 5 k g 每百公里油耗为45 l ， 奔驰公司不久前推出的梅赛德斯一奔驰s l r 迈凯轮高性能跑车( 见图卜1 ) 几 乎完全由碳纤维复合材料制成，重量比钢材料降低5 0 5 ，而在碰撞中的能量吸收 能力却比钢或铝高出4 至5 倍。b m w 公司也于不久前推出了小批量生产的b m w m 3c s l 车型，采用了大量轻量化材料，如c f k 顶盖、s m c 后行李箱盖、铝制 发动机舱盖等，其中碳纤维顶盖比钢制顶盖减重6 k g 。 图】_ 1 梅赛德斯奔驰s l r 迈凯轮 复合材料泡沫夹芯结构具有轻质、高刚度特点，可满足高冲击强度标准要求 近年来在交通领域的应用发展十分迅速，在轨道交通车辆( 如新干线e 4 高速列 车的头部) 、游艇、汽车( 如r e n a u l t 的e s p a c ei i 车) 上都得到了应用。 第l 章绪论 在成型工艺上，克莱斯勒公司的c c v 复合材料概念车采用注塑成型，这种 成型方式能生产形状复杂的制品，产品质量好，可达到两面光，但对模具质量要 求较高。此外，复合材料技术发展至今，根据材料特性和生产成本等要求已形成 多种生产方式，如适用于热固性复合材料的手糊成型、注射成型、拉挤成型、缠 绕成型等，适用于热塑性复合材料的冲压成型、模压成型、缠绕成型、树脂传递 模塑( r t m ) 工艺等。经过多年生产实践，r t m 工艺逐步发展成为世界范围内 的主流工艺。f o r d ，m e r c e d e sb e n z 和v o l v o 等著名汽车公司均参与了r t m 制 品的研究应用。在巴西，1 9 9 5 年仅t e c n o f i b e r s 公司一家用于大型客车车身的r t m 制品产量即达9 4 0 吨年。世界上最大的客车制造公司之一日产1 0 辆大客车 的v o l v o 集团下属企业v o l v ob u s ( 位于墨西哥) 已于2 0 0 0 年开始应用r t m 技术 制造批量生产前围等客车车身覆盖件n 羽。 与此同时，我国复合材料在汽车外壳及其零部件的制造和使用方面也有所发 展。上世纪8 0 年代后期到9 0 年代末，全塑汽车的概念曾经在国内汽车界轰动一 时。北京、山东、浙江、重庆等地的汽车生产厂家，均生产过全玻璃钢车身，但 基本上是手工糊制。东风客车公司采用手糊成型工艺生产的一款高速客车的全玻 璃钢车身，每辆消耗玻璃钢2 5 0 公斤。北京汽车玻璃钢有限公司采用手糊成型工 艺生产驾驶室，全车身重量仅6 0 0 多公斤，该公司为南汽“依维柯”生产的s m c 保险杠达到意大利同类产品水平。华东理工大学研制了g m t 的保险杠，济南重 汽华沃生产的沃尔沃重卡的前端面板、左右角板、左右扰流板均采用s m c 或r t m 生产，武汉神龙汽车公司也成功地将r t m 应用于富康车后举门。但总的来说，我 国的复合材料技术水平还没有进行大规模市场化应用，从材料和结构上看，大部 分的车身覆盖件制品材料选用玻璃钢层合板结构，材料刚度低，减重效果不明显； 从制造工艺上看，仍采用手糊成型，而且手工生产，效率低，质量无有效保证， 环境污染大，在一定程度上影响了复合材料在车身覆盖件方面的批量应用。 总体来说，在国外汽车轻量化技术是当前汽车行业的研究重点之一，复合材 料技术在汽车应用上也日渐成熟，但市场化的车型中大面积采用复合材料覆盖件 车身的车型还不普遍。相对国外汽车行业，我国汽车工业还比较薄弱，车型自主 开发还处于初级阶段，大部分技术还需引进，在材料和制造技术方面面临的问题 比较多，特别是复合材料在汽车车身外覆盖件的应用，还处在探索和学习阶段。 这些年来，我们国家的汽车工业一直在走着引进开发的路子，虽然在引进技术的 过程中也做了大量的国产化工作，但是由于轻质材料以及汽车轻量化问题一直没 有引起足够的重视。各种复合材料生产技术和成型工艺在我国已有一定规模的发 展，但在汽车上的应用还为数不多，更没有形成相关的、系统的理论。 第l 章绪论 1 2 课题背景和意义 本课题来源于国家8 6 3 项目“燃料电池轿车的开发与研制中的子课题“燃 料电池轿车典型轻质结构车身零部件的试制 ，由德国德累斯顿工业技术大学轻 质结构及复合材料研究所和同济大学汽车学院共同合作完成。 根据我校在国家8 6 3 计划“燃料电池轿车的开发与试制”项目中前后两轮样 车的实践经验，燃料电池电驱动动力总成替代内燃机动力总成将使汽车的整备质 量增加4 0 0 k g 左右，这直接产生了巨大的能源消耗，限制了整车性能的全面提高 以至影响其在今后产业化过程中的市场竞争力。在现阶段燃料电池动力驱动系 统，如电机、燃料电池、电瓶等部件还无法达到突破性减重的情况下，进行车身 结构及材料的轻量化研究就显得极其重要。 德国在汽车轻量化领域取得了举世瞩目的成就，掌握着世界最为先进的科 研技术和经验，德累斯顿工业技术大学轻质结构及复合材料研究所在轻质材料研 究与开发方面更是已有几十年的历史，研发成果已在德国多个重大工程中得到应 用，如空中客车a 3 8 0 ，卫星载体的碳纤维增强塑料结构、德国大众汽车公司的 l u p o 轿车的铝钢空间框架结构，汽车前桥、车门、车顶盖等。在此背景下， 本课题通过与该研究所的技术合作，完成“超越三号 燃料电池轿车c f p , p 典型 车身零部件( 发动机舱盖、行李箱盖、项盖) 的开发与试制，以达到燃料电池轿 车车身轻量化的要求，力争以较高起点促进整个电动汽车重大攻关项目的发展。 作为复合材料在国内燃料电池轿车开发项目中的首次尝试与应用，本课题将 涉及整个开发试制过程，将复合材料车身零部件的结构设计与分析作为主要研究 内容，对复合材料零件生产工艺和回收等过程进行全面的分析与阐述。本课题的 研究目的在于通过与德国先进科研机构的技术合作，学习并掌握碳纤维复合材料 在汽车车身零件应用中的关键技术，从结构设计、材料特性和生产工艺三方面着 手研究，并通过试制，初步探索碳纤维复合材料在燃料电池轿车车身轻量化的应 用可行性。 轻量化已成为全球汽车产业发展的主要方向之一，本课题关于复合材料车身 典型零件从设计、加工到试验整个过程的研究与阐述对于我国汽车自主的开发和 刚刚起步的整个汽车轻量化技术研究也将具有一定的参考价值和借鉴意义。 1 3 本课题研究内容和技术路线 本课题主要研究碳纤维增强型复合材料在车身零部件应用上的可行性，完成 对钢制零件和c f r p 零件的有限元模拟分析，包括静力学分析与正面碰撞模拟对 第l 章绪论 比分析，熟悉国内外该领域已取得的研究成果和达到的技术水平，分析生产工艺 可行性，确定最后的试制方案，如基体材料和增强材料的选择，纤维铺层方式及 厚度等，进而分析碳纤维复合材料在国内汽车车身覆盖件上应用可行性和前景。 本课题采用将理论、生产相结合的方法，根据复合材料结构设计、生产工 艺等特点，初步确定加工方案后，首先在h y p e r m e s h 软件中建立c f r p 和钢制零 件( 发动机舱盖、顶盖和后行李箱盖) 有限元模型，然后在i - d e a s 软件中进行 力学性能对比模拟，根据原定的试制目标，具体确定c f r p 生产方案，如基体材 料和增强材料的选用，纤维铺层方式的确定等。最后在p a m - c r a s h 软件中进行正 面碰撞模拟对比，分析复合材料车身和原型车的动态碰撞性能，初步探讨碳纤维 复合材料车身外覆盖件上对整车正面碰撞安全性能的影响。 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产工艺 2 1 复合材料定义 复合材料是指将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来 而制得的一种多相固体材料。复合材料通常是由基体和增强体复合而成。一般来 说，复合材料应能满足以下条件： ( 1 ) 必须是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组成，材料之间 有明显的界面。 ( 2 )是用人工方法制造的，各组分的形状、比例和分布均能人为地控制。 ( 3 )复合材料性能优于各组分单独存在时的性能，具有协同增强的特点。 复合材料在工程上应用是从2 0 世纪3 0 年代开始的，人们用粘胶纤维增强制 成帘子线轮胎。现代复合材料的第一代是玻璃纤维增强塑料，已广为使用。第二 代是碳纤维增强树脂基复合材料，己用于航空航天等领域。第三代除采用高性能 的碳纤维、硼纤维外，还发展了比强度、比模量更高的有机纤维( 芳纶纤维) 复 合材料。近年来，纳米复合材料发展很快，已逐步进入实用阶段。纳米复合材料 被人们誉为“2 l 世纪新材料。1 2 】 2 2 聚合物基体复合材料的组分 2 2 1 增强材料 增强材料是复合材料的主要承力组分，它能大幅度地提高基体树脂的强度和 弹性模量，而且能减少复合材料成型过程中的收缩，提高热变形温度。未经增强 的基体树脂是不能作为结构件使用的，而由增强材料与基体树脂制成的复合材料 作为结构件在各领域得到广泛的应用。玻璃纤维对乙烯基酯树脂的增强作用见表 2 1 。 表2 1 玻璃纤维对乙烯基酯树脂的增强作用 性能未增强增强 拉伸强度m p a 8 02 6 0 弯曲强度m p a 1 2 03 6 0 冲击强度( k j m 2 ) 1 03 0 0 增强用纤维的选用是根据制品的性能要求，如力学性能、耐热性能、耐腐蚀 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 性能、电性能等，以及制品的成型工艺和成本要求来确定的。 复合材料中的增强用纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、无 机纤维、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和金属纤维等。其中应用最 广泛的是玻璃纤维。对于以聚合物为基体的复合材料来说，所采用的增强纤维主 要是前三种。 ( 1 ) 玻璃纤维 玻璃纤维是由熔融玻璃快速抽拉而成的纤维，其主要成分为二氧化硅。增强 用的玻璃纤维按含碱量及其性能可分为：有碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维( e 玻璃 纤维) 、高强度玻璃纤维( s 玻璃纤维) 、高弹性模量玻璃纤维等。 由于无机玻璃纤维与有机树脂的分子结构和表面形态极不相同，所以这两种 材料一般不能紧密地结合在一起。为了改善玻璃纤维与树脂间的粘结性，提高复 合材料性能，一般应在制造复合材料前用偶联剂对玻璃纤维进行表面处理。偶联 剂是一类具有两性结构的物质，它的一部分基团可与无机物表面的化学基反应， 形成强固的化学键；另一部分亲有机物的基团，可与有机物分子反应或进行物理 缠绕，从而把两种性质不同的材料牢固地结合起来。 ( 2 ) 碳纤维 碳纤维是指具有层状结构，含碳量高于9 0 的纤维状物质。增强用碳纤维按 制备工艺和性能可分为高强度碳纤维和高弹性模量碳纤维。有时也把高弹性模量 碳纤维称为石墨纤维。工业上制造碳纤维的原料主要是人造丝、聚丙烯腈纤维和 沥青纤维等。 碳纤维虽然具有许多优良性能，如比弹性模量和比强度高，热稳定性和化学 稳定性好，线膨胀系数小，耐磨擦和自润滑性优良等，但它与树脂之间的粘结力 比其它增强纤维低，因此，在将碳纤维制成复合材料前，必须对其进行表面处理， 改变纤维表面性状，以提高碳纤维与树脂的粘结力。本项目中所用到的碳纤维性 能将在本文第5 章中做进一步详细介绍。 ( 3 ) 芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酰胺纤维，简称芳纶纤维，是由聚对苯二甲酰对苯二胺在液晶态进 行纺丝而得到的分子取向度很高的纤维。由美国杜邦公司1 9 7 2 年投产，产品牌 号为k e v l a r2 9 和k e v l a r4 9 ，一般在复合材料中作增强纤维用的是弹性模量较高 的k e v l a r 4 9 。 芳纶纤维的强度可达3 6 g p a ，弹性模量可达1 3 0 g p a ，而相对密度仅1 4 4 ， 比强度超过玻璃纤维、碳纤维、硼纤维，比弹性模量超过玻璃纤维。芳纶纤维还 具有优良的韧性，常与碳纤维混合使用，以提高复合材料的冲击强度。 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 2 2 2 聚合物基体 复合材料中的基体有三种主要的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷； 保护纤维不受环境影响。聚合物复合材料基体根据不同的理化特性，可分为热固 性和热塑性两大类，热固性是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶( 熔) 的 特性，热固性树脂主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等。热塑性 是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的特性，热塑性树脂基体主要 有聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚、p b t 、 p e t 、a b s 、聚砜、聚醚砜、p p s 和聚醚醚酮等，其中尤以聚醚醚酮的性能为最 优越。 不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要的热固性树脂。在国 外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的8 0 。聚酯树脂有以下特点：工 艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装置简单，这也是它与环氧、 酚醛树脂相比最突出的优点。固化后的树脂综合性能良好，但力学性能不如酚醛 树脂或环氧树脂。它的价格比环氧树脂低很多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和 聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。因此它很少用作碳纤维复 合材料的基体材料，主要用于一般民用工业和生活用品中。 热固性环氧树脂的合成起始于3 0 年代，4 0 年代开始工业化生产。由于环氧 树脂具有一系列的可贵性能，所以发展很快，特别是自6 0 年代以来，它广泛用 于碳纤维复合材料及其它纤维复合材料。 酚醛是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是在加热条件下即能固 化，无须添加固化剂，酸、碱对固化反应起促进作用，树脂固化过程中有小分子 析出，故树脂固化需在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性 不够好，已固化的树脂有良好的压缩性能，有良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀 性能，但断裂延伸率低，脆性大。所以酚醛树脂大量用于粉状压塑料、短纤维增 强塑料，少量地应用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，在碳纤维和有机纤维 复合材料中很少使用。 热塑性树脂与热固性树脂在分子结构上的显著差别就是前者是线型结构而 后者为体型网状结构。由于分子结构上的差别，使热塑性树脂在力学性能上有如 下几个显著特点：( 1 ) 具有明显的力学松弛现象；( 2 ) 在外力作用下，形变较大， 当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率；( 3 ) 抗冲击性能较好。 聚合物是聚合物基复合树脂的主要组分。聚合物基体的组分、组分的作用及 组分间的关系都是很复杂的。一般来说，基体很少是单一的聚合物，往往除了主 要组分聚合物以外，还包含其它辅助材料。在基体材料中，其它的组分还有 固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等，这些辅助材料是复合材料基体不可缺少的 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 组分。由于这些组分的加入，使复合材料具有各种各样的使用性能，改变了工艺 性，降低了成本，扩大了应用范围。在复合材料发展过程中，辅助材料的研究是 很重要的，可以说没有辅助材料的配合就没有复合材料工业的发展。 2 3 复合材料开发目的 ( 1 ) 改善性能 开发复合材料主要是改善塑料的力学性能和热性能。塑料通过玻璃纤维或碳 纤维等增强后，可显著提高它的拉伸强度、弯曲强度、刚性、冲击强度、耐热性 ( 热变形温度、高温刚性) 、耐久性( 蠕变性、耐疲劳性) 等。 ( 勾赋予功能性 复合化能赋予塑料本身不具备的导电性、热传导性、磁性等特殊功能，还能 提高塑料的阻燃性、滑动性、尺寸稳定性等。复合材料对于塑料的高性能化、高 附加值化方面起着极为重要的作用。 ( 3 ) 改善加工性 复合材料不仅能调节塑料加工时的粘度或流动性，还具有防止模具污染，降 低气泡的产生以及改善制品脱模等作用。 ( 4 ) 降低成本 玻璃纤维、碳纤维及无机填料等是价格较低的材料，它们作为增强材料可使 塑料制品的成本下降，特别是对于特种工程塑料等价格高的品种，其降低成本的 效果更为明显。 2 4 复合材料的特性 复合材料的性能主要取决于基体的性能、增强材料的性能以及基体与增强材 料之间的界面性能。 复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。以纤维 增强的树脂基复合材料为例，它具有质量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、 介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。 ( 1 ) 轻质高强 普通碳钢的密度为7 8g c m 3 。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1 5 2 0g c m 3 ，只有普通碳钢的1 4 1 5 ，比铝合金还要轻1 3 左右，而机械强度却 能超过普通碳钢的水平。若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅 大大超过碳钢，而且可超过某些特殊的合金钢，比强度是指强度与密度的比值。 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高 的强度，因此具有更高的比强度。几种材料的拉伸强度见表2 2 。 表2 - 2 几种材料的密度和拉伸强度 材料种类 密度( g c m 3 ) 拉伸强度( m p a )比强度( 1 0 3 a m ) 高级合金钢 8 o1 2 8 01 6 0 0 a 。钢 7 8 54 0 05 1 0 l y 。铝合金 2 84 2 01 5 0 0 玻璃纤维增强环氧树脂 1 7 35 0 02 8 9 0 玻璃纤维增强聚酯树脂 1 8 02 9 01 6 1 0 玻璃纤维增强酚醛树脂 1 8 02 9 01 6 1 0 玻璃纤维增强d a p 树脂 1 6 5 3 6 0 2 1 8 0 k e v l a r 纤维增强环氧树脂 1 2 81 4 2 01 1 0 9 4 碳纤维增强环氧树脂 1 5 51 5 5 01 0 0 0 0 ( 2 ) 可设计性好 复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设 计性。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、 减轻质量的目的。对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好 的基体树脂和增强材料，对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都 可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以 最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。 ( 3 ) 电性能好 复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材 料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料 具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高 性能电机、电器的绝缘材料。这种复合材料还具有良好的透波性能，被广泛地用 于制造雷达罩。复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制成导电复合 材料。 ( 4 ) 耐腐蚀性能好 聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、能耐海水性能，也能耐碱、盐和有 机溶剂。因此，它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器 等具有较长的使用寿命和极低的维修费用。 ( 5 ) 热性能好 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，一般在室温下为 0 3 0 4 k c a l ( i n h k ) ，只有金属的1 - 一1 ，是一种优良的绝热材料。选择 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料。 ( 6 ) 工艺性能优良 纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，可以通过缠绕成型、接 触成型等复合材料特有的工艺方法产生制品。它能满足各种类型制品的制造需 要，特别适合于大型制品、形状复杂制品、数量少制品的制造。 ( 7 ) 老化现象 在自然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学腐蚀的作用，会导致复 合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。复合材料在使用过程中发生老化现 象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。 因本文主要用到了碳纤维复合材料，所以表格2 3 中列出了增强纤维碳纤维、 硼纤维( b f ) 、凯芙拉纤维( k f ) 、炭化硅纤维( s f ) 和氧化铝纤维( a f ) 的复 合材料的性能与有关材料的特性数据，根据先进复合材料( a d v a n c e dc o m p o s i t e m a t e r i a l s ( a c m ) 的一般概念( 并无严格定义) ，即满足比强度( o p ) 在4 1 0 6 c m 和比模量( e p ) 在4 1 0 8 c m 以上的要求，c f r p 、k f r p 、b f r p 、a f r p 和s f r p 都属于高级复合材料的范畴，但就其综合性能而言，以碳纤维增强复合材料最好。 表2 3 各种复合材料和金属材料的特性对比 项目 c f r pg f r pl 让r pb f r pa f r ps f r p碳钢铝合金钛合金 密度( e g c m 3 ) 1 62 01 42 12 42 37 82 84 5 拉伸强度( m p a ) 1 7 6 01 1 7 01 4 7 01 5 7 01 6 7 01 0 8 01 3 7 04 7 09 6 0 比强度( 1 0 4 m ) 1 1 26 o1 1 57 57 14 81 81 72 1 杨氏模量( g p a ) 1 2 54 17 82 1 6 1 2 7 9 8 2 0 6 7 5 1 0 8 比模量( 1 0 6 m ) 8 o2 15 71 0 45 44 32 72 72 5 热导率 w ( m k ) 】 5 0 5 84 72 37 61 8 86 2 热膨胀( 1 0 。5 i n ，)- o 7841 22 3 比电阻( o 锄) 1 0 31 0 1 51 0 1 61 0 i s1 0 4l o - 61 0 - 61 0 5 2 5 生产方式 复合材料有近2 0 0 个以上的品种，主要是用高分子化学材料通过聚合生产出 高强度、高韧性的胶脂、树脂( 如“环氧 、“聚脂、“赛康”p u a p b ) 等。在制造 时将一些无机材料加入进行改性并复合进碳素纤维、硼纤维、凯尔乐纤维、尼龙 纤维、玻璃纤维、金属纤维以及涤纶纤维等进行增强，以提高弹性模量和高静面 矩。生产方法有注射式、模压式、层压式、热塑式、预成形式、缠绕式和手糊式 等。 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 生产方式的选择是相当灵活的，根据产品的品种、产量分为c 、b 、a 三大类： ( 1 ) c 种方式 可在年产5 0 0 3 0 0 0 辆的批量范围内应用，用机械设备、模具和人工相配合 开展作业，投资量低，在4 0 0 万美元以下，在生产达到2 8 5 5 0 0 辆时可收回投资 成本。模具使用寿命为三年。 ( 2 ) b 种方式 是采用机械设备和模具成型技术，年产量在3 0 0 0 - 2 0 0 0 0 辆之间，电脑程控， 投资在4 5 0 8 0 0 万美元之间，模具使用寿命3 5 年。 ( 却a 种方式 是大规模自动化生产，电脑控制，年产量在2 2 0 万辆之间，投资为1 5 3 亿美元。 2 6 复合材料的价格优势 塑料的生产因原材料价格成本已不是很高，但单位体积质量的价格，塑料比 金属高( 金属材料3 , - 4 美元k g ，塑料5 7 美元l ( g ) ，塑料的比质量是金属的l 5 ， 而复合材料的增强纤维，增固物( 占5 0 ) 是十分便宜的( 1 2 美元k g ) ，因此复合 材料的每千克价格与金属材料几乎相等，而整体质量却轻于金属本身。 目前复合材料产品在国际上，尤其在美国，正在迅速发展，由于该技术的特 点是投资少即可起步，品种广泛，设计自由度大，模具更新换代方便，而且产量 适应性强，几件、几十件到上万件都可以生产，是十分理想的工程用材料，也是 其它生产方法所无法代替的技术。所以，十年后复合材料市场占有率将增加1 0 倍，目前原材料价格比一般塑料便宜1 0 - 2 0 。 通用汽车公司生产的新型复合材料七座面包车在美国市场售价为1 5 万美 元，而日本和美国生产的金属车身的同类七座面包车售价为2 2 万多美元。两种 车相比，各种性能、外观等都是复合材料面包车领先。通用汽车公司从1 9 8 7 年 以后投资了4 6 亿美元，建了五条生产复合材料车身的生产线，年产1 7 5 万辆塑 胶车身，包括s a t u r n 、o i d s m o b i l ( 7 座) 、l u m i n a 等。通用公司的复合材料面包车、 小轿车、家庭用跑车等在市场上不仅品类齐全，而且拥有很高的市场占有率。 2 7 复合材料在汽车中的应用 汽车工业的精髓是汽车车身制造，国际现代汽车企业投资的6 0 是车身的 制造，传统的金属车身制造需要庞大的模具系统和繁多的工装设备。复合材料是 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 二次大战后美英法德等发达国家首先发展起来的高科技技术，大规模用来生产车 身还是在8 0 年代中期以后。目前，美国应用该项技术来生产七座面包车、高级 豪华跑车、公共汽车、轿车、微型小汽车、载货车以及一级方程式赛车等。 复合材料的发展如此迅猛的最主要的原因是投资少，见效快。在生产同样产 量、外观和品质的汽车的情况下，金属材料的生产线和金属设备的投资( 包括工 装、模具、卡具等) 是复合材料生产线和生产设备投资的3 2 0 倍，而复合材料生 产线从投资到出产品的周期短三倍以上。 下面介绍几种汽车常用复合材料： ( 1 ) 片状模塑料s h e e tm o l d i n gc o m p o u n d ( s m c ) s m c 是以不饱和聚酯树脂为黏结剂制成的一种模塑料。制备方法是在不饱 和聚酯树脂中加入增稠剂，无机填料、引发剂、脱模剂和颜料等组分配制成的树 脂混合物，浸渍短切纤维或毡片，上下两面覆盖聚乙烯薄膜，经增稠后制得薄片 状膜塑料。它是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型的热固性复合材料、模压材 料。 用s m c 生产聚酯复合材料制品，在工艺操作上简单方便效率高，无粉尘飞 扬，模压时对温度和压力的要求不高，可变范围较大，模压料的制备过程及制品 成型过程易实现自动化，有助于改善劳动条件，制品性能优良、尺寸稳定性好， 适应结构复杂的制品或大面积制品的成型。 在树脂糊中加入着色剂( 色浆或颜料糊) ，可以使s m c 模压制品具有丰富的 色彩。着色剂的用量视着色剂种类而异，一般情况下，其用量是树脂用量的 1 一3 。 一般s m c 最适合承受应力不大的外壳部件，在受冲击至破坏时对形变能量 大、永久变形小，不生锈，重量轻。 采用轻质、高强的s m c 汽车设计零件的主要途径有：借助于有限元计算 方法，科学地设计s m c 零件的结构，提高其效率；选用最佳s m c 原材料( 如： 低密度填料等) 和模塑工艺，使零件最薄；减小s m c 配方中填料和纤维的含 量：尽可能选用夹芯结构、混杂系统材料。 降低s m c 密度的方法有：选用空心玻璃微珠做填料，s m c 密度可降到 1 4 1 5 9 c m 3 ；借助于添加剂的作用，使玻璃纤维含量和制品的物理性能最佳； 模压前模压件表面涂敷密封底漆和模内涂层，使制品达到a 级表面精度； 选用表面涂了聚酯、乙烯基酯浸润剂的玻璃纤维取代普通玻璃纤维，可使模塑制 品的重量减轻6 5 ，弯曲模量 3 0 g p a ，弯曲强度 4 0 0 m p a 。 目前一些汽车的s m c 壳体比别的材料壳体厚，若减薄3 0 仍符合设计强度、 安全。普通s m c 壳体的厚度为2 5 3 m m ；d s m 公司的目标为2 m m 或更薄；法 第2 章聚合物基体复合材料性能特性、生产方式 国雷诺公司第三代e s p a c e 轿车s m c 壳体厚2 1 - 2 3 m m ，密度为1 6g c m 3 ；i s u z u 轻型货车的前脸选用低密度( 1 4e c c m 3 ) 、a 级表面s m c 模塑，其重量比普通 s m c 的轻3 0 。有的s m c 壳体上只有一条加强筋，这样减薄的潜力就很小。 ( 2 ) 团模塑料b u l km o l d i n gc o m p o u n d ( b m c ) b m c 的组成与s m c 相似，两者的主要区别在于模压料的形态和制备工艺上 的不同。制备方法是将树脂、增稠剂、填料、引发剂、脱模剂、颜料和增强材料 等组分加入捏合机中捏合均匀，经增稠后制得团状模塑料。 b