轿车车身用材料.doc

关于轿车车身用材料的认识学习笔记及认识总结李良30608020406车辆工程轿车车身是轿车的重要组成部分，由它构成了成员的乘座空间和乘乘座环境，其外表展示了整车的造型艺术和整车的特征。因此，车身材料既要满足车身设计、生产（制造）、装配、维护方面的要求；还要满足使用、安全等方面的要求，即满足强度、刚度、耐腐蚀、拉延性以及可焊接，易加工成型等方面的要求，所以轿车车身用材料种类较多。车身用材料大致可分为二大类：金属材料：钢板、铸铁等重金属材料；铝、镁、钛等轻金属及其合金材料、泡沫金属等材料非金属材料：工程塑料、纤维、树脂、玻璃、橡胶、非金属泡沫材料、非金属复合材料等轿车车身材料的使用分类：1、钢板：热/冷轧钢板、表面处理（镀覆）钢板、不锈钢板、高强度钢板等2、轻金属材料：铝板、铝合金、镁合金、钛合金等3、复合材料：玻璃纤维增强材料(GFRP)、碳纤维增强材料(GFRP)等4、非金属材料：玻璃、塑料、橡胶、皮革、人造革、化学纤维等5、衬垫材料：皮革、纸板、软木、石棉、人造革、泡沫塑料等6、涂装材料：（构成：油料、树脂、颜料、稀释剂、辅助材料）底漆、面漆、腻子、辅助材料等7、内饰材料：各类织物、皮革，软质材料，塑料等8、胶粘剂：密封胶、粘接剂等一、轿车车身用钢板钢板的主要性质有：可塑性、弹性、加工硬化等热轧软钢板：含碳量一般在0.15以下，硬度低、抗拉强度不高。主要用于挡泥板、地板、行李箱铰链、保险杠等。冷轧软钢板：相比热轧软钢板加工性能好，且表面美观。如Q215、碳钢和低合金结构钢冷扎钢板、10F、08F、优质碳素结构钢冷轧薄钢板等，用于车身外板、零件的外壳、车顶板、行李箱盖、发动机罩、车门内外板、保险杠、挡泥板等。高强度钢板：抗拉强度相当高，具有很强的抗破坏能力。用于车身外板、翼子板等。表面处理钢：镀锌钢板、锌粉漆涂装钢板等，防腐蚀性能好。用于车门、车顶内衬板、下护板、车身底部等。汽车车身用钢（3类）：汽车车身外板用钢：汽车车身外板用钢主要用于制造前、后、左、右车门外板、发动机罩外板、行李箱盖外板等零件。汽车车身外板应具很好的成形性,抗腐蚀性和抗凹性以及良好的点焊性,汽车车身外板多用镀层板,以满足汽车外板4 年运行无锈斑的防腐要求(最近欧洲提出了防腐性更高的要求,即外板的防腐性能与汽车同寿命) ,为了提高抗凹性,汽车外板的钢板多用BH 钢(烘烤硬化钢) , IF 增磷钢以及高成形性的冷轧退火双相钢(如DP30260 等) ,以减薄厚度,保证抗凹性;涂层板多用热镀锌板、热镀锌铁板、电镀锌板以及电镀锌- Ni 板等,用合金镀层板的目的是减薄镀层厚度,提高结合力,改善点焊性,减少焊接车间锌污染。汽车车身内板用钢( 四门两盖的内板用钢)：汽车车身内板零件比外板形状更为复杂,要求车身内板用钢应具有更高的成形性和深冲性能,因此车身内板多用冲压成形性和深冲性能优良的IF钢,少量用IF - 增磷钢;其镀层要求与外板类同,热镀Zn2Fe 板或电镀Zn2Ni 板;由于合金镀层较薄,为防止运输或冲压时对镀层的损伤,通常在镀层板的表面再涂一层有机薄膜,既保护镀层,又改善冲压性能,并可减少冲压摩擦和镀层损伤,改善板材成形性。汽车车身结构件用钢先进高强度钢：高强度钢板的种类主要有：加Si、Mn、P等固溶强化型；加Nb、Ti、V等析出硬化型；复合组织型、双相型和回复退火型等。高强度钢板的抗拉强度一般在600N/m以上，其破坏强度为低碳钢板的23倍。车身结构件或者白车身(BIW) ,既和汽车碰撞安全有关,又和汽车轻量化密切相关;因此选材要求既有高强度,又有良好的塑性。先进高强度钢(ad2vanced high st rength steel ,AHSS) 由于具有较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性,力学性能更加均匀,因而其回弹量的波动小;同时这类钢具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命;因此采用这类钢具有更多的降低板厚、减薄规格的可能。具体钢种举例（9种）：1、超深冲IF 冷轧钢板在碳0. 008 %的超低碳钢中, 加入足够量的强碳、氮化合物形成元素钛和铌, 使钢中的碳、氮原子完全被固定成碳、氮化合物( Ti (C、N) ,Nb(C、N) ) ,钢中无间隙原子存在,这种钢称为“无间隙原子钢”,即Interstitial Free Steel ,缩写成IF 钢。工业生产超低碳IF 钢, 若不经过钛或铌微合金化处理,其(111) 退火织构不强, r 值不高,因为微合金化处理是为了消除固溶体中的碳、氮间隙原子,得到纯净的铁素体基体。钢中加入钛和铌的量, 要使钢中的C、N原子被完全固定, 而纯净的铁素体中无间隙原子存在,这就是IF 钢的冶金学基础。在IF 钢中, 根据添加微合金元素不同, 可将IF钢分为Ti - IF 钢、Nb - IF 钢和( Ti + Nb) - IF 钢三类。我国开发的IF 钢主要是Ti - IF 钢(St16) 和( Ti +Nb) - IF 钢(BIF3、相当于St17) 。IF钢的性能受化学成分、钢坯加热温度、终轧温度、卷取温度、冷轧压下量和退火温度等参数的影响。 但最终热轧板卷应获得细小的铁素体组织和粗大的析出物，如碳、氮化合物。 因为粗大的析出物有降低再结晶温度的作用和有利于r 值和塑性的提高。IF 钢再退火过程中，要完成铁素体再结晶和晶粒长大以及发展再结晶结构#高的退火温度有利于111织构的发展和晶粒粗化。钢板的力学性能：屈服强度在127190 MPa 波动, 波动范围较大,但其平均值为137149 MPa ,即在150 MPa 以内, 屈服强度不高; 抗拉强度在275320 MPa 波动,平均值为286 301 MPa ,比较适中;伸长率在40 %52 %波动, 平均值43. 1 %46. 6 % , 均值可达St 17 冷轧钢板的水平。2、冷轧高强度钢板深冲冷轧高强度钢板主要用磷强化，这是由于磷的强化能力很强，约为硅的7倍，锰的10倍。钢中加入0.1的磷和加入0.7的硅或1.0锰，其强化效果是等同的，这可节约大量的合金元素，既降低了钢的生产成本，又不会因钢中加入多量的合金元素（Si或Mn）而降低钢板的塑性。强化原理：磷属于置换固溶强化，当磷原子置换铁原子时#在磷原子周围产生弹性形变，引起晶格位移，从而使钢强化。磷在钢中的冷脆性常被人们关注。只要钢中磷含量0.12，其对钢的冷脆性影响就很小。 还应当指出，随着钢中含碳量增加，磷的冷脆性倾向加大，一般深冲高强度钢板均用低碳或超低碳生产。3、冷轧烘烤硬化钢板薄板在冲压成形前具有较低的屈服强度，经冲压成形或预拉延变形后，随即进行烘烤（约170）或高温处理，薄板的屈服强度得到一定程度的提高，这种薄板称烘烤硬化钢板（简称BH钢板）。含有间隙固溶原子C、N的退火状态薄板，经变形后， 导致基体内位错密度增加，C、N原子向位错扩散的距离缩短，随着高温时效处理（或烤漆温度处理），提高了C、N原子扩散的热激活能，促使其向位错的扩散加快。C、N原子在位错处聚集，钉轧位错，此时薄板再变形需要更高的屈服应力。 薄板呈现烘烤硬化值，用BH表示。薄板的烘烤硬化值（BH值）主要依赖于钢中固溶原子C，随着固溶C量增加，BH值提高。为防止薄板在较短时间内（3个月）出现时效倾向，应控制钢中固溶C量，一般为，这时可获得以上的烘烤硬化值，固溶C 量增加，BH值提高，薄板的时效倾向加大， 可用增大冷平整量来控制时效倾向，但降低薄板塑性。烘烤温度提高，BH值增加，烘烤温度在250280时BH值达到最大值。4、相变诱导塑性钢将0.100.40C、1.02.0Si和1.02.0Mn，加热到（+）两相区，保持一定时间，以某一速度冷却到钢的贝氏体转变温度保温，最后得到铁素体+贝氏体+（1020）残余奥氏体的复合组织。当钢板经冷加工成形时，诱发残余奥氏体向马氏体转变，呈现高强度和高塑性。5、冷轧双相钢板随着强度的增加，钢板伸长率下降，要获得强度高，塑性好的钢板，最理想的组织应为铁素体（高塑性）+马氏体（高强度）。要求马氏体不破坏冲压时的基本组织（铁素体）变形的连续性，马氏体应为岛状，这种铁素体+马氏体钢称为双相钢。它具有以下优点：a、屈服点低，抗拉强度高，屈强比低。b、无屈服点伸长或是屈服伸长应力应变曲线平滑。c、伸长率高。d、初始加工硬化率高，加工强化性能高。e、抗疲劳性能好。冷轧双相钢（相变强化）可获得高强度和良好的塑性，冷轧双相钢具有高抗疲劳性、抗碰撞吸收能、好的抗凹陷性能和安全性，被汽车界所关注，有可能成为汽车特别是轿车首选的冷轧高强度钢板。6、表面处理钢板（可与高强度钢板结合）（1）热镀锌和电镀锌钢板；（2）合金化热镀锌钢板(简记为GA 钢板)；（3）Zn - Ni 合金电镀钢板；（4）双层Zn - Fe 合金电镀钢板；（5）薄膜有机复合钢板；统计表明，热镀锌钢板生产的汽车的腐蚀率、故障率仅为普通钢板生产汽车的1/3。随着汽车使用期的延长更加明显。目前，中国轿车车身全部采用镀锌钢板的有上海通用别克、上海大众帕萨特、一汽-大众Audi A6和一汽轿车M6等。但目前生产量大的上海桑塔纳和一汽捷达，其车身用镀锌钢板每车只有约2025Kg。7、减振复合钢板减振复合钢板是在上下2层钢板之间夹着1层厚度约0.05mm的高分子阻尼材料，把金属材料和高分子材料的特性有机地结合起来。因此，减振复合钢板既具有金属材料的强度、塑性、可焊性和冷加工成型性，又具有高分子材料的阻尼特性。为减小汽车振动、降低噪声、增加乘坐的舒适性，在汽车发动机和变速器周围的冲压件常采用减振复合钢板制造，如发动机油底壳、气缸罩盖、变速器正时齿轮盖板、齿轮室罩盖和驾驶室前围板等。如果将减振复合钢板中间高分子阻尼材料由0.05mm增加到整板厚度的1/31/2，这种钢板既具有优异的减振性能，又可在不降低零件刚度的条件下大幅度减轻汽车质量。8、热轧酸洗钢板热轧钢板生产流程短，成本低，钢板有较高的强度和较好的伸长率，主要用来制造汽车车架、车轮、车厢及底盘和结构件。这种钢板经盐酸酸洗、在线平整和涂油，钢板表面光洁平整，尺寸精度高，称热轧酸洗钢板。可用它代替部分冷轧钢板生产结构件和深冲件，以降低汽车成本。9、不锈钢具有减轻质量潜力的不锈钢材料主要为高强度不锈钢。如AISI301L(0. 02 %C - 17. 3 %Cr - 7 %Ni - 1 %Mn - 0. 15N)钢试制的防撞弓形梁、档板等零部件,减轻质量幅度一般可达15 %左右。二、轻金属及其合金材料1、铝及其铝合金汽车用的铝材主要为铝板材、挤压材、铸铝及锻铝。铝板开始用于车身发动机罩外板、前翼子板、顶盖，后来又用于车门、行李箱盖板。其他应用有车身结构、空间框架、外覆盖件和车轮等构件，如车身、冷气设备、发动机缸体、气缸盖、悬架支架、座椅等。此外，铝合金还广泛用于汽车电器和导线上，铝基复合材料也可用于制动刹车片和一些高性能结构件上。用于汽车车身的铝合金板材有： A l - C u -Mg(2000系)，Al-Mg（5000系）和Al-Mg-Si（6000系）。6000系合金中主要的合金元素是Mg和Si,并形成Mg2 Si相,属于热处理可强化铝合金。Al2Mg2Si合金具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。6000系的铝合金综合性能良好，可用于冲压发动机罩盖，具有烘烤硬化效应； 2000系合金属于Al2Cu2Mg系,是一种热处理可强化的铝合金,其具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能,强化相为CuMgAl2和CuAl2。2000 系合金具有很好的烘烤强化效应,但其抗腐蚀性则比其它系列的铝合金差；5000系的铝合金成形性更好，可用于一些复杂形状的冲压件，5000系合金中Mg是主要的合金元素,固溶于铝基体中,形成固溶强化效应,是一种热处理不可强化的铝合金。Al2Mg合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性。SG1122T4A 的车身铝合金板材, 硬度比普遍铝板高115 倍, 同时具有良好的冲压加工性。，国外轿车的车身主要以板材、挤压材等变形铝材为主。美、日和欧洲等国的轿车车身用铝主要有2000 系，5000 系，6000系和7000 系等合金。在纯铝中加入Cu、Mg、Zn、Si 、Mn、稀土等合金元素配制成各种铝合金, 再经冷变形强化、细晶强化、固溶强化及时效强化来提高强度, 以满足工程应用。变形铝合金的合金含量较低, 为可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类合金, 按性能的不同, 可分为以下几种。一是防锈铝合金。主要有Al - Mg、Al - Mn 系合金, 合金含量少, 塑性及耐蚀性好, 易于成形及焊接, 强度低, 适于要求抗蚀及受力不大的零部件, 如油箱、油管、铆钉、日用器皿。二是硬铝合金。主要为Al - Cu - Mg 系合金,其强度高, 但抗蚀性及焊接性较差, 主要用于制造中等强度的飞行器的各种承力构件, 如飞机蒙皮、壁板、桨叶, 硬铆钉等。三是超硬铝合金。属Al - Zn - Mg - Cu 系合金, 为硬铝中再加锌、铬、锰等合金而制成, 强硬度更高, 为时效强化效果最高的铝合金, 其热态塑性好, 但耐蚀性差, 主要用于工作温度较低, 受力较大的飞机大梁、螺旋桨叶等。四是锻铝合金。主要为Al - Cu - Mg - Si 系及耐热性突出的Al - Cu - Mg - Fe - Ni 系铝合金, 具有良好的热塑性、铸造性、耐蚀性及焊接性, 机械性能与硬铝相近, 适于锻压成形, 故称锻铝。主要用于制造形状复杂的锻件, 如导风轮及飞机上的接头、框架、建筑用铝合金门窗型材。铸造铝合金的合金含量较高, 熔点较低, 适于铸造成形。常有以下几类。一是Al - Si 系铸造铝合金: 具有优良的铸造性及较好的耐蚀、耐热及焊接性, 适于制造各种形状复杂的铸铝件, 如内燃机活塞、汽缸体、汽缸头、轿车轮载、仪表壳等, 应用量占整个铸铝的50 %以上。二是Al - Cu 系铸造铝合金: 此类合金的强度特别是高温强度较大, 主要用于在较高温度(300 以下) 工作的零件, 如内燃机汽缸头及活塞等。三是Al - Mg 系铸造铝合金: 此类合金属于高强度和高耐蚀性的合金, 密度小, 抗冲击, 常用于外形较简单、承受冲击载荷、在腐蚀介质下工作的船舰配件、化工零件等。四是Al - Zn 系铸造铝合金: 此类合金是最便宜的铝合金, 其铸造性好, 强度较高, 但耐蚀性较差, 密度较大, 主要用于受力较小, 形状复杂的仪器仪表件及建筑装修小配件。五是Al - Li 系铸造铝合金: 是近几年开发的新型铝合金, 由于锂(Li) 的加入使密度降低10 %20 % , 而Li 对Al 的强化效果十分明显, 使其比强度、比刚度大大提高, 已达到部分取代硬铝和超硬铝的水平, 且耐蚀及耐热性较好, 是航空航天工业的新型结构材料。六是Al - Re 系铸造铝合金: 为Al - Si 系合金中加入稀土Re , 铸造性好且耐热性高, 用它制成的内燃机活塞的使用寿命比一般铝合金活塞高七倍以上。铝合金的基本特性：（1）铝合金的比重轻，仅为钢铁材料的1/3左右，纯铝的比重为2.68g/cm3;（2）强度高，延性、塑性好，且可以通过热处理改变其力学性能，并具有良好的低温性能;（3）加工工艺性能好，可铸造、锻造、焊接、轧制、冲压成形，类同于钢；（4）具有良好的抗蚀性，可以生成致密的氧化膜，即使在酸性介质中也具有良好的耐蚀性；（5）具有高的弹性，并且无磁、无毒、无火花放电；（6）易于涂装且表面可以精饰；（7）可以回收，循环使用，是很好的绿色材料；（8）具有高的弹性变形性能。铝合金的在汽车中的应用形式：铸造铝合金：铸造铝合金在汽车中的应用以在发动机中的应用最为典型，Si Cu 系列的GD-AlSi9Cu3 压铸铝，其中包括铝活塞、铝缸盖、铝缸体等部件；此外，铸造铝合金在底盘零件中也有应用，主要是应用在各类壳体上，如变速箱壳体；部分轿车车轮亦采用铸造铝合金制造。锻造铝合金：多用于制造轿车车身结构件和悬架支撑件等。液态模锻铝合金：采用液态模锻工艺生产的活塞性能更好，尤其是这种工艺可以用于生产在活塞顶部采用复合材料局部增强的活塞。挤压铝合金：在汽车上应用的挤压铝合金型材种类多样，应用较多的是5000系和6000系合金，高强度挤压材有时亦有采用2000系铝合金。挤压铝合金型材可用于车身结构件，有些型材则用于汽车的装饰件，如车窗骨架构件；挤压棒材和方型材用于加工汽车的各类要求较高的阀体，如制动系统的ABS的HCU阀体等；有些挤压管材用于加工储气筒，一些大直径的管材用于加工复合材料增强的高压气瓶内胆。变形铝合金板材：变形铝合金板材主要用于车身覆盖件。目前，轧制板材应用较多的是6000系列的烘烤硬化板，主要用于冲压发动机外板及行李箱外板，这类变形铝合金板除了应具有良好的冲压成形性外，还应具有翻边延性、以利于内外板的连接；同时，还应具有良好的烘烤硬化性能，即在170左右30分钟即可发生充分的烘烤硬化。另一类变形铝合金是5000系列的铝合金，这类合金除应具有良好的成形性和强度外，还应具有良好的可焊性，目前，多用于制造商用车的油箱和制动储气筒，而薄板变形铝合金则广泛用于制造汽车水箱。近年来，为了扩大铝合金板材的应用，也开始研制激光剪截拼焊毛坯，用于汽车的冲压件。半固态成形件：金属半固态成形技术起源于二十世纪七十年代，其特点是高效、高性能、低成本、节能环保。利用Thixmolding工艺，可为一些汽车公司生产铝镁合金铸件和交通运输和武器装备零部件的生产。泡沫铝材：泡沫铝材是一种在金属基体中分布有无数气泡的多孔材料，它可以通过去除夹在铝中的其它物质来获得，如烧结、电镀、铸态渗流法等，也可以在熔融态的铝中产生气泡来制造，如发泡法和气泡法等。这种材料的质量更轻、强重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性；将泡沫铝填充于两个高强度外板之间制成的三明治板材，在用于车身顶盖板时，可提高刚度、轻量化并改善保温性能，用在保险杠、纵梁和一些支柱零件上时，可以增加撞击吸能的能力，在轻量化的同时，提高了撞击安全性；因此，泡沫铝材也是特殊的轻量化材料。2、镁合金镁合金是最轻的金属结构材料,其密度为1. 751. 90g/ cm3。镁合金的强度和弹性模量较低,但它有高的比强度和比刚度,在相同重量的构件中,选用镁合金可使构件获得更高的刚度。镁合金有很高的阻尼容量和良好的消震性能,它可承受较大的冲击震动负荷,适用于制造承受冲击载荷和振动的零部件。镁合金具有优良的切削加工性和抛光性能,在热态下易于加工成型。镁合金熔点比铝合金熔点低,压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当,一般可达250MPa,最高可达600MPa以上。屈服强度,延伸率和铝合金也相差不大。镁合金还具有良好的耐腐蚀性能,电磁屏蔽性能,仿辐射性能,可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能,压铸件比厚最小可达0. 5mm,适应制造汽车各类压铸件。所用的镁合金材料以铸造镁合金为主,如AM、AZ、AS 系列铸造镁合金,其中AZ91D 用量最多。镁合金压铸件适应做汽车仪表板、汽车座椅骨架、变速箱壳体、方向盘操纵系统部件、发动机零部件、车门框架、轮毂、支架、离合器壳体和车身支架等。3、钛合金钛是一种银白色的金属,密度为4. 5g/ cm3 ,比铁小很多; 钛的熔点为1 668,比铁还要高;热胀系数小,作为耐热材料很有潜力;其制成的钛合金抗拉强度可达1 500MPa,可与超高强度钢媲美,其比强度是常用工程材料中最高的; 钛合金可在550以下工作,优于铝合金及一般钢; 钛和钛合金的低温韧性很好,在- 253 (液氮温度)时仍有良好韧性,是最理想的能在超低温下使用的工程金属材料。钛在550以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,使其在大气、海水、硝酸、硫酸等氧化性介质及强碱中的耐蚀性优于大多数不锈钢。钛与氮、碳结合生成的氮化钛、碳化钛是非常耐热及坚硬的物质,是制作高耐热、高耐磨工具的材料,而金黄色的氮化钛像黄金一样闪亮,已成为一种高级仿金装饰膜材料。钛合金是一种新型结构材料,它具有优异的综合性能,如密度小,比强度和比断裂韧性高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,低温韧性良好,抗蚀性能优异,某些钛合金的最高工作温度为550,预期可达700。因此它在航空、航天、汽车、造船等行业获得日益广泛的应用,发展迅猛。钛合金适于制造汽车悬架弹簧和气门弹簧、气门。用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2 100MPa的高强度钢相比,可降低自重20%。用钛合金还可以制造车轮、气门座圈、排气系统零件,还有些公司尝试用纯钛板作车身外板。日本丰田开发了钛基复合材料。该复合材料以Ti - 6A1 - 4V合金为基体,以TiB为增强体,用粉末冶金法生产。该复合材料成本低、性能优良,已在发动机连杆上得到实用。三、车身用复合材料复合材料是由两种或两种以上化学本质不同的组分人工合成的材料，其结构为多相，一类组成相为基体，起粘结作用，另一类组成相为增强相，用以增强材料的机械性能和提高材料的比强度、比刚性等。复合材料分类：按性能分：功能复合型材料、结构复合型材料按基体分：高分子基（PMC）、金属基（MMC）、陶瓷基（CMC）复合材料按增强相分：颗粒状、层状、纤维增强复合材料纤维增强复合材料应用最多：FRP：纤维增强塑料：玻璃纤维增强塑料（GFRP，俗称玻璃钢）应用最多，其次还有碳纤维增强材料（CFRP）FRM：纤维增强金属：连续纤维增强金属、晶须增强金属、粒子增强金属FRC：纤维增强陶瓷：碳纤维系FRC、陶瓷纤维系FRC、晶须纤维系FRC、以及C/C碳纤维增强碳素复合材料）汽车上主要使用玻璃增强塑料（热固性和热塑性塑料），碳纤维增强复合材料近年来越来越多地用于汽车，主要用于要求耐热性、耐修性的部位如发动机室内的零部件、车身外板和车顶、挡泥板、发动罩、保险杠、行李箱盖、侧门框装饰、风挡窗框。复合材料用于汽车时比金属有如下优点： 复合材料一般能减轻质量 35 %， 从而有助于节约燃料和减少废气排放； 与使用钢相比，模具费用可减少 50 %； 复合材料加快生产速度，在生产中实现成本的节省； 复合材料是适合于适当车辆和用途的理想材料，因为它们能迅速投入生产，有较大的设计自由度，从而使设计师创造性地设计出的新产品“鹤立鸡群”； 复合材料能将为数众多的复杂金属件合并成单独的 1 个组件，从而在设计中就节约了刀具加工和装配的费用。1、碳纤维复合材料碳(石墨) 纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500 所形成的纤维状碳材料,碳含量在90 %以上。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导等优良特性。碳纤维复合材料是一种高强度复合材料,主要由作为增强材料的碳纤维和作为基本材料的热固性树脂组成,在众多轻量化材料中具有较高的比强度,比刚性、轻量化效果十分明显,因而被广泛应用于制作汽车结构件,在车身结构中,减轻质量效果尤为明显,比钢铁材料轻50 % ,比铝材料轻30 %。车身部件中使用碳纤增强材料,至少可达到降低20% 30%的重量或更高的减重目标。碳纤车身覆盖件加工工艺分3个阶段,即凹模的制作、碳纤车身覆盖件的制作、碳纤件成品的安装。碳纤维复合材料现在引起了汽车制造厂家的兴趣，由于其刚性高、密度低而具有潜利益。碳纤维的成本高仍然是作为车辆潜在结构材料实现生产碳纤维复合材料的最大障碍。碳纤维生产中的最大成本因素，是母体的成本高（占生产成本的 45 %60 %）和设备的高投资费用（占生产成本的 20 %35 %）。碳纤维早期应用部分事例： 各种不同零部件用碳纤维复合材料很有意义的应用是通用汽车公司开发的 1991 型 Ultralite概念车。 预期福特 P2000 概念车和戴姆勒克莱斯勒ESX-2 概念车上将有 411 kg 碳纤维。 GM Percept 车装有碳纤维复合材料保险杠，这是一碳纤维复合材料前贮油勘探用车，碳纤维复合材料前车灯和尾车灯安装板和聚芳酰胺复合材料一个部件。应用举例：碳纤维复合材料正用于下列车的发动机罩：2004 Zob Commemoratve Edition Chevrote Cor-vette 。质量不到标准玻璃纤维（ 9.3 kg） 的33 %， 此碳纤维外板用环氧产品粘合到碳纤维 /低密度由Meridion 公司模塑的 SMC 内板上。Maclean Quality 复合材料公司在其设于美国犹他州 West Jordan 的工厂制造此发动机罩。荷兰 DSM 复合材料树脂公司重点开发 SMC和块状模塑料（BMC）供汽车用，用乙烯基酯树脂和碳纤维开发SMC / BMC 配方。2、玻璃纤维复合材料FRP的制品往往是材料制造和产品成型同时完成。成型工艺有手糊、RTM、SMC、缠绕、热塑性塑料（GF/PP）注射模塑及GMT 冲压成型等。片状模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）和团状模塑料（Bulk Molding Compound，BMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。使用时，将两面的薄膜撕去，按制品的尺寸裁剪、叠层，放入金属模具中加温加压，即得所需要的制品。树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）是以手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，它的基本原理是将玻璃纤维增强材料放到封闭的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模后成制品。热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称为FRTP（Fiber Rinforcedthermoplastics）。从生产工艺角度分析，热塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类。美国公司开发了一种LPMC(lowpressure molding Compromal)工艺，它将RTM 的低压低温和SMC 的工艺结合起来。形成在RTM 条件下即可生产出性能和SMC 相似的新工艺。RTM 部件可以部分替代钢制部件。TERTM (Thermol Expansion Resin Transfer Moulding热膨胀树脂传递模塑料）使用聚氨酯、PVC聚氨酯泡沫等作为预成型坯中的芯材，在注射过程中树脂同时渗入芯材和预成型坯中，芯材在加热条件下发生膨胀，进而与增强材料(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维)及环氧树脂结合形成复合材料。为了在注射时改善模具型腔内树脂的流动性浸渍性,更好地排尽气泡，出现了腔内抽真空，再用注射机注入树脂的VARTM(Vacuum-Assisted Resin Transter Moulding)技术，基本原理和RTM 工艺是一致的。低密度SMC 玻璃钢材料的比重为1.3，比标准的材料（比重为1.82.0）重量轻38%以上。美国通用公司的所有克尔维特99 款车身的内板和新型的车身顶盖、内饰都使用低密度SMC 玻璃钢材料；另外，还有车门、发动机罩、行李箱盖等。美国Dodge Vipex 车的发动机罩也使用了低密度SMC 玻璃钢材料，99 款车身有1/2使用这种材料制作发动机罩。应用举例：2004 通用汽车公司 Envoy XUV（中型 SUV）的特征是车顶组件用片状模塑料（SMC） 制造。Hummer 公司的 H2 SUT 车的特征是采用SMC 和结构反应注塑（SRIM） 复合材料作其后车门总成。增强反应注塑（RRIM） 也用于 2004 型车上，包括 Silverado Quadra Steer 小型客货两用车上的后叶子板。在 GMC Envoy 车上的承重地板使用 RIM 复合材料。GMC 车上的承重地板和Silverado 车上的叶子板都使用拜尔公司的聚氨酯技术。TCASM 是由 AOC 和 Thyssem Krupp Buad公司开发的， 以减少 SMC 车身外板上涂层的爆裂。密封 SMC模塑表面可防止在涂层以后固化时被吸收的挥发份“脱气”。新 Callidas XLR 使用 Ashland 专用化学品公司的 PHASE EPSILON SMC 和巴斯夫公司的 UV密封技术于前、后活动车顶，活动小客车后车盖，支柱和储油车门。PHASE Epilson 504、11 Premiman A 级车身外板树脂具有特殊涂料、粘合和物理性能。福特公司已将传统的 A 级 SMC 转换成 SMC，这能转换在下列 2004 型车上实施： Mustan 车上的发动机罩、活动车顶和叶子板； Thunderhird 车上的发动机罩和前叶子板，活动车顶，可拆卸车顶； Explorer Sport Trac 车上的货物箱和车身后侧板； Lincoln Navigator 车上的发动机罩和前叶子板； Ecoolin 车上的发动机罩外板； F150 Fx off-rcoad series 车上的箱形外板。长纤维增强热塑性塑料（LFT）是塑料工业中增长最快的领域之一，汽车上的应用占全世界LFT 需求量的 95 % 以上。的应用包括车身下部外板、前端组件和连门面板。在汽车结构中，玻璃增强热塑性复合材料的用量一直到 2010 年将以 10 % 的年增长率持续增长。玻璃纤维增强材料 TWINTEX 产品系基于混合玻璃纤维和热塑性塑料长丝，其主要应用领域是汽车工业，用以生产诸如车身结构、阻流板、车门面板和车身顶板。Borealis 已开发成功短玻璃纤维增强聚丙烯产品，据称此产品在空气进气岐管、风扇支架和导片圈、发动机盖、冷却系统零部件和前端托架有潜在用途。该公司称，其 Xmod 产品有可能替代金属，长玻璃纤维 DP 和玻璃增强聚酰胺。XTC 的热塑性复合材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）浸渍长玻璃纤维交织的要求多孔片材。好几层这样的片材叠成平预浸料坯。然后加热，准确定位于压塑模具，模塑成大型手板件如汽车发动机罩、车顶和行李箱盖。在压塑终了时注入模内涂料，以保产品具有钢一样的 A 级表面质量。XTC 复合材料与制造汽车大型水平板件的热固性树脂 SMC 相比，有如下 5 项优点： 这种材料可完全熔融回收，采用一种已获专利权的回收法（甲醇醇解法），PET 可重新转变成制造它用的两种原料成份即纯净的对苯二甲酸二甲酯和乙二醇，用于再次生产可供各种用途的热塑性聚酯。废 XTC 复合材料也可于转化成能量，因为它燃料不会产生污染。 这种材料与热固性 SMC相比可减轻板件质量 15 %，而其刚性、硬度和耐冲击性等于甚至优于热固性 SMC。 它可电涂，耐 200 温度 30 min，有保持尺寸稳定性。因此用它制成的汽车外板可在现有钢制外板装配线装配、电涂和表面涂装，成本效益高。 模塑后不需修饰。板件脱模后不需砂磨修整。 原材料与加工的总成本可与热固性 SMC 竞争，XTC复合材料与热固性 SMC 不同，有无限的可贮存期，无需冷藏。3、车用增强塑料综述增塑材料是由两种以上不同性质的材料经过一系列物理化学变化、各种工艺进行增塑的一种材料，它具有轻质、高强、耐腐蚀、绝缘、耐温、可设计性强、工艺性好等一系列特点。发达国家汽车制造业一直把增塑材料视为理想的汽车轻量化材料之一。20世纪90年代是增塑材料在汽车上得到大量推广的年代，被国外汽车专家称之为增塑材料时代，一大批新材料如碳纤维、混杂纤维、多轴织物、夹心增塑材料、摩擦材料、GMT、HSMC、LP/LTSMC、RTM、RIM、VARIM、SCRIMP、纤维增强尼龙、SPRINT等先进材料和新工艺技术都在汽车工业中得到应用。3.1增塑材料用于汽车工业中的优势减轻汽车质量，提高燃油经济性减轻车体的质量，可以导致小的功率需求、小的驱动引擎和悬挂装置及由于动能的减少而减少冲击危险，这种螺旋式的结果将使车身质量进一步减轻。先进增塑材料、钢和铝在车身减重方面的对比见表1。据最新资料统计，汽车车辆每节省100千克，意味着约行驶110公里，节省燃油0.7升。其更加省油的原因是由于当今汽车发动机技术的提高，使燃油效率更高，也更加说明了汽车减重对节省燃油的重要性。据报道，美国TPM增塑物公司制造的增塑材料汽车，壳体长9.1米，采用环氧玻纤毡、RTM成型，汽车重3175KG，比同尺寸的钢汽车壳体省30%，其燃油消耗不到钢汽车的60%。3.2汽车增塑材料的研究进展碳纤维SMC（CSMC）为充分发挥增塑材料减重的优越性，进一步降低质量，长期以来，一个重要的研究就是将碳纤维引入到SMC组份中以取代玻璃纤维。 DSM公司已研制出了CSMC，并已将其中几种应用到汽车的亚结构部件中。该种材料的技术难点，即碳纤维与聚酯和乙烯基的上胶浸责问题已经解决，这样就可以用已有的SMC技术来制作SCMC。同时，碳纤维的价格已降到$20/KG。并且，CSMC材料有较好的性能。重要的是用碳纤维代替玻璃纤维后，SMC的质量可降到65%。可达到减重的目的，节能省耗。长纤维增强热塑性塑料（LFT）长纤维增强热塑性塑料（LFT），纤维长度有几厘米，是近几年来才发展起来的新材料。它是介于短纤维和玻纤毡（GMT）之间的一种新的材料。材料可以由玻纤、碳纤、PP、PA等不同的基材和纤维结合而成。它保持了纤维增强热塑性塑料的结构（亚）结构材料的广泛应用范围，价格相对较便宜，可大规模快速生产的特点。它的价格、性能介于短纤维-长纤维增强热塑性增塑物的中间。LFT的新发展是在保证LFT工艺质量的基础上，采用简单的机械结构，来实现LFT基础以及最少的设备投资。如CLS（Center of Light-weight Structure）研制的加工机械可以达到减少投资的目的。可再生玻纤增强聚酰胺（PA）玻纤增强聚酰胺（PA6），具有良好的综合性能，表现为良好的冲击强度和机械性能、摩擦系数小、耐磨损、耐老化、化学稳定性好、有自熄性、加工流动性好等。汽车是其最大的应用领域。同时，汽车行业日趋增加的环保要求，推动了汽车增塑材料在车辆上的回收再利用问题的研究。最近，美国、日本等国都先后研制出了通过化学降解，产生可再生的尼龙，生产玻纤增强汽车部件，美国Visteon公司使用再生尼龙生产了5.4升节流阀壳体。美国福特公司称：这是汽车工业上第一个“绿色的动力车部件”，并且是第一次用含有可再生材料制作的高性能汽车部件。Visteon公司期望每年的这种注射模塑部件要达到 130,000件。用再生材料生产的增塑物转换器被用来代替传统汽车部件。已被用于FORD Econodine货车、F-系列卡车和旅行运动用车辆（SUV- Sport Utility Vehicle）。这种热塑性转换器质量比金属轻510克，模具费用降低20%，这种可再生塑料的价格可与原尼龙增塑材料竞争。天然纤维增塑材料天然纤维增塑材料轻质（天然纤维的密度仅有玻璃纤维的50%60%），适应于汽车轻量化及其节能的要求；可降解性适应于环保的要求；因此，自20世纪90年代开始，天然纤维在汽车上的应用得到了很大的发展。天然纤维增强热塑性塑料制件首先在汽车上获得应用。欧洲大量采用植纤 /PP加工汽车内装饰板，法国Mecedes公司用黄麻/PP加工扶手、内饰板等汽车零件。世界各国目前对天然纤维增塑材料仍在进行深入研究。研究集中于克服天然纤维的吸水性及在与基体材料不相容性、天然纤维在基体中的分散性、热变形温度的提高、合适的成型及加工性等，并取得了较大的进展。碳纤维增强增塑材料碳纤维增塑材料代替玻纤增塑材料在汽车上的应用主要是利用其刚度和轻质的特性。一般来讲，碳纤维的刚度是E-玻纤的3倍以上，碳增塑材料的质量要比玻纤增塑材料轻1/3。这种碳增塑材料可以吸收更多的扭变能和冲击能，提高汽车的冲击容限水平，使汽车更安全。明显的减重效果，汽车能耗低，减少了燃油的污染，越来越严格的符合环保及未来电动汽车的要求。碳纤维与玻璃纤维性能对比见表3。目前碳纤维增塑材料在汽车上的应用主要是在高强承力件上，如采用拉挤碳纤维承重架，减振弹簧叶片。英国政府的贸易和工业部（DTI）的车辆计划（Foresight Vehicle Programme）中提出了要制造最大省油的碳纤维增塑物汽车。设计的低燃料消耗的减重汽车（长4.3m,宽1.7m，高1.4m）的质量仅 570KG，采用600CC IC引擎，速度145KM/H，燃油效率达2.5升/100KM。美国Hypercar INC采用高燃油效率、现代制造及设计技术可以大批生产轻重汽车。其中运动车（Sport Utility Vehicle-SUV）采用了全碳结构骨架，并且前后的旅客安全壳都采用了增塑材料。这些安全壳的标准承受压力56 km/hr（35MPH），在碰撞时可以保证安全及保持车体不受损害，这种汽车所达指标已大大超过了美国的安全标准。福特等著名汽车公司的运动跑车大都已采用了碳纤维。四、车身用非金属材料非金属材料在提高汽车轻量化和功能化方面起着重要作用，这些材料包括塑料、橡胶、织物、玻璃等各种无机和有机材料。汽车用有塑料、橡胶、摩擦材料、化学纤维、玻璃和陶瓷材料近几年来新发展的情况和方向，包括车身外板、格栅、后阻流板、保险杠、仪表板、门内板、顶棚内村、座椅、进气歧管、散热器水室、油箱、汽车轮胎、胶管、门窗密封条、减振橡胶制品、汽车摩擦材、汽车用化学纤维、汽车用无机材料等。1、塑料塑料是一种高分子材料，用它代替各种昂贵的有色金属和合金材料，不但可以提高汽车造型的美观度与设计的灵活性，而且还可以降低汽车的能耗。此外，塑料的应用有抗腐蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优点。近年来，塑料在汽车上的应用越来越多，目前已由内外装饰件向车身覆盖件和结构件方面发展，而且由通用塑料为主转变为工程塑料、纳米塑料等为主。塑料主要应用在衬套、装饰件及车身某些部件上，可是人们追求的目标是应用在整个车身外壳上。全塑汽车的开发已成为国外各大汽车公司长期以来竞相追求的目标，通用、福特、戴克、丰田等公司在该领域走在前列。目前在汽车上所用塑料有：聚丙烯( P P ），聚氯乙烯（P V C ），聚氨酯（PUR ，不饱和聚酯（UP），丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯三元共聚物（ABS），酚醛树脂（PF），聚乙烯（PE）和聚酰胺（PA）。PP、PE、PUR 等应用范围正在扩大，纤维增强复合材料（FRP）等新品种的用量也随着技术的成熟在增加。塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料车用热塑性塑料有:ABS、PP、PE、PVC、PF、PU，占车用塑料80左右车用热固性塑料有：PUR、UP塑料在汽车上的应用由以内装饰件为主转向外装饰件和功能结构件，由通用塑料为主转向工程塑料、复合材料或塑料合金等。我国汽车用塑料的品种按用量排列依次为PP、PVC、PU、不饱和树脂、ABS、PF、PE、PA、PC和复合材料。就不同品种的塑料用量来看,如果按使用数量排列,德国是PVC、PU、PP、PE、ABS; 美国是PU、PP、PE、PVC、ABS;日本是PVC、PP、PU、ABS、PE、FRP。汽车塑料件的分类及应用：1.1 塑料内饰件聚酯/ABS塑料( PC /ABS)合金是最适合用于汽车内饰件的材料。这是因为PC /ABS合金具有优异的耐热性、收稿日期: 2005 - 06 - 17耐冲击性和刚性,良好的加工流动性,也是制造汽车仪表板的理想材料。PC /ABS合金的热变形温度为110135,完全可以满足热带国家夏天中午汽车在室外停放的受热要求。PC /ABS合金有良好的涂饰性和对覆盖膜的黏附性,因此用PC /ABS合金制成的仪表板无需进行表面预处理,可以直接喷涂软质面漆或覆涂PVC膜。此外, PC /ABS合金还可用来制造汽车仪表板周围部件、防冻板、车门把手、引流板、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件等汽车零部件。Woodbridge Group 开发出一种新型泡沫聚氨酯,它不仅容易浇铸在基板上,还可增加基板的刚度,可用来制作各种形状的内饰件。3M公司推出了一种复合噪声控制薄膜全新产品,实际上是一种胶带,可放在螺钉与塑料基板之间,防止两者摩擦,也可放在车门把手与车门饰板之间用于降低噪声。为了减轻内饰重量,许多国外汽车厂开始采用比ABS树脂和聚丙烯轻的由玻璃纤维增强泡沫R IM聚氨酯制成的饰板。用泡沫聚氨酯制成的门板比玻璃纤维门板轻15%30% ,强度、吸声性和安全性能也好。聚丙烯由于价格低,在美国市场上得到迅速应用。克莱斯勒公司决定Neon车的内饰全部使用聚丙烯。许多新型车,如克莱斯勒公司的NS、通用公司的M 和APV、福特公司的W indstar和Villager的内饰都采用聚丙烯替代ABS树脂。具体应用：轿车安全内饰件现广泛采用塑料:包括转向盘、仪表板、门内板、座椅、顶棚及其他盖板、行李箱等。(1) 车内顶棚目前轿车顶棚一般为玻璃纤维/ 发泡聚氨酯/ 表面装饰织物等多种材料复合加工而成的成型顶棚,考虑到功能要求和回收利用,将来的发展趋势是骨架、吸音、隔热和表皮材料尽量采用同种材料,或者使用不需分离而直接一次性回收使用的增强复合材料。(2) 门立柱装饰板门立柱装饰板材料常用PP和PPO(聚苯醚)。(3) 塑料仪表板汽车仪表板的功能多、零件多、结构复杂,仪表板由基质材料和表面材料组成,表面材料是树脂和泡沫塑料,基质可以是金属,一般为钢材。目前的仪表板大多数是PVC 表皮/ 半硬发泡PU/ 骨架来构成。奥迪A8 仪表面板由注射模热塑性材料:PC/ ABS 混合物或PPO 混合物制造。日本丰田汽车公司和美国福特汽车公司使用PPO 制造仪表面板。1.2 塑料外饰件常见塑料外装制品有保险杠、阻流板、散热器格栅、侧防撞条、后视镜框、门把手、后装饰挡板、轮罩以及车身外板、塑料窗玻璃等。这些塑料制品从材料角度来看大致分为3类,即塑性塑料注射成型制品,复合塑料模压制品,聚氨脂反应注射模成型制品。聚酯( PBT) 和聚酯/聚碳酸酯合金( PC /PBT) ,尤其是弹性体增韧PC /PBT合金和PC /PET合金是制造汽车外饰件的理想材料,适合制作汽车车身板、侧面护板、挡泥板、门框等。高耐热型PC /PBT合金和PC /PET合金的注射成型外饰件可以不用涂漆。PC /PET合金可制作汽车排气口和牌照套。具体应用：汽车外装件,包括保险杠、散热器格栅、侧防撞条、后导流板、各种车用灯具