玄武岩纤维在汽车轻量化中的应用

1、汽车的诞生，给人类带来很大的便捷，对人类社会的发展与进步起到了极大的促进作用。在 现在社会，汽车成为目前人们不可或缺的出行工具。然而随着汽车工业的不断发展，全球汽 车销量急剧增加，给生态环境带来负面影响，如能源紧缺、环境污染、资源枯竭等一系列问 题。转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，大力推进节能减排，发展以低能耗、低排放 为标志的低碳经济实现可持续发展成为未来的发展趋势。随着人类社会的不断向前发展，全球人们对环保意识的增强，加上能源危机日趋严重，实现 汽车轻量化以达到节能环保的诉求越来越高，优化车身结构设计、应用新型轻质材料等成为 轻量化研究工作的主要目标1。汽车材料是表现汽车好坏的重要元

2、素，汽车材料的不断更新 换代是提高汽车质量的保障，实现汽车轻量化的主要途径之一是新材料的应用。玄武岩纤维（图1）属于无机纤维，是采用天然玄武岩矿石经高温熔融拉制而成，是我国重点发展的4大纤维之一。美国德州的 CBF工业联盟指出：玄武岩纤维是碳纤维的廉价替代品，具有一系 列优异性能，最为可取的是因为它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境 污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。玄武岩纤维在强度、耐高温、耐腐蚀、隔热、隔 音等方面性能优越，是节能环保的新材料，未来这种材料将有望在汽车领域大幅应用。本文 针对玄武岩纤维在汽车轻量化技术中的应用而展开。图1玄武岩纤维示意图一、轻质材料在汽车

3、上的应用轻质材料是一种新型复合材料，它以耐碱玻璃纤维作增强材料，硫铝酸盐低碱度水泥为胶 结材料并掺入适宜集料构成基材，通过喷射、立模浇铸、挤出、流浆等工艺制成的新型无机 复合材料，以取代石子、沙子等，可以大大减轻质量。汽车中大量采用轻质材料可以有效减 轻汽车的质量。1. 高强度钢 这些年，高强度钢在汽车上的应用范围有着逐渐扩宽的趋势，并成为汽车工业发展最快的轻 质金属材料之一，占有相当比例的市场份额。它的抗碰撞性能、耐腐蚀性能在汽车的车身、 底盘、悬架和转向系零件上应用。 2001 年，奇瑞汽车股份有限公司与宝钢集团有限公司合作， 在样车上应用高强度钢板 262kg，减轻车身12%，对于汽车轻

4、量化起到良好的作用。板材和 管材作为高强度钢的 2 种形式，很好的取代了普通钢、一般铸铁在车身零件的应用。然而， 我国在高强度钢在汽车上的应用，自主开发能力不足，使得新产品的开发还得依赖于国外的 先进技术和设备，品种单一。我国高强度钢在汽车中的应用范围有待进一步扩大。2. 有色金属 目前，在车身系统、底盘和动力总成系统采用铝合金和镁合金作为汽车车身轻量化材料被广 泛应用。其中铝在地壳中的含量约占 8.13%，算是金属元素最含量最多的一种。据国际汽车 生产行会统计，在 2000 年以前，铝合金在汽车上的用量呈增长的趋势，几乎90%的汽车在用。镁虽是最轻的金属材料，但价格远远高于铝，生产技术在一定

5、程度上受限制，在汽车上 的应用相对较少。福特公司曾经与一家加拿大铝业公司生产一辆AIV（ 图 2），其使用铝合金270kg，比传统钢生产的汽车轻了 200kg3。铝合金的成本高、工艺焊接性能很差，使其最终 不能大量应用在汽车上。3. 非金属材料 其他非金属材料如塑料，由于质量轻、耐腐烛、易加工，是汽车工业最有发展潜力之一。汽 车塑料的应用经历了从内饰件向外部件不断扩展的发展历程，既仪表板、杂物箱盖、顶棚、 车门内板、副仪表板、座椅及各类护板等内装件，又车身外板、后阻流板、保险杠、车轮罩、 前后翼子板、发动机进气管和气门室罩盖等外部件 4。塑料为汽车轻量化的发展奠定了基础， 但是从保护环境和再利

6、用的角度考虑，塑料在汽车上的应用是摆在世人面前的一大难题。二、玄武岩纤维在汽车上的应用玄武岩纤维是玄武岩石料在 1450C1500 C熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的 连续纤维，强度与玻璃纤维相当。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色有些似金色。玄武岩 纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、 氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄 武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外，玄 武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中 降解，无任

7、何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维和碳纤维、 芳纶、超高分子量聚乙烯列为重点发展的 4大纤维，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已 在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护 领域等多个方面得到了广泛的应用。1. 玄武岩纤维在汽车软质仪表板骨架的应用汽车仪表板骨架是集功能性、安全性、舒适性与内饰性融为一体的汽车常用零部件。它的主 要作用是作为驾驶室中安装各种指示仪表和点火开关等的一个总成，能够及时的让驾驶员掌 握车辆行驶状态。同时还对空调系统、电子音响系统、灯光系统等进行不断的调控。汽车行 业不断向前发展，仪表板骨架作为重要的汽车

8、内饰件之一，在舒适、美观、轻量化、低气味 等方面让消费者提出了更高的要求。今天，汽车仪表板骨架到底该选用何种材料也有了一个 相对较好的答案。用玄武岩纤维复合材料做软质仪表板骨架，其强度会高、弯曲模量会高、流动性更好，耐冲击、耐疲劳、防腐性能好，生产周期短、生产率高，设计自由度大，易于实现复杂制件一次 成型，同时仪表板设计厚度也可相应减薄，质量相对减轻，一般可减轻质量约25%左右。汽车软质仪表板骨架对材料要求耐湿、耐热且刚性好、不易变形等，玄武岩纤维复合材料完全满足要求，它的韧性提高了120%，刚性提高了 60%，热变形温度提高了 15 C,并具有更好的耐热性。关键还解决了以前多个部件仪表板组合

9、件，变成现在整体的模块5。据韩国现代车企目前研究表明，把仪表板骨架选用玄武岩纤维通过真空吸塑工艺，使仪表板的厚度从3.34.2 mm减小到2.52.9mm,使仪表板的质量从 3.2 kg降至2.3 kg,还避免了司机和副驾驶人员在不 系安全带的时候免遭冲击伤害。2. 玄武岩纤维在汽车前端支架的应用 前端模块起着连接汽车前端和功能集成的作用。一般,前端模块可以包括6大部件,即前端支架（系统集成的平台）、冷却空调系统（包括动态进气格栅）、信号和照明系统、车身保 护和外观造型结构系统、传感器和驾驶辅助系统以及行人保护系统 6。为了更好的设计前端 模块空间布局,通常应用承载的截面的形状以及加强筋的布置

10、,都是由前端模块支架的功能 决定的。所以，前端支架由玄武岩纤维和聚丙烯（PP）通过整体塑成型得到的支架，特性是耐腐蚀、抗冲击、尺寸稳定性、又较高的机械性能、最重要的是质量更轻,减重达20%40%,并提高了装配效率。目前各大自主品牌车企都在积极研发当中,使之成为汽车工业的 主要原材料之一,尤其在需要承受更高载荷的较重型汽车上使用效果更好。3. 玄武岩纤维在汽车车门模块的应用车门的组成结构是由门内板总成和门外板总成 2大模块组成,以前汽车车门用工程塑料接近10%,也是实现轻量化的一种重要途径之一。采用玄武岩纤维增强复合材料制造的车身与钢制车身相比,可实现质量减轻 25%的目标。它的强度和抗蠕变性有

11、明显提高,还减小了热翘曲变形量,增强车门的整体密封性能。玄武岩纤维增强复合材料打破了集成化车门的集成高度，同时也促进了车门的模块化发展 7。朗盛采用混合注塑成型工艺，将Tepex直接反向注入注塑模具中。为了工业生产中应用,一次性注塑成型工艺完全取消了成形模具的使用,并 成功地完成了功能集成,为企业节约了成本。4. 玄武岩纤维在汽车车身的应用世界上第 1辆汽车生产于 1886 年，距现在已有一百多年了，客户对汽车的轻量化要求越来越 高，然而汽车的车身是决定轻量化的首要条件 8 。玄武岩纤维的强度和刚度足以满足汽车车 身架构的需要，完全可以充当汽车覆盖件的无机非金属材料，在减轻汽车重的同时，还有着

12、 良好的防撞性能。此外，加工的零部件整合、模块化，安装成本低且投资小，有效地解决生 产商为传统车身喷涂和环保处理等成本。 2009 年，日内瓦车展德国 EDAG 车厂推出全新一款 看似大号松花蛋的 Light Car 轻型概念车（图 3），它使用玄武岩纤维的材料做车身，比选用 玻璃纤维材质做车身的汽车减少了 30%的质量，还可以 100%回收利用，对环境的污染降至 最低。据说它还可以在-260820 C的环境下使用。这辆概念车的动力由轮内电动马达提供， 车身内部携带的锂离子电池，加上车身质量轻，有最大150km 的续航能力。爱达克车辆工程实验室研究表明，玄武岩纤维增强材料车身重516kg，而钢

13、制车身为 820kg,大大提高了能源利用和驾驶性能。一款由意大利 Roller Team 房车公司设计的环保概念房车 Triaca230 在德国房车展上首次亮相。 Triaca 房车代表的是 “通过技术减少对环境的影响得自行 式房车 ”,通过环保设计的核心材料玄武岩纤维墙板,使其质量减少了 40%, Roller Team 房车公司的宗旨是通过生态友好型设计来减少质量和对环境的影响。5. 玄武岩纤维在汽车弹簧的应用汽车经常用钢板弹簧安装在汽车悬架上,目的是起到减震的用处。由于卷耳与板簧端部通过 铆钉链接,这种生产工序复杂,生产效率低,相应产品成本较高,卷耳与板簧链接部强度较 低,板簧长期工作,

14、会使得卷耳与板簧之间的连接部容易出现疲劳折断,缩短了钢板弹簧的 使用寿命,整个板簧刚度较差,承载力过大时易出现弯曲变形 9 。为了解决以上问题,吉林 通鑫玄武岩科技有限公司生产了玄武岩纤维板弹簧,这个属于轻型板簧的强度和刚度都很高, 只有3kg，弹性模量在60多万次。普通轿车上现有的钢板弹簧，质量就可以达到10kg，是非常重的,弹性模量在 15万次。厂家透露,他们已经与德国一家汽车企业开展了研发等合作, 其生产的零部件已经装上试验车,目前表现良好。6. 玄武岩纤维在汽车消声器材料的应用降低发动机的排气噪声,并使高温废气能安全有效地排出,消声器有着重要的作用。消声器作为排气管道的重要组成部分，承

15、担着排气畅通、阻力小及足够强度。在550780 C高温排气的条件下,消声器能保证在汽车规定的行驶里程内,不损坏、不失去消声效果。这就对制作汽车消声器的吸声材料要求不仅具有吸声功能,还要具有突出的耐高温性。消声器是解决汽车噪声的主要手段。在消声器的生产工艺和结构方面生产商都有成熟的方法, 未来的几年消声器的原材料成为行业技术的发展趋势和着眼点。目前传统制作消声器的原材 料钢材的价格在不断攀升,由于制作消声器的竞争激烈,使它的价格在不断下降,整车厂对 于配套的消声器价格也要求不断降低，这就使消声器企业的单位产品利润有所降低，对于消声器企业是个不小的考验。所以，研究人员在不断寻找新的材料来代替以前常

16、用的钢铁材料玄武岩纤维的耐热性比耐高温的石英玻璃纤维都好。在450C条件下，其断裂强度仍保持在80%左右；在350 C的条件下，其抗拉强度能保持75%以上。这表明连续玄武岩纤维具有完美的耐温性，与其他纤维相比其耐热氧化性能更加明显，成为耐高温材料使用在长期处于低 温185C液氮介质作用后，其强度几乎不发生变化，足以证明它是有效的低温绝热材料。玄武岩纤维隔音效果好可用作隔音材料 玄武岩纤维材料密度15kg/m3;厚度30mm;离壁面 与材料的间距0.0mm的性能数据为：频率范围为 12007000Hz;法向吸音系数0.860.997. 玄武岩纤维在汽车用摩擦增强材料的应用 增强纤维作为汽车摩擦材

17、料的一个重要组成元素，摩擦材料的磨损性能的好坏取决于纤维。 钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物纤维等是当下汽车用摩擦增强材料 的主要纤维。然而在使用以上纤维时，都在不同程度上的存在一些问题，例如石棉粉尘对环 境污染严重，同时是人类癌变的诱导素之一，现在为了人类的健康已被限制使用;钢纤维有锈蚀性，易粘着或损伤对偶材料，使用时容易产生低频噪音;而玻璃纤维材料的磨损性差，不溶于水，噪声高;碳纤维生产的增强材料性能优异，但是其生产工艺复杂及成本过高，不利于 广泛推广 ;其他的纤维增强材料，有的浸润性不佳、有的污染环境。玄武岩纤维有着强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、磨损性好、摩擦系数稳定等特点，而 且价格适中。玄武岩纤维的材料密度2.6g/cm3，其拉伸强度比玻璃纤维高，且玄武岩纤维增强摩擦材料的耐磨性高于石棉纤维、钢纤维和玻璃纤维。通过对玄武岩短切纤维增强制动片 的性能检测，认为其具有高温摩擦系数稳定、热衰退小和制动噪音低等特点，适合作为摩擦 材料的主增强材料。传统汽车制动器容易出现的 “热衰退 ”现象，玄武岩纤维增强材料可以有效地解决这一问题， 同时减少交通事故的发生。西班牙 GALFER 公司通过实验验证并开发以玄武岩纤维作为主增 强纤维来生产的 1052系列