復合材料在汽車工業(yè)中的應用－周一兵.ppt

1、我國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及高分子復合材料在汽車工業(yè)中的應用,中國汽車工業(yè)協(xié)會汽車相關工業(yè)分會 名譽理事長周一兵,主要內容,中國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 汽車復合材料應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 汽車復合材料零部件主要品種及成型工藝 近期國內汽車塑料及零部件新材料、新技術發(fā)展目標,一.中國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀2007年汽車行業(yè)的基本狀況,汽車生產企業(yè)5,600余家: 整車生產企業(yè)集團80家，生產企業(yè)約130家 發(fā)動機生產企業(yè)60余家 規(guī)模零部件企業(yè)4,500余家,總產值： 22392億元 銷售產值: 21928億元 利潤：1199億元 出口: 412億美元,汽車產量：:888萬輛，其中轎車：479.8萬 民用汽車保

2、有量：3，697萬 私人擁有汽車2,925萬，其中轎車：1,149萬,直接從業(yè)人員近220萬人 相關產業(yè)從業(yè)人員達3,500多萬,汽車生產企業(yè),財務數(shù)據(jù),從業(yè)人員,汽車數(shù)量,歷年汽車產量保持連續(xù)快速增長九年增幅保持兩位數(shù)，2000年產量突破200萬輛后，2002、2003、2004、2006和2007年每年產量增量均躍升到百萬級規(guī)模。2007年產量比2003年翻了一番,07年同比增長,22,23.8,萬輛,2002-2007汽車產量,2007年我國汽車細分市場情況,2007中國十大汽車企業(yè)集團 產量集中度為83.4%上汽、一汽、東風三大汽車集團產量紛紛突破百萬輛大關，分別達156.1、146.

3、5和115.5萬輛，創(chuàng)各自歷史新高，并引領車企向今年總產銷千萬輛前進,2006中外合資企業(yè)整車市場份額達52,2006年主要中外合資企業(yè)整車市場份額,通用,大眾,雷諾日產,現(xiàn)代,本田,豐田,PSA,福特,鈴木,其他,轎車格局從“6+3”向“7+10”的變化,我國轎車工業(yè)從八十年代起步，主要依靠外方的資金和技術，從三大三小開始,逐步形成了“6+3”的格局 隨著產量和品種的增加，我國主要汽車集團不斷壯大，自主開發(fā)能力有所增強，自主品牌開始走向市場。目前用“7+10”來描述我國的轎車格局更為確切 這種變化標志著在中外合資的領域里，中方要加強維護自身權益和提升話語權，提高利用外資的水平和逐步形成以中方

4、為主的中外合作格局,轎車轎車整車企業(yè)6+3格局（與國際主要汽車集團格局類似,上海通用,一汽大眾，上海大眾,長安福特，江鈴汽車,天津一汽豐田，廣州豐田,北京奔馳戴姆勒-克萊斯勒,東風日產,華晨寶馬,廣州本田，東風本田,東風標致雪鐵龍,轎車企業(yè)“7+10”格局,二汽,北京,長安,華晨,上海,一汽,廣州,2007年轎車產量前十位的市場份額情況,2007中外合資企業(yè)轎車銷量比例達到74% 自主品牌轎車占26,2007年經濟型轎車仍然為市場主體,轎車排量,2007年轎車按排量市場份額 1.62.5L區(qū)間車型增幅最大，體現(xiàn)轎車向中型化發(fā)展趨勢,1.6升以下銷量占57.6,汽車行業(yè)歷年利潤比較2007年實現(xiàn)

5、利潤1199億元同比增長61.8,20012007年整車出口2007年汽車整車出口61.4萬輛,萬輛,2001-2007汽車零部件出口金額2007年汽車零部件出口286.9億美元,美元 十億元,2008年仍將保持快速發(fā)展態(tài)勢,國民經濟GDP增速將超9%，堅持擴大內需的方針，增強銷費對經濟增長的拉動作用； 市場需求增長潛力大。我國每1000人擁有不到50輛汽車，而全球平均水平為120輛，美國為750輛。我國很多家庭還沒第一輛汽車； 我國汽車對海外市場的吸引力會越來越強：技術水平的提高，優(yōu)越的性價比優(yōu)勢,2008年我國汽車需求,生產汽車: 1000萬輛 ( 比去年同期增長: 12.6%) 其中:乘

6、用車: 730 萬輛（其中轎車550萬輛) (比去年同期增長: 21.49 % ) 其中: 商用車: 230萬輛 (比去年同期增長: 26.04 ,2008年16月我國汽車工業(yè)運行情況 累計生產汽車: 519.96 萬輛 ( 比去年同期增長: 16.71%) 其中:乘用車: 365.31萬輛 （其中轎車271.75萬輛） (轎車比去年同期增長: 15.27% ) 其中: 商用車: 154.65 萬輛 (比去年同期增長: 18.48,在國家宏觀經濟保持健康發(fā)展的基礎上,期望汽車能夠保持一個合理穩(wěn)定的有利于市場成熟發(fā)展的速度,即總體保持和國家GDP同步或稍高一點的10%左右的增長速率,轎車會適度提

7、高一點到12-15%左右.按照這個增速發(fā)展,保守預測,我國可望在2012年成為世界第一汽車生產大國,到2018年左右成為世界第一汽車消費大國. 政府加快職能轉變,逐步改變多頭管理局面,形成適應汽車社會需求的社會支撐體系 企業(yè)重組兼并加快,進一步做強做大，在今后5年內能形成以八大集團為核心的汽車產業(yè)結構，涌現(xiàn)3-5家整車企業(yè)和1家零部件企業(yè)進入世界500強. 自主開發(fā)能力大大提高,部分自主品牌汽車開始在用戶心目中形成質量優(yōu)越,價格合理的首選品牌. 汽車產品出口規(guī)范有序,出口效益明顯提高,大型企業(yè)能夠形成穩(wěn)定的國內和海外的兩個市場體系. 汽車零部件企業(yè)加快重組整合,形成實力和規(guī)模,中國成為全球汽車

8、零部件的重要生產基地和采購基地,對我國今后汽車工業(yè)的發(fā)展展望,總結,中國汽車工業(yè)經過55年的發(fā)展，已經躋身到世界汽車制造大國的行列,產量世界第三,國內消費世界第二 目前中國汽車工業(yè)的國際化基本完成了吸引國際汽車集團來華投資建廠，引進先進產品和技術，擴大國內市場的第一步 國際化擴張還停留在初始階段，還談不上對其他國家汽車工業(yè)構成威脅。但國際化進程的步伐一定會加快，期望中國在近期內發(fā)展成為世界零部件的采購中心,二、汽車復合材料應用現(xiàn)狀及趨勢 車用熱固性復合材料,玻纖增強樹脂(FRP)如： 玻纖增強不飽和聚脂片狀模壓成型SMC（Sheet Molding Compound）、團狀模壓成型BMC、沖壓

9、成型片材（Stampable Sheet）等與其他高分子材料相比具有強度高、剛度大、耐高溫、成本低,破損安全性好，獨特的成型工藝（可整體成型），減少了零部件緊固和接頭數(shù)目等優(yōu)異性能等優(yōu)點，一直是汽車覆蓋件最理想的非金屬材料,FRP具有強度高、耐腐蝕、加工性好及可制造“A”級表面汽車外覆蓋件等特點，被廣泛應用于汽車車身部件。 早在1955年歐洲就開始在汽車上使用FRP，如今FRP全塑車身引起全球關注。例如，美國克萊斯勒公司開發(fā)的VIPER轎車車身由19件FRP零件組成，采用RIM工藝進行制造。美國通用公司開發(fā)的APV子彈頭多用途旅行車，其FRP件的使用量高達147kg/輛，其中SMC的用量為11

10、4kg/量。英國ELAN運動車采用真空輔助樹脂注射（VARI）成型工藝制造汽車車身及結構件，F(xiàn)RP用量為150kg/量。此外法國雷諾公司的ESPACE MARK 型面包車及意大利非亞持公司的微型車等車型在大量將FRP用作汽車車身方面取得了成功。 到1996年，北美汽車制造業(yè)SMC制造汽車零部件的用量上升到108.9kt（與1995年的90.72kt相比增加了20%），其中包括27個制造廠生產的125種車型中的380種汽車零部件,其他應用部件還包括前/后蓋、車門、車身擾流板、汽車輪胎蓋板、車身支梁甚至整個車身,車用熱塑性復合材料a.玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（GMT,玻璃纖維氈增強熱塑性復合材

11、料（Glass Mat Reinforced Thermorplastic）以玻璃纖維（氈）為增強材料，熱塑性樹脂為基體，通過加溫、加壓制成復合材料，簡稱GMT，是目前國際上極為活躍的復合材料開發(fā)品種，被視為世紀新材料之一。 輕質高強度的GMT片材，通過結構優(yōu)化設計，可取代部分金屬材料，獲得顯著的減重效果，而且節(jié)省模具費用，（僅為金屬沖壓模具的1020），并有利于多種零件組合，形成模塊化生產方式。用GMT片材可較原金屬件減重3080，能耗僅為鋼制品的6080，鋁制品的3550，價格低于同體積的金屬制品。 GMT片材在汽車工業(yè)中的應用，已達40多種，主要有座椅骨架、保險杠、儀表板、發(fā)動機罩、電池

12、托架、腳踏板、前端、地板、護板、后牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件,b長纖維增強熱塑性復合材料（LFT,LFT增強材料是纖維連續(xù)紗或者短切玻璃纖維（適合于LFT-D），其組成材料可以是玻璃纖維、芳基纖維、碳纖維、鋼纖維和其他能夠形成連續(xù)紗的纖維。LFT-G的基體聚合物可以是各種熱塑性塑料，常用的有PP（56），Nylon（32），其他的還有ABS、PPS、TPU、POM等等。為了改善界面強度，通常還需要界面改性劑，如偶聯(lián)劑以及相容劑。 LFT材料現(xiàn)在廣泛應用在汽車工業(yè)中。Ticona公司的LFT產品（Celstran和Compel）成功的應用在VW Golf 型上,LFT在汽車

13、中的具體應用,c天然纖維增強熱塑性復合材料（NMT,傳統(tǒng)的纖維增強復合材料是由玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維或碳纖維等人造合成纖維組成的，它們一般都存在著耗能大、造價高、易造成環(huán)境污染等問題。與玻璃纖維及碳纖維相比，各種天然纖維(如麻纖維、竹纖維、甘蔗渣纖維等)具有價廉、可回收、可降解、可再生等優(yōu)點，其復合材料的研究與開發(fā)應用，近年來成為人們對材料研究開發(fā)的熱點之一。 天然纖維復合材料在汽車工業(yè)的應用目前還局限在汽車內飾件上。戴姆勒-克萊斯勒公司已經成功的將天然纖維復合材料應用在了其生產的奔馳E系列轎車上。先前此類車的車門、車內部件用的是木纖維復合材料，現(xiàn)在用亞麻/劍麻氈增強的環(huán)氧樹脂進行了替換，

14、使得重量減輕了20%左右，而且，機械性能也得到了改善，尤其是對于安全保護方面。另外，用亞麻/劍麻氈增強復合材料能夠成型更為復雜的立體構件，因此，這也更適用于車門外貼板等部件，以替換先前的材料。 福特汽車公司設在德國的材料工程部門在研究亞麻/PP注射成型方面取得了相當?shù)倪M展，在新型的福特車中這種材料將用于制造冷卻器架和引擎擋板等部件。用這種材料制造的部件重量比用玻璃纖維增強的材料輕25%左右,天然纖維復合材料在汽車中的應用(NMT)各種天然纖維(如麻纖維、竹纖維、甘蔗渣纖維等)具有價廉、可回收、可降解、可再生等優(yōu)點，其復合材料的研究與開發(fā)應用，近年來成為人們對材料研究開發(fā)的熱點之一。天然纖維復合

15、材料在汽車工業(yè)的應用目前還局限在汽車內飾件上,D. 碳纖維增強復合材料,幾十年前即有預言，碳纖維增強復合材料將取代金屬，用于制造汽車底盤，這一預言正逐步實現(xiàn)。 2003年DaimlerChrysler公司推出的Dodge Viper型跑車的擋板支架系統(tǒng)所采用的材料碳纖維復合材料,這項技術也是碳纖維在大型底盤和車身外部部件上的首次應用。碳纖維復合材料的擋板支架薄壁雖只有2mm，卻能支撐著整個車身前端，而且有34個零件在這里聯(lián)結，剛性提高了22。 近年來，日本開始研究采用碳纖復合材料,基體樹脂采用具有較高玻璃化轉變溫度的聚醚酮，這樣碳纖復合材料的比抗拉強度優(yōu)于鋁合金的比抗拉強度。代替目前正在使用的

16、鋁合金來制造汽車渦輪增壓器壓氣機葉輪，具有強度高、耐久性好和可靠性高的優(yōu)點，并使葉輪質量減輕了48，降低了轉子慣量，提高了轉子加速性能，縮短了渦輪增壓器的響應滯后。 近年來，世界各國都致力于研究新一代磨阻材料取代石棉摩擦材料，其中碳纖維復合材料具有比強度高、比彈性高，耐熱性好，耐磨損等優(yōu)點，已成為增強效果很好的石棉代用品。碳纖維陶瓷剎車盤裝置，國內已有廠家生產并有出口,三.汽車復合材料零部件 主要品種及成型工藝,復合材料汽車車身 a高級全塑跑車。骨架結構件采用碳纖增強塑料，如美國GM公司的“Ultralite”，車身材料成本為1.3萬美元，外覆蓋件采用玻纖增強塑料。全塑車身均用于高檔的運動車。

17、 b復合材料概念全塑車CCV（Composite Concept Vehicle）。車身采用玻纖增強熱塑性聚酯注射成型，如Chrysler公司的“Ticona”，采用注射成型，用于大批量生產的CCV。 c普通高級乘用車。骨架結構件采用金屬件，外覆蓋件采用塑料件，如“Saturn,復合材料汽車零部件 外裝飾件：保險杠、擋泥板、車輪罩、導流板、前后翼子板、舉升門等。其應用特點是以塑代鋼，減輕汽車自身質量； 內裝飾件：儀表板、車門內板、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板等。其應用特點是安全、環(huán)保和舒適； 功能與結構件：油箱、散熱器水室、空濾器罩、風扇葉片以及發(fā)動機進氣管、氣缸蓋罩等。其應用以采用高強

18、度復合材料為特點,后舉門,轎車后舉門（Tailgate）是車身的重要零部件之一，由于后風窗的存在，其具有兩大特點，首先要求后舉門上部窗框處具有良好的剛性與強度，其次是后舉門結構復雜，沖壓成型困難，且生產中采用金屬沖壓成型工藝時材料利用率較低（僅有66%），因此，國外眾多兩箱車多采用纖維增強塑料材料后舉門。采用增強塑料不僅重量輕，而且便于生產，綜合成本低于金屬后舉門。如雪鐵龍-ZX后舉門采用長玻纖增強復合材料注射（ZMC）成型后舉門，其重量僅為7.9kg。Mercedes-Benz A 級車采用GMT骨架、PBT/PC合金的熱塑性塑料后舉門，GM公司的Saturn SW1旅行車采用SMC后舉門。

19、目前國外采用增強塑料后舉門的車型見下表,后舉門材料工藝結構方面，目前國外主要有以下三種結構形式： 全部采用熱塑性材料結構形式 :內外板均采用熱塑性塑料，如 Benz A class 后舉門內板采用GMT材料熱壓成型工藝，外板采用PBT/PC合金注射成型工藝。 熱塑性和熱固性材料混合的結構形式 全部采用熱固性材料（SMC、BMC、ZMC）的結構形式,車燈部件,隨著汽車在質量上和檔次上的提高，汽車燈具不再是一種單純的安全件，而且成為汽車上重要的外飾件。為適應這種趨勢，汽車燈具正在逐步向全塑化發(fā)展。 前大燈?？紤]到大燈玻璃的透明性、耐候性、耐沖擊性以及易于成型加工，多數(shù)表面采用涂敷硬臘的PC材料，從

20、而進一步提高了耐擦傷和耐候性。前大燈反射鏡殼，為了滿足耐熱性以及表面處理要求，一般采用BMC、PPS、PC、PBT等制成。 后排指示組合燈。燈罩材料為PMMA，燈殼為填充改性PP，它們之間用熱熔膠粘結劑粘接。隨著振動焊接技術的發(fā)展，燈殼材料開始采用耐候ABS，這樣燈殼和燈罩之間可用振動焊接，也便于材料的再生利用。 表14 不同車型車燈的所采用的材料,進氣岐管,發(fā)動機周邊塑料化普及率最高的部件是進氣歧管。它為塑料在工程結構件方面的應用鋪平了道路。利用塑料的整體化成型工藝和對汽車輕量化的明顯作用，將對加工成本、設計、安全性和燃料消耗帶來明顯好處。 玻纖增強PA66或PA6是制造塑料進氣歧管的首選材

21、料。塑料導熱率低，低溫空氣密度較大，因此可提高空燃 比，從而提高了發(fā)動機的效率。 1998年，歐洲和北美生產的80多種汽車都將使用PA進氣歧管，今后10年用于進氣歧管的PA用量將增加18kt,不同車型進氣歧管的材料,進氣歧管加工方法,塑料進氣歧管的材料可用35GF增強PA66或PA6以及PPS，但是由于進氣歧管結構復雜，不能用一般的注塑成型。主要有兩種先進加工方法： 一種方法是利用熔芯注射成型，即采用低熔點合金做模芯進行一次注射成型，再在導熱油中通過感應加熱將模芯熔掉即可得到制品； 另一種“兩步法”是將零件一分為二分別注射成型后，再用振動焊接將其合二為一成為制品。 新開發(fā)的激光焊接法比振動焊接

22、法成型條件溫和，制品焊接質量好，殘余應力小，可以焊接異形曲面，制取結構和形狀更復雜的進氣歧管，生產效率高，因此許多廠家投入相當大精力開發(fā)用于進氣歧管的激光焊接尼龍牌號,目前國內90年代后期新近引進的車型，如上海大眾Passat、Polo、東風標志PEUGEOT 206、PEUGEOT 307、豐田皇冠、銳志等等均采用塑料進氣歧管。但轎車進氣岐管目前幾乎大部分依靠進口?？上驳氖菄鴥炔糠制髽I(yè)已在國產發(fā)動機塑料進氣岐管的開發(fā)上有所突破。一汽集團與BASF公司已完成6DG3柴油發(fā)動機的大型塑料進氣歧管開發(fā)工作，2004年春季開始下線，用于紅旗CA71804GE型轎車。投產前進行了嚴格的試驗，這是我國開

23、發(fā)成功的第一個工業(yè)化塑料進氣歧管。宗申集團與天津大學合作成功開發(fā)出465QE汽油機塑料進氣岐管。另外，二汽和其他幾個廠也有開發(fā)計劃。我國應進一步加快原料和成型工藝開發(fā)，使中國汽車工業(yè)在產量迅速增長的同時，質量、性能和檔次上也都上新臺階，真正躋身世界汽車制造工業(yè)前列,氣門室蓋,發(fā)動機周邊塑料件的另一大項目是搖臂蓋（亦稱氣門室蓋）。1990年乙烯基聚酯樹脂熱固性樹脂復合材料制造的塑料氣門室蓋首次使用于美國汽車上。Cytec工業(yè)公司是美國這種復合材料的主要生產廠家，其使用的乙烯基聚酯樹脂是由道化學公司供應的。現(xiàn)在該公司每年提供這種預制整體模塑料制造的氣門室蓋1200多萬個，并被用于600多萬輛美國制造的轎車和卡車上。 發(fā)動機塑料氣門室罩的特點為成型方便，成本低，質量輕，比金屬制品成本降低50%，輕量化30%，而且大大降低噪音。塑料材料可選用玻璃纖維增強PA、玻璃纖維增強PET，如美國杜邦公司的Minlon21C（PA+玻璃纖維和礦物填充劑）和Rynite935（PET+玻璃纖維）。Amcomo公司擬將聚鄰苯二甲酰胺和PI用于制造氣門室蓋，這些材料都具有翹曲小、熱穩(wěn)定、高沖擊韌性、尺寸穩(wěn)定等特點,頂棚,貨車上開始應用低密度發(fā)泡狀GMT成型頂棚內襯，制造設備投資少，容易換型。GMT材料