材料力學(xué)大作業(yè)

玻璃鋼/復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的最新應(yīng)用碩1005班張超3111003035汽車工業(yè)一直是新材料應(yīng)用的推動者，其快速發(fā)展也帶動了復(fù)合材料的創(chuàng)新型發(fā)展。進入21世紀(jì)后，汽車復(fù)合材料無論在材料開發(fā)應(yīng)用方面、工藝技術(shù)發(fā)展方面、制品應(yīng)用拓展方面都取得了長足的進步。目前，汽車用復(fù)合材料主要為玻璃纖維增強塑料、俗稱玻璃鋼。該復(fù)合材料由玻璃纖維增強不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體形成，品種繁多，性能各異，用途極為廣泛。由于所使用的樹脂品種不同，該復(fù)合材料有聚酯型、環(huán)氧型、酚醛型之分。玻璃鋼復(fù)合材料具備獨特的材料性能：強度和彈性性能的可設(shè)計性：玻璃鋼是由玻璃纖維和樹脂組成，可通過改變兩個組份的配比，和改變玻璃纖維的分布方向，在一定范圍內(nèi)獲得不同強度和彈性性能的玻璃鋼產(chǎn)品。可控各向異性：通過有機配比和纖維分布，玻璃鋼在不同方向上可具有不同的力學(xué)性能。高強度，低彈性模量，輕質(zhì)高強。優(yōu)良的耐腐蝕性及耐老化性。獨特的光學(xué)特性和電特性?；谶@些性能，自20年代90年代起，隨著環(huán)保和輕量化、節(jié)能等呼聲越來越高，以GMT（玻璃纖維氈增強熱塑性復(fù)合材料）和LFT（長纖維增強熱塑性復(fù)合材料）為代表的熱塑性復(fù)合材料得到了迅猛發(fā)展，主要用于汽車結(jié)構(gòu)部件的制造，年增長速度達到10-15%，使得作為前沿新材料的復(fù)合材料逐步替代汽車零部件中的金屬產(chǎn)品和其它傳統(tǒng)材料，并取得更加經(jīng)濟和安全的效果。隨著材料科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，近年來，新型汽車用復(fù)合材料層出不窮：1．熱塑性復(fù)合材料（FRTP）與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料在環(huán)保性和節(jié)約資源方面有著突出的優(yōu)勢。據(jù)相關(guān)資料介紹，西歐目前熱塑性玻璃鋼的年用量已超過40萬噸，其中約50%應(yīng)用于汽車工業(yè)。在熱塑性材料的應(yīng)用中又以短纖維增強熱塑性塑料的應(yīng)用為主，其中玻璃纖維增強尼龍已成為目前發(fā)動機周邊部件應(yīng)用較多的材料。德國寶馬汽車公司首先以玻纖增強尼龍為原料制造的進氣歧管應(yīng)用在6缸發(fā)動機上；后來美國福特與杜邦公司合作，共同用玻纖增強PA66制造的進氣歧管應(yīng)用在V6發(fā)動機上；以后世界各大汽車公司紛紛跟進，玻璃纖維增強尼龍進氣歧管得到廣泛的應(yīng)用。前文所述GMT是二十世紀(jì)八十年代以來世界先進國家競相發(fā)展的新技術(shù)。歐美等發(fā)達國家的GMT有80%用于制造汽車部件，尤其是近年來輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材在車頂襯里為代表的汽車內(nèi)飾件中獲得應(yīng)用，使相關(guān)工業(yè)品品種日益豐富。我國GMT的研究開發(fā)是從八十年代后期開始的，“九五”期間被列為國家863高技術(shù)新材料研究課題，目前已掌握了GMT的關(guān)鍵技術(shù)，并在應(yīng)用開發(fā)方面也取得了良好進展。LFT由于其制件內(nèi)存在相互纏結(jié)的纖維骨架結(jié)構(gòu)而它擁有最佳的沖擊和剛性的綜合性能，現(xiàn)已成為國外熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)熱點，在汽車結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用中，增長速度已經(jīng)超越了GMT。2006年開始，國內(nèi)已有廠家引進技術(shù)與裝備，進行LFT材料和應(yīng)用開發(fā)。圖1為LFT在汽車中應(yīng)用實例。圖1LFT復(fù)合材料的汽車應(yīng)用領(lǐng)域目前，還有一些新型汽車熱塑性復(fù)合材料值得關(guān)注，如：1）TwintexR復(fù)合纖維是由玻璃纖維和熱塑性塑料纖維復(fù)合成纖的一種干態(tài)預(yù)料，適于注射成型保險杠、后車門、內(nèi)飾件、儀表盤等，兼具很高的沖擊強度、柔曲性和拉伸強度。2）自增強型聚丙烯復(fù)合材料（Self-ReinforcedPolypropyleneComposite，簡稱SR-PP）是一種由高定向性的聚丙烯纖維和各向同性的聚丙烯基材組成的100%聚丙烯片材。SR-PP是繼GMT、LFT之后國外最新開發(fā)應(yīng)用的一種熱塑性復(fù)合材料，其生產(chǎn)的產(chǎn)品目前主要用作車底遮護板。3）長玻纖增強聚丙烯（LongGlassFiberReinforcedPolypropylene.簡稱LGFPP）是倍受人們關(guān)注的新品種之一。作為汽車模塊載體材料，該材料不僅能有效地提高制品的剛性、抗沖擊強度、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性，而且可以做出復(fù)雜的汽車模塊制品。如：全世界首創(chuàng)無金屬支架全塑整體前端組件，采用該材料為寶馬MiniCooper車生產(chǎn)配套。2．碳纖維復(fù)合材料（CFRP）方面由于碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料有足夠的強度和剛度，已在航天航空等領(lǐng)域廣泛使用。它也是適用于制造汽車主結(jié)構(gòu)如車身、底盤等最輕的材料，受到汽車工業(yè)廣泛重視。預(yù)計CFRP的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。用CFRP制造的板簧為14kg，減輕重量76%。但由于碳纖維增強復(fù)合材料的價格昂貴，碳纖維增強復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限，僅在一些F1賽車、高級轎車、小批量車型上有所應(yīng)用，如BMW公司的W25單殼式一級方程式賽車車身，BMW公司的M3CSL型汽車頂蓬和車身，GM公司的Ultralite車身，福特公司的GT40車身、保時捷911GT3承載式車身以及DC公司DodgeViper運動車的碳纖維防護板支架系統(tǒng)等。為提高碳纖維增強復(fù)合材料的用量，發(fā)展廉價的碳纖維和高效率碳纖維增強復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的關(guān)鍵課題，美國、日本等已將其列為汽車輕量化材料的研究計劃的關(guān)鍵內(nèi)容，并取得了重大進展。預(yù)期將在此后幾年內(nèi)有大量應(yīng)用。圖2為在歐洲新推出的碳纖維復(fù)合材料車身全新概念車。圖2全碳纖維復(fù)合材料車身3．其他新型復(fù)合材料如：1）AudiA4轎車新型發(fā)動機進氣閥使用了BASF開發(fā)的含30%玻璃纖維的高穩(wěn)定性聚酰胺復(fù)合材料。它具有很好的燃油經(jīng)濟性，能達到很高的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。2）BMW研制的8缸7系列7351發(fā)動機的機體采用了玻纖、玻璃微珠增強VyncolitX7250酚醛樹脂材料，由于填料的作用和樹脂的流動性都理想，因而提高了材料模塑性和制品尺寸穩(wěn)定性；進氣系統(tǒng)使用玻纖/Vyncolit酚醛樹脂獲得成功，在降低制品成本和重量的同時，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的高溫尺寸穩(wěn)定性。3）選用著色的耐候性極佳的熱塑性薄膜（如PC、PMMA）作為裝飾層，用高強度PBT/ASA等復(fù)合材料做支撐生產(chǎn)汽車翼子板、散熱隔柵等，可以替代金屬實現(xiàn)無噴涂化。汽車重量每減輕10%，就會節(jié)省6%-8%的燃料。因此，作為汽車以塑代鋼的重要輕量化材料，復(fù)合材料可以使汽車更節(jié)能、更環(huán)保、更安全。采用復(fù)合材料制造汽車車身殼體及其他相關(guān)部件，利用其設(shè)計自由度大和成型方便的特點為汽車產(chǎn)品的造型和功能增添了新奇與美感，實現(xiàn)汽車車身流線型的設(shè)計理念。同時，復(fù)合材料還使汽車具有安全、低噪音等優(yōu)良性能。由于汽車的質(zhì)量減輕，滾動阻力減少，進而收到降低油耗、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染以及保證安全等一系列效能。因此，汽車用復(fù)合材料對汽車產(chǎn)業(yè)乃至整個民族工業(yè)的發(fā)展有著極其重要的作用，值得學(xué)者們深入研究?！緟⒖嘉墨I】錢伯章，朱建芳。碳纖維復(fù)合材料在航空和汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用?；ば滦筒牧?，2008，第4期：14-15。鄭學(xué)森，潘徽輝。玻璃鋼/復(fù)合材料在