隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、易合成型等優(yōu)點(diǎn)的非金屬材料越來越多的取代傳統(tǒng)的金屬材料，在汽車上得到了應(yīng)用。在汽車工業(yè)中非金屬材料有塑料、橡膠、摩擦材料、涂料、膠黏劑、復(fù)合材料、玻璃、紡織材料、密封材料及潤滑油等。其中汽車用復(fù)合材料在汽車工業(yè)中越來越得到廣泛的重視和應(yīng)用，而且有著一定的市場開發(fā)前景。

1　車用復(fù)合材料的特點(diǎn)

一般稱為復(fù)合材料的是由纖維等增強(qiáng)材料與基底（母體）等2種或2種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝手段組合而成。它與纖維增強(qiáng)塑料（FRP）、纖維增強(qiáng)金屬（FRM）、金屬-塑料層疊材料等相當(dāng)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度好的特點(diǎn)，這些復(fù)合材料在汽車零部件上應(yīng)用很盛行。
　　復(fù)合材料是并向異性的非均質(zhì)材料，與其他材料相比有以下突出特點(diǎn)：
　　1)比強(qiáng)度與比模量高。比強(qiáng)度、比模量是指材料的強(qiáng)度和模量與密度之比，比強(qiáng)度越高，零件自重越小；比模量越高，零件的剛性越大。因此對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)件或需減輕自重的運(yùn)輸工具具有重要意義。
　　2)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維與基體間的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30％～50％，而復(fù)合材料則可達(dá)到60％～80％。
　　3）在熱塑性塑料中摻入少量的短切碳纖維可大大地提高它的耐磨性，其增加的倍數(shù)可為原來的好幾倍。如聚氯乙烯以碳纖維增強(qiáng)后為其本身的3.8倍，聚四氟乙烯為其本身的3倍；聚丙烯為其本身的2.5倍(本資料由東莞優(yōu)暢工程塑料公司提供)；聚酰胺為其本身的1.2倍；聚酯為其本身的2倍。選用適當(dāng)塑料與鋼板復(fù)合可作耐磨物件，如軸承材料等。用聚四氟乙烯（或聚甲醛）為表層、多孔青銅和鋼板為里層的三層復(fù)合材料，可制成滑動軸承的良好材料。
　　4）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。纖維增強(qiáng)酚醛塑料可長期在含氯離子的酸性介質(zhì)中使用，用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，可制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥及容器等設(shè)備。如用耐堿纖維與塑料復(fù)合，還能在強(qiáng)堿介質(zhì)中使用。耐堿纖維可用來取代鋼筋與水泥復(fù)合。
　　5）耐高溫?zé)g性好。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，除玻璃纖維軟化點(diǎn)較低（700~900℃）外，其他纖維的熔點(diǎn)（或軟化點(diǎn)）一般都在2000℃以上，用這些纖維與金屬基體組成的復(fù)合材料，高溫下強(qiáng)度和模量均有提高。例如：用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后，400℃時(shí)強(qiáng)度和模量基本可保持室溫下水平。同樣用碳纖維增強(qiáng)金屬鎳，不僅密度下降，而且高溫性能也提高。由于玻璃鋼具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可瞬時(shí)耐超高溫，故可做耐燒蝕材料。
　　6）工藝性與可設(shè)計(jì)性好。調(diào)整增強(qiáng)材料的形狀、排布及含量，可滿足構(gòu)件強(qiáng)度和剛度等性能要求，且材料與構(gòu)件可一次成型，減少了零部件、緊固件和接頭數(shù)目，材料利用率大大提高。

2　復(fù)合材料的功用和性能

復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、比模量高、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料的各個(gè)組成材料在性能上起協(xié)同作用，具有單一材料無法比擬的優(yōu)越綜合性能。因此，在汽車工業(yè)中，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于車身、燈殼罩、前后護(hù)板、保險(xiǎn)杠、板彈簧、座椅架及驅(qū)動軸等部件的設(shè)計(jì)與制造。
　　在汽車工業(yè)中的復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)注意3個(gè)原則：1）比強(qiáng)度高和比剛度高；2）材料與環(huán)境相適應(yīng)；3）性價(jià)比高。另外，在設(shè)計(jì)車身時(shí)，有一些經(jīng)驗(yàn)方法，如：在應(yīng)力高的區(qū)域適用碳纖維復(fù)合材料；在對韌性和剛度要求比較高的區(qū)域使用三合板復(fù)合材料；在幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域可以使用層合板。
　　復(fù)合材料性能適合車身輕量化的要求，降低油耗。傳統(tǒng)的汽車車身材料處于以薄鋼板為主的單一狀態(tài)，不能適應(yīng)人們追求高速與輕量化的要求，為減輕其質(zhì)量，改善風(fēng)阻系數(shù)和降低油耗，許多汽車廠家都積極研究和利用新材料以達(dá)到上述要求。汽車自重減少50kg，1L燃油行駛距離可增加2Km；若自重減少10％，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高約5.5％。許多類型的復(fù)合材料都在車身輕量化過程中得到了施展才能的舞臺，并在汽車的輕量化進(jìn)程中大顯生手。汽車輕量化的目的就是節(jié)能和減輕排放污染。同時(shí)環(huán)境保護(hù)已成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略必不可少的條件，而復(fù)合材料的發(fā)展趨勢正朝著延長使用期以及可再生的方向發(fā)展。
　 　 3　幾種研發(fā)中的復(fù)合材料

1）碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）。碳纖維由纖維和聚丙烯睛經(jīng)高溫加熱處理制造而成，具有耐熱性高，比重比鋁和玻璃纖維還小，而且與塑料復(fù)合其強(qiáng)度可與鋼和鋁相匹敵?？墒?span lang="EN-US">CFRP的成本與GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）相比，遠(yuǎn)高很多，大多限于航空宇宙和體育用品范圍內(nèi)使用。
　 　 1979年，美國福特汽車公司發(fā)表了用GFRP制作輕型實(shí)驗(yàn)車的新構(gòu)想（見圖1），其中使用CFRP約300kg，燃費(fèi)約可降低35％。該實(shí)驗(yàn)車主要是將CFRP材料應(yīng)用于車體面板，其他是傳動軸和板彈簧等功能性零件，同時(shí)，還嘗試在發(fā)動機(jī)機(jī)體和連桿、活塞等零部件上應(yīng)用。CFRP材料質(zhì)輕，剛度和強(qiáng)度也高，因材料的各向異性，設(shè)計(jì)時(shí)，可在所需的方向保持其強(qiáng)度和剛性。CFRP的彈性模量是GFRP的4~9倍，是金屬材料的3~4倍。如果成批生產(chǎn)，成本將進(jìn)一步下降，故而它將是一種期望很高的復(fù)合材料。

2）纖維增強(qiáng)金屬（FRM）。CFRP與GFRP具有各種優(yōu)越的機(jī)械性能，但其基底是塑料，與金屬相比耐熱性差。因此，作為高溫強(qiáng)度材料使用的FRM的研究十分盛行，并且揭開了可將其在汽車上使用的可能性。增強(qiáng)纖維有：碳元素、碳化硅、硼、氧化鋁等?；?，開始有鋁、銅及鎳，后又有與各種目的相適應(yīng)的鈦、鎂、鋅及錫等。增強(qiáng)纖維與各種金屬相結(jié)合，將制造出各種特性的FRM。現(xiàn)正進(jìn)行將FRM應(yīng)用于活塞、連桿及其他一些滑動零件的研究。因這種纖維價(jià)格高，以及還未達(dá)到成批生產(chǎn)的規(guī)模，它作為高溫強(qiáng)度好的材料，其利用價(jià)值是相當(dāng)高的。
　 　 3)金屬-塑料層輯材料。將高強(qiáng)度鋼板和鋁、塑料等緊密結(jié)合在一起的材料是種理想的輕型材料，也是種夾層結(jié)構(gòu)的層疊材料。由于它是在塑料芯的兩面粘結(jié)上薄鋼板或鋁板，具自優(yōu)越的隔熱和隔音性能。層疊材料，它叫發(fā)揮與鋼板相匹敵的剛性好的特點(diǎn)，它由塑料芯兩面的金屬板承受彎曲應(yīng)力，由塑料芯材承受剪切應(yīng)力(本資料由東莞市優(yōu)暢工程塑料有限公司提供)。在同樣剛性下，層疊鋼板與一般鋼板相比，質(zhì)量是其30％~-70％,  如果對于層疊板質(zhì)量有一定限制要求時(shí)，可由改變芯兩面的金屬板與芯板的厚度等來解決。層疊材料的成本一般是鋼板的1～3倍，但它還存在一些需要解決的問題，如：使用在車體面板時(shí)，與各面板如何粘結(jié)拼合；在其表面金屬鋼板銹蝕時(shí)，剛性會降低等。然而隨著層疊材料研究開發(fā)的進(jìn)步，使它實(shí)用化將有很大的可能性。
　 　 4)車用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于增強(qiáng)材料和填充材料品種繁多，因此將使用玻纖當(dāng)做增強(qiáng)材料的材料稱為GFRR。由于玻纖的加入大大地改善了塑料的物理機(jī)械性能，通過塑料經(jīng)過增強(qiáng)后，也能作為工程材料應(yīng)用。目前汽車上使用的玻纖增強(qiáng)塑料主要有玻纖增強(qiáng)PP、玻纖增強(qiáng)PA66或PA6以及少量PBT和PPO材料。汽車上應(yīng)用的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性材料(GMT)、片狀模塑材料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。
　 　 增強(qiáng)PP主要用于制作發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇葉片和正時(shí)齒帶上下罩蓋等制品，但有些制品存在外觀質(zhì)量不好、翹曲等缺欠，因此非功能件逐漸被滑石粉添充PP所替代。增強(qiáng)PA材料在轎車、廂式車及載貨車上都已采用，一般都是用于制作些小的功能件，例如：鎖體防護(hù)罩、保險(xiǎn)楔塊、嵌裝螺母、油門踏板、換擋上下護(hù)架-防護(hù)罩和開啟手柄等。GMT是目前國際上極為活躍的復(fù)合材料開發(fā)品種，這是種以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強(qiáng)骨架的新穎、節(jié)能及輕質(zhì)的復(fù)合材料，一般可以生產(chǎn)出片材半成品，然后直接加工成所需形狀的產(chǎn)品，纖維可以是短切玻璃纖維或連續(xù)的玻璃纖維氈。
　 　 SMC是一種較重要且用途廣的模壓復(fù)合材料制品的半成品。與鋼制汽車零件相比，SC生產(chǎn)周期短，便于汽車改型，投資效益好；質(zhì)量較輕，節(jié)約燃油；設(shè)計(jì)自由；制件的整體性好，零件的數(shù)量很少；耐用性和隔熱性好。但是SMC不可以回收，污染環(huán)境；雖然性能價(jià)格比較好，但一次性投資往往高于對應(yīng)的鋼制件，如福特金牛座和水星黑貂轎車前圍里的下散熱器托架，原鋼制的有22個(gè)零件，而SMC的只有2件，質(zhì)量大減，成本降低14％。
　 　 盡管許多汽車廠在生產(chǎn)汽車車身時(shí)都已改用由玻璃纖維為增強(qiáng)的材料來替代相對笨重的金屬，但是玻璃纖維是由熔融玻璃拉成的纖維，它在高溫融化后非常容易重新凝固，這給廢舊汽車回收處理帶來了很大困難。為此，法國國家科學(xué)研究中心正在研究一種以大麻和聚氨酯為原料的合成材料，這種材料的特點(diǎn)是除具有金屬和玻璃纖維各有的優(yōu)點(diǎn)外，價(jià)格更便宜，質(zhì)量更輕，韌度更強(qiáng)，而且叫以生物降解?，F(xiàn)在，該中心正在對這種材料的強(qiáng)度及其他特性進(jìn)行測試，一期目標(biāo)是用這種材料生產(chǎn)出汽車車門。

4　金屬基復(fù)合材料(MMC)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

MMC用于汽車工業(yè)主要是顆粒增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。MMC具有高的比強(qiáng)度和比剛度、耐磨性好、導(dǎo)熱性好及熱膨脹系數(shù)低等特性，已在工業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用于汽車工業(yè)的MMC為鋁或鎂基質(zhì)加粉末或碎屑纖維增強(qiáng)。在汽車制動盤、制動鼓、制動鉗、活塞、傳動軸以及輪胎螺栓上，采用MMC制造。
　 　 目前，鋁基復(fù)合材料一般采用鋁硅合金。常用的填充增強(qiáng)劑有陶瓷纖維和微粒等。它與鋁合金相比具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的理想材料。
　 　 活塞是發(fā)動機(jī)的主要零件之，它在高溫高壓下工作，因而選合適的活塞材料是至關(guān)重要的。目前，應(yīng)用于活塞的復(fù)合材料由低密度金屬和增強(qiáng)陶瓷纖維組成，主要用于高性能鋁活塞。近年來，有所發(fā)展的是纖維增強(qiáng)金屬(FRM)，鋁合金基FRM具有抗拉強(qiáng)度高和耐磨耐熱特性(本資料由東莞市優(yōu)暢工程塑料有限公司提供)。纖維增強(qiáng)的輕金屬能用于僅靠輕合金不能滿足強(qiáng)度和耐磨性的部位上，是很有發(fā)展前途的材料。在此基礎(chǔ)上，圍外又推出了氧化鋁纖維增強(qiáng)活塞頂?shù)匿X活塞及氧化鋁增強(qiáng)的鎂合金制造的活塞等，進(jìn)一步擴(kuò)大了它在活塞上的應(yīng)用。
　 　 美國已將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于剎車輪。其特點(diǎn)是鋁基復(fù)合材料使質(zhì)量減輕了30％～60％，導(dǎo)熱性好，最高使用溫度叫達(dá)到450℃，其熱性能己達(dá)到原先使用的鑄鐵水平。MMC必須用新的方法制造，限制應(yīng)用的原理是是必須研制匹配的制動踏板。制動鉗采用金屬基復(fù)合材料制造時(shí)，除了降低質(zhì)量外，最主要的益處是剛度。MMC制動鉗應(yīng)用于高性能體育賽車上，由于高成本而限制了其大量應(yīng)用。MMC活塞主要用于柴油機(jī)上，但也可用于汽油發(fā)動機(jī)。因氧化鋁和氧化硅短纖維增強(qiáng)，但是熱疲勞易導(dǎo)致斷裂。采用陶瓷纖維預(yù)型坯可弱化這一問題，提高活塞壽命。
　 　 輪胎螺栓采用MMC制造，質(zhì)量減輕50％。2000年世界汽車工業(yè)對金屬基復(fù)合材料的用量達(dá)到0.6萬t。隨著復(fù)合材料制備技術(shù)、性能的不斷提高，以及價(jià)格的日益下降，MMC必將在汽午上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

5　復(fù)合材料在車身 懸架系統(tǒng)上的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代以后，由于復(fù)合材料的深入研究，比如玻璃纖維增強(qiáng)材料、碳纖維增強(qiáng)材料及高彈性基體復(fù)合材料的出現(xiàn)，使大幅度降低整車質(zhì)量成為可能。其中，玻璃纖維增強(qiáng)材料被較多的采用，原因是雖然碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，然而其價(jià)格昂貴，從經(jīng)濟(jì)性考慮，盡量多的使用玻璃纖維增強(qiáng)材料是一條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　 　 在最近幾年的車身制造業(yè)中，許多汽車公司開始大量使用一種叫SMC鈑金復(fù)合成型的復(fù)合材料，低密度SMC的密度只有1.3g/cm³，而它的熱膨脹系數(shù)卻與鋼鐵一樣，同時(shí)，它在耐腐蝕、抗損傷以及聲學(xué)性質(zhì)上均優(yōu)于鋼鐵。比如雪弗蘭的車型C5卡福特的金屬車頂，自1999年出產(chǎn)以后，取得了巨大的商業(yè)成功。這個(gè)長140 cm，寬1.47 cm，頂部厚度0.168 cm，內(nèi)板厚0.178 cm的框架頂部是普通SMC，側(cè)面及內(nèi)板由低密度SMC構(gòu)成，它僅重10.5 kg。然而，SMC也有缺點(diǎn)，它的價(jià)格比較昂貴，同時(shí)在抗磨損的性能上比不上碳纖維復(fù)合材料。另外，高溫時(shí)，會部分喪失承載能力(本資料由東莞市優(yōu)暢工程塑料有限公司提供)。針對這些弱點(diǎn)，許多新型的SMC被開發(fā)出來，其中，SMC3374是  一種較典型的材料，它的密度仍然維持在1.3 g/cm³左右，然而它在93.3℃能夠保持住75％的力學(xué)性能，與原來的SMC只能在65.5℃保持有了明顯的提高。因此，在2001奧德汽車極光，龐帝阿克-邦奈威勒2000以及2000別克-薩羅上，都采用了SMC3374材料。
　 　 從以上的分析不難看出，SMC僅適用于制造車身上溫度不高且承受的載荷不大的區(qū)域，比如頂部和側(cè)面。而底部以及高溫區(qū)域，就需要能夠抗高溫和耐高壓的復(fù)合材料了。
　 　 戴爾福公司在1981年生產(chǎn)出第一個(gè)采用復(fù)合材料小彎曲的板撣簧。小彎曲材料有很高的剛度，也就是說，在很大的壓力下，它的應(yīng)變卻可以保持在很小的范圍內(nèi)，同時(shí)它的密度很小，只有鋼材的50％~70％，因此，小彎曲材料的承載與自身質(zhì)量之比是鋼材的5倍。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，它比鋼材要堅(jiān)硬3.5倍。這些優(yōu)點(diǎn)都是由材料性能直接帶來的(本資料由東莞市優(yōu)暢工程塑料有限公司提供)，除此之外，復(fù)合材料板撣簧要比鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)簡單得多，很容易裝配，維修以及采取防腐措施。而且，由于它比鋼板彈簧小得多的厚度，使它叫以更接近地面，從而節(jié)省了汽車的有效空間。必要時(shí)，更可以用來降低汽車的底盤，提高汽車的舒適性能。
　 　 高溫下材料的性能，一直是材料選擇的因素。測試結(jié)果顯示，車下板彈簧處的溫度最高可以達(dá)到130℃，小彎曲材料在這個(gè)溫度下性能是穩(wěn)定的。正是基于以上的諸多優(yōu)點(diǎn)，小彎曲材料被廣泛應(yīng)用于制造汽車的板彈簧，從轎車到輕型貨午，甚至重型商業(yè)運(yùn)輸車都采用了這種板撣簧。

6　復(fù)合材料與未來汽車

未來的汽車是屬于適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的綠色汽車，因而在此不可避免的要提到復(fù)合材料的環(huán)保意識。復(fù)合材料能提高材料性能，延長使用期，加強(qiáng)功能性，這些都是對環(huán)境有利的特性。但應(yīng)認(rèn)真對待并努力克服復(fù)合材料的再生問題，使復(fù)合材料朝著環(huán)境協(xié)調(diào)化的方向發(fā)展。
　 　 復(fù)合材料零件的再生利用是非常難的事，會對環(huán)境產(chǎn)生些不利的影響。如目前發(fā)展最快、應(yīng)用最高的聚合物基復(fù)合材料中絕大多數(shù)屬易燃物，燃燒時(shí)會放出大量有毒氣體，污染環(huán)境；且在成型時(shí)，基體中的揮發(fā)成分即溶劑會擴(kuò)散到空氣中，造成污染。復(fù)合材料使用本身就是多種組分材料構(gòu)成，屬多相材料，難以粉碎、磨細(xì)、熔融及降解，復(fù)合零件首先分解成單一材料的零件，然而這種分解工藝成本和再生成本較高，而且要使其恢復(fù)原有性能十分困難。因此再生利用的主要條件之一是零件容易拆卸，盡可能是單一品種材料，即便是復(fù)合材料也要盡量使用復(fù)合性少的材料(本資料由東莞市優(yōu)暢工程塑料有限公司提供)?；谏鲜鲈瓌t上的考慮，熱塑性聚烯烴彈性體、聚丙烯發(fā)泡材料及GMT增強(qiáng)板材的應(yīng)用量還會大幅度增加，相反熱固性樹脂的用量將受到限制。目前在再生性和降解性方面的研究工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。當(dāng)今社會，人們目光的角度逐漸轉(zhuǎn)到人與自然的關(guān)系問題上，環(huán)境與能源問題成為世界上每個(gè)國家能否生存和發(fā)展的關(guān)鍵。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高以及符合環(huán)保法規(guī)的相繼出臺，綠色汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢，因而如何使汽車滿足環(huán)境保護(hù)的要求，便提到了汽車廠商們的議事日程。而復(fù)合材料作為末來汽車材料發(fā)展的主流，必將在其中扮演非常重要的角色。