车用玻璃钢复合材料的应用技术拓展新天地

朱则刚
(湖北十堰东风汽车公司，十堰 442002)

摘　要：汽车工业是我国国民经济的支柱产业，近些年来得到了迅猛的发展。汽车工业的快速发展导致了汽车保有量的急剧增加，同时也给社会带来了能源匮乏、环境污染、安全三大问题。汽车节能、环保、安全既是国际汽车技术的发展方向，也是我国汽车产业政策的要求，玻璃钢复合材料是汽车工业发展的理想材料。本文介绍了车用玻璃钢复合材料的开发应用前景、国内外玻璃钢复合材料在汽车上的应用状况和我国汽车工业发展对玻璃钢复合材料的需求；同时指出了玻璃钢复合材料在我国汽车工业中的发展趋势。
关键词：车用玻璃钢；复合材料；应用技术，发展趋势

　　减少燃制消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。近些年来，美国和欧洲、日本等发达采用玻璃钢复合材料在汽车领域的应用，不断推动汽车复合材料及其制品向专业化、标准化、高品质化、环保化方向加速发展，开创了汽车复合材料的新天地。

1　玻璃钢复合材料是汽车工业发展的理想材料

　　汽车是普遍的代步交通工具，许多均将汽车工业作为其重要支柱工业。汽车工业是现代工业中先形成产业的典型代表，汽车正向着轻量化发展，要求节省燃油，提高时速，增加耐用性，舒适性和安全性，正越来越多地采用新型材料，其中玻璃钢复合材料已成为重要的车用材料。因此轻量、节能一直是国际汽车工业的主题。
　　早在70年代初期汽车工业就开始使用复合材料制造汽车零件。进入80年代，福特、雪铁龙等著名汽车制造厂商投入了大量人力、物力，深入开展复合材料技术在汽车工业的广泛应用研究，极大地推动了复合材料在汽车上的应用。复合材料也从制各简单的汽车非承力零件进入制备承力构件这一时期，复合材料高性能汽车板簧、驱动轴及全复合材料车身技术的厂家获得了成功并投入应用。进入80年代中期后，著名汽车厂商竞相在汽车结构上广泛采用复合材料，如目前引进的北京吉普、富康、福特及雪佛莱（子弹头）等车型均有较多的复合材料承力件运用。
　　玻璃钢复合材料具有加工能耗低，轻质高强，设计自由度大，不锈蚀，成型工艺性好等优点，因此是汽车工业以塑代钢的理想加工材料，轻质高强是玻璃钢复合材料的大优点。近些年环境法规要求越来越严，客观上也促使汽车越水越多地采用复合材料，在西欧甚至全，增强热固性塑料的发展低于纤维增强热塑性塑料（如GMT等），其原因在于纤维增强热塑性塑料可回收，重复利用和不污染环境。基于此纤维增强热塑性塑料是复合材料的重要发展方向，欧洲的纤维增强热塑料性塑料的增长率比玻璃钢高一倍。而对资源和环境等问题的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，一直是汽车工业重要的研究课题。传统的汽车车身材料处于以薄钢板为主的单一状态，不能适应人们追求高速与轻量化的要求，为减轻其质量，改善风阻系数和降低油耗，许多汽车厂家都积极研究和利用新材料以达到上述要求。据报道，汽车质量减少50Kg 1升燃油行驶距离可增加2 Km；汽车质量减少10％，燃油经济性可提高5.5％。国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构，以塑代钢是实现轻量、节能的佳途径之一，它也进一步推动了玻璃钢复合材料技术的发展及其在汽车零部件中的应用。当今顶级汽车公司竞相研制的概念车．这是高新汽车技术、材料号性能、价格比及智慧等诸多因素完美结合的集中体现，玻璃钢复合材料是汽车材料的选材料，从国内外汽车应用材料看，汽车使用复合材料是必然趋势。复合材料具有质轻，比强高（节能）易于加工和改型、耐腐蚀（免维护）等优点，因而已被美国汽车制造业大量采用，效果显著；眼下该材料又再次被西欧汽车制造业所重视、利用，甚至掀起高潮。玻璃钢复合材料不是一种独立的材料，随着原材料的发展与工艺上的改进，我国在汽车应用玻璃钢复合材料将是今后汽车业发展的必然趋势。

2　车用玻璃钢复合材料的开发应用前景

　　玻璃钢除轻质高强外，还具许多优势：由于玻璃钢系非均质材料，其吸收冲击能量的性能较好，当汽车发生碰撞时，可避免或减少对人体的伤害：振动衰减性能优于会属，降低噪音的效果较好：设计灵活，对设计的更改有较强的适应性：耐腐蚀性能较好，一般不必维修可使用多年等等。玻璃钢用于汽车不仅性能优异，还具有投资少，见效快和成本低等特点。因此，玻璃钢在汽车上应用的趋势越来越好。玻璃钢复合材料制品一般均为一次成型，设计灵活，尤其适于产品的流线型设计与变厚度设计，对设计的更改有较强的适应性：线胀系数为（1.5～2.0）×10^-5℃，与金属非常接近，而热导率比会属低，因此在有温差时所产生的热应力比金属小；耐腐蚀性能好；具有良好的电绝缘性（碳纤维增强复合材料除外），并在高频下保持良好的介电性能。玻璃钢复合材料相对于一般塑料和工程塑料，具有不可比拟的物理机械性能；制件不易变形，机械性能与热变形温度较高，耐化学药品性优，且价格较低，制品外观质量上更佳。其应用场合包括：车身表而覆盖件、结构与半结构部件以及发动机内部件等。
　　玻璃钢在客车车身上的应用：用于客车车身外蒙皮，主要是作为侧围蒙皮和顶盖蒙皮，也可糊制成前后围蒙皮；制作车身零部件，如前后保险杠、仪表板、发动机盖、冷暖风管道、城市客车座椅等；用作开发客车车身装饰件，如水箱面罩、通风口、内饰板、轮护板等；用于车身密封，如在车身与地板的连接处、地板之间的连接处、驾驶操作区等部位的连接处，通过糊制一层或多层玻璃钢即可达到良好的密封效果。
　　玻璃钢的成型方法有十多种，普遍使用的手糊成型工艺因工艺简单、成本低、在玻璃钢的各种成型工艺中占有相当重要的地位。目前，客车车身玻璃钢制件普遍使用的手糊成型法。
　　玻璃钢制件的特点：玻璃钢是一种新型结构材料，可以根据使用要求，选择合适的组分材料，设计出性能满足使用要求的玻璃钢制件；玻璃钢的密度只有08F钢的/5，可以使车身零部件轻量化；耐疲劳、耐腐蚀。使用寿命为金属车身的2倍；耐冲击，即使在高速情况下翻车，其车身损坏程度不及金属车身严重，可以减轻伤亡；具有良好的吸振、隔热、隔声、抗磁电效果。有利于提高客车整车舒适性：成型工艺好，设计自由，特别适宜于大面积整体成型、外形复杂（凹凸型）的薄壁型零部件，可设计制造流线型极佳的客车车身，同时能减少零部件及紧固件数目；成型工艺简单、生产成本低，成品开发周期短。采用手糊玻璃制工艺，模具开发简单，不需要大型冲压设备，成本费用仅为钢模的1／20，对于小批量生产和新产品开发，其优越性更加突出。玻璃钢制件与油漆的结合力较差。涂装时要进行相应的前处理，或添加掺合剂。若采用先进技术，无需涂漆就能达到理想效果。用于客车车身的玻璃钢制件仍然以手工为主，所以仅适于小批量生产。但玻璃钢制件的报废件小能回收利用，废弃后不易腐烂，易导致环境污染。玻璃钢制件是易燃、易爆、有毒物品，在运输、储放、制作、加工过程中必须特别重视安全与劳动保护。
　　作为一种新型材料玻璃钢的应用前景是十分广阔的，尤其在客车车身上的应用也是无尽的，且客车车身玻璃钢制件正逐渐被人们所接受。可以预期：玻璃钢在材料领域将具有不可低估的地位，在客车车身制造中将发挥出更大的作用。

3　国内外玻璃钢复合材料在汽车上的应用

　　1994年全玻璃钢产量为 3500 kt。其中汽车用玻璃钢接近于1200 kt，是玻璃钢大的应用领域。1995年  SPI发表的资料表明，美国汽车用玻璃钢已达450 kt，美国玻璃钢总产量的30 ％。汽车制造业也是欧洲玻璃钢的大市场，1995年汽车玻璃钢用量达 400多kt，其中轿车，轻型商业车用量占75％。其余用于重型卡车、公共汽车。1999年美国陆上运输用途的玻璃钢产量 560 kt，广泛用于福特、宝马、梅塞克斯、奥迪等轿车。
　　欧洲汽车用复合材料按工艺分布排列，玻纤增强热塑性塑料（FRTP）占42％，SMC/BMC占26％，RTM/RIM占2％。热塑性复合材料的产量主要取决于运输市场，该市场的占有率约为46％。电气/电子、器材/设备和其他市场的占有率分别为2％、16％、17％。
　　目前欧洲市场制造业的生产能力约过剩30％，汽车市场趋于饱和，增长速度缓慢；同美国一样，增强塑料主要用于火车，轿车用量很少，大量生产具有A级表面精度车壳的大公司很少。目前欧洲汽车复合材料的数量和品种供不应求。欧洲的纤维增强热塑性塑料比美国发展快。自1993年以来，欧洲对汽车用热塑性复合材料需求量猛增，1993年汽车用热塑性复合材料的产量仅为92kt，1994年增加了25％，产量达到15kt，其中市场占有率分别为聚酰胺（PA）59％、聚丙烯（PP）16％、聚乙烯（PE）14％、聚苯乙烯（PS）14％、聚碳酸酯（PC）3％，其它4％。1995年欧洲运输市场的树脂基复合材料总产量为450 kt，热塑性复合材料产量约195~200 kt，占42％，其中聚酰胺复合材料占59％，聚丙烯占22％，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）占10％，聚碳酸酯占1％，其他占8％。汽车制造业是欧洲增强塑料的大市场，在欧洲汽车用纤维增强热塑性塑料占的比率更大。如汽车用GMT（纤维毡增强热塑性塑料）竟占95％。目前欧洲FRTP保险杠销售量为130 万吨/年。
　　今天，全汽车保有量约有7亿辆，平均每辆车应用塑料量达200公斤，占整车重量的20％。用于制作内装饰件有仪表盘、车门内板、后护板、车内顶、座椅、发动机罩、盖板等；外装饰件有保险杠、挡泥板、导流罩等；功能与结构件主要有天然气气瓶、油箱、风扇叶片、油气踏板、空气滤气罩等，其中大部分是采用玻璃钢制成。美国复合材料的应用不断扩展，产量逐年增加。美国50％以上的汽车用玻璃钢部件为SMC制品，目前实用化的SMC汽车部件已有375种。SMC汽车部件是90年代美国成功的复合材料产品之一，当前，美国攻克了SMC的一些技术难关，获得了较大的突破。预计未来5年将增长30％。
　　
4　我国汽车工业发展对玻璃钢复合材料的需求

　　我国实行改革开放以来，由于资本和技术的引进，汽车工业发生了巨大的变化。由于引进外资和国产化的实施，我国汽车零部件制造水平也有很大的提高。
　　零部件是汽车工业的基础。生产玻璃钢复合材料汽车零部件的厂家多为行业内专业厂家。从上世纪80年代中后期开始，一些涉足汽车零部件较早的玻璃钢复合材料厂家通过汽车技术引进的辐射效应，积极采用“引进-消化-改进”模式，开发新材料新技术。密切与汽车主机厂的合作，完善玻璃钢复合材料制品的设计，开发与改进玻璃钢复合材料成型技术，协作开发并使用专用的成型设备和模具，不断降低生产成本，提高玻璃钢复合材料制品质量，开发出可用于汽车外装饰的A级表面部件，以及相关高强结构部件和特殊功能部件。现在，越来越多的车型采用了玻璃钢复合材料部件，SMC、RTM、GMT等先进材料和工艺的应用推广具有相当迅猛之势。汽车工业成为国内玻璃钢复合材料的用户和市场之一。
　　目前，我国轿车工业正处于快速发展时期。玻璃钢复合材料在轿车保险杠、车顶、车门、前脸大框、扰流板、发动机罩盖等外饰件以及车灯反射罩、电瓶托盘等部件中得到广泛应用。在奇瑞东方之子和北京现代索纳塔、伊兰特等车型中，其前保险杠缓冲器支架均采用GMT成型，重量均为单件6公斤左右。在奥迪100和A6、红旗轿车中，其后保险杠背衬均采用高强SMC模压成型。在福田冲浪、长城塞弗等SUV车型中，采用了手糊玻璃钢制作前后保险杠。另外，采用破纤增强PP，AS制作轿车保险杠，也有实例。北京吉普于1996年推出了BJ2020SY车，其车顶使用了FRP材料，采用RTM工艺制作，其车窗、立柱等附件采用SMC模压工艺成型．沈飞 SFQ2022JE轻型越野车采用FRP硬顶；江铃陆风车顶骨架采用手棚成型工艺制作。北京吉普切诺基后举升门总成和前散热器罩(GOP)均采用SMC模压；大切诺基前散热器罩采用SMC摸压成型，但未国产化。神龙富康两厢车后门原为ZMC注射成型，国内曾经采用RTM 工艺生产，现已改为钢制件。一汽大众奥迪A6轿车和上海大众帕萨特轿车采用GMT生产前端支架和前端底扳衬里。神龙富康两厢车装有上、中扰流扳。其中，上扰流板采用SMC模压和玻纤增强ABS注射工艺，中扰流板采用SMC模压和手糊工艺。江铃陆风车后导流扳采用SMC模压。天津夏利王、一汽捷选和红旗、桑塔纳2000、长安奥拓，东风悦达、英格尔和北京吉普奥蓝德、福田冲浪、长城塞弗、猎豹飞腾等车型均装有FRP扰流板或尾翼。由于在大部分车型中属选装件，一般采用手糊成型工艺。桑塔纳、夏利、捷达、富康和英格尔、奇瑞等轿车前大灯反射罩，多采用BMC注射或模压成行工艺。也有采用SMC模压成型工艺。北京吉普BJ212车采用SMC/BMC电瓶托盘。上海大众帕萨特轿车采用GMT生产蓄电池托。一汽大众奥迪A6轿车和上海大众帕萨特轿车采用GMT生产发动机罩板；北京吉普在开发军车项目时，采用了手糊成型工艺生产发动机罩盖等部件。在福田冲浪、长城塞弗、江铃陆风等suv车均采用手糊工艺生产大包围部件，包括轮眉、踏步杠、侧围等。
　　除了上述提及的FRP客车整车身之外，玻璃钢复合材料在大型、豪华中均有应用，几乎囊括所有厂家的所有车型。国内大型豪华客车厂家有：西安西沃、安徽安凯、北京、客车、厦门金龙、浙江神马巨鹰客车、深圳NEPLAN豪华客车以及中通客车、桂林大宇，亚星―奔驰、郑州宇通、丹东黄海、重庆客车、天津伊利萨尔，北方尼奥普毫等，涉及应用部件有前后围、前后保险杠、翼子板、轮护扳、裙板(侧围板)、后视镜、位表板、仓门板等，由于其产量均不丈，而且部件较大，一般均采用手糊成型工艺制作，也有部分部件采用RTM工艺。如亚星―奔驰、宇通、西沃、黄海，伊利萨尔等长途旅游客车，其卫生间采用手糊FRP制作，单套重量在30～50公斤。许多公共汽车采用了拉挤工艺制作的空调导风罩等部件。
　　在中小型客车中，玻璃钢复合材料也有广泛应用。如南京依维柯S系列车的SMC前保险杠、手糊/RTM硬顶、BMC前大灯反射罩，都灵V系列车的SMC豪华面罩、电动门总成、三角商总成、后行李车厢门总成和FRP后围总成等。北京御虎的前后保险杠、后扰流板均采用手糊玻璃钢。广州本田奥德塞旅行车的内顶棚采用GMT模压成型。金杯旅行车前大灯和雾灯采用BMC注射成型。国内诸多微型客车的前后保险杠、翼子板等都选用手糊玻璃钢材料。另外，在诸多公交车中采用了玻璃钢复合材料座椅，分别采用SMC模压、手糊和RTM等工艺制作。根据环保要求，许多公交车都采用压缩天然气(CNG)作为动力，30％以上的CNG气瓶采用了FRP缠绕工艺制作。
　　一汽集团，二汽集团和北汽福田在目前国内卡车生产企业中涉足“重、中、轻”全系列。同时，还有山东重汽、重庆红岩、陕西重汽、江苏春兰、北方―奔驰等重型卡车生产厂以及江淮汽车、南京跃进集团、北汽轻型车等中小型卡车生产厂，以及为数不少的微卡、皮卡生产厂。随着卡车技术的提高，优化与改进以及生产量的不断攀升，玻璃钢复合材料在卡车中的应用取得了突破。在中重型卡车方面，玻璃钢复合材料的应用尤其活跃，涉及前围面罩、保险杠、翼子板、轮罩、侧围板、脚踏板，导流罩、导流板、侧裙扳以及发动机内部件等部件。一汽解放改进车型142中的发动机箱体油盖、机油滤清器外罩采用SMC模压，车箱底板采用拉挤成型；一汽解放重卡前后保险杠、前围面板、导流罩、驾驶室顶盖等采用SMC模压成型、RTM或手糊工艺成型。东风卡车前围板、轮罩均采用SMC生产，尽管该车型已进行多次改进，但上述部件已持续应用多年。东风卡车还采用了水箱面罩、护风罩、进气管、导流罩等SMC部件。北汽福田欧曼重卡前翻转盖板、左右翼子板、导流罩、导流板，侧裙板、脚踏板、保险杠等均采用了玻璃钢复合材料，主要采用SMC模压工艺，部分部件采用手糊和RTM工艺。斯太尔重卡的面罩、副保险杠，脚踏扳采用SMC模压成型，遮阳罩采用透明玻璃钢手糊对模技术制作，导流罩为手糊FRP技术。济南重汽华沃生产的沃尔沃重卡的前端面板，左右角板、左右扰流板均采用SMC或RTM生产。黄河重卡改进车型的面罩、导风罩和前围下护面均采用SMC或手蝴FRP材料制作。
　　在轻卡方面，玻璃钢复合材料的应用也在不断扩大。一汽解放轻卡脚踏板采用GMT模压成型；一汽488发动机导风管采用BMC模压成型，罩盖采用SMC模压成型。东风小霸王前保险杠采用高强SMC模压成型：东风多利卡等轻卡采用了SMC保险杠和前围面罩、FRP导流罩。江铃轻卡使用了RTM侧防护扳和挡泥板，厢式货车采用手糊FRP厢体。北汽福田时代轻卡、江淮轻卡、江铃轻卡等采用了手糊或RTM导流罩。另外，河南冰熊、河南红宇、济南考格尔等专业冷藏车生产厂生产的冷藏车箱体采用FRP内外板内夹PUR泡沫材料，内外板采用玻璃钢连续层压工艺或手糊工艺。

5　玻璃钢复合材料在我国汽车工业中的应用前景与趋势

　　生产实践和科学研究表明，玻璃钢复合材料不失为较科学，理想的新型汽车零部件材料。在未来开发节能、环保的新车、快速改型换代、小批量投产方面，它将起着重要作用。我国汽车工业的迅猛发展，给玻璃钢复合材料带来了市场的更大商机。汽车产业已成为国民经济的支柱产业和高新技术产业。汽车工业自主开发的条件日益具备，一些产品已经具备自主开发的基本条件。在汽车工业的需求驱动下．我国玻璃钢复合材料将进入快速发展时期。随着汽车业界人士对玻璃钢复合材料的深入了解和玻璃钢复合材料的发展与完善，玻璃钢复合材料在我国汽车工业领域特别是轿车、卡车工业中的应用将取得更为广泛的应用前景。
　　新车型的不断涌现，市场竞争不断加剧，产业政策的不断调整，跨国公司汽车品牌的不断本土化，采购零部件OEM的不断接单，促进了更多的玻璃钢复合材料厂家在汽车零部件方面的不断投入。一方面仍需集中于引进车型玻璃钢件的国产化制遗，另一方面更要在国产车型部件的更新换代发新车型部件的开发上下功夫。其重点发展方向为：
　　降低成本，扩大应用领域。在社会主义市场经济条件下，竞争越来越激烈，为进一步提高玻璃钢复合材料在汽车工业中的应用广度和深度，适应不同车型、不同应用领域的需求，降低生产成本是一个重要发展方向。
　　向着模块化设计方向发展。零部件模块化，即由多个零部件一起来离线装配，或多个零部件组合起来成为一个整体，有利于增强汽车轮廓的流线性，减少组装量。零部件的模块形式，从而形成汽车制造史上的一次革命。玻璃钢复合材料为汽车轻量化和模块化提供了前提条件，并逐步向结构复杂且大型部件方向拓展，促使汽车零部件开发和生产成本的进一步降低。
　　新技术和新工艺的开发与应用。随着汽车轻量化的强烈要求，以及总体生产成本下降的需要，将促进新型玻璃钢工艺的发展与完善。
　　随着新车型不断涌现及其对玻璃钢复合材料需求的增加和提高，势必产生新课题和新风险，这些是摆在国内相关汽车玻璃钢复合材料生产制造商面前的艰巨任务。我国迄今整个工业体系构成仍不符合经济规律。如我国汽车工业中整车生产企业就多达100多家，绝大多数产量均非经济规模。这样所需的玻璃钢件就无法采用SMC模压法生产，转而求其次，以手糊或RTM生产。随着国内汽车市场价格与国际市场价格并轨，国内汽车市场竞争的加剧，正经历一个残酷的优胜劣汰的过程，同时引起整车价格的下降，从而必然导致零部件价格的下降。而国内汽车零部件的开发投资基本上由各个零部件生产商承担，必将带来相关投资风险。同时，在保证产品质量的前提下通过加强内部管理和提高工艺技术水平来合理控制生产成本，迎接一波接一波的零部件降价，立于不败之地。随着汽车市场的国际化和竞争的深入，汽车整车质量要求越来越高，成本要求越来越低，只有通过玻璃铜复合材料企业不断进行材料和工艺的改进与创新来实现。