复合材料在重型卡车中的应用

孙巍，宋修宫，翟国芳。
(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉430070)(2.北京汽车玻璃钢有限公司，北京102101)

摘　要：复合材料与金属材料相比，具有热胀系数低、比重小，比强度高、比模量高、隔热消音、可设计性强等诸多优点，因此被广泛地应用于重型卡车的结构件件、覆盖件，既提高了结构强度，又降低了成本和油耗。本文综述了复合材料的优点及其在重型卡车中的具体应用，并对未来的卡车进行了预测。
关键词：复合材料；低密度；低成本；可设计性

1　前　言

　　复合材料是随现代科学技术发展而涌现出的具有强大生命力的高技术新材料，它是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，通过不同工艺制备出来的一种多相材料，主要由增强材料与基体材料组成。
　　二十世纪五十年代，西方一些工业发达就制造了各种汽车的零部件。到了七十年代，出现了高强度玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等高性能增强材料和耐高温树脂基体，从而制造了性能更高的先进复合材料，因此得以迅速发展。随着复合材料制造技术的不断进步及其用量的迅速增长，其应用领域也在不断扩大。八十年代初，开展了复合材料技术在汽车工业上的应用研究，复合材料也从制造简单的汽车非承力构件发展到了制造承力构件。八十年代后期，由于各同对汽车节能和环保意识的不断提高，要求汽车具有能耗低、安全可靠、机动性强、速度高等特点，这促使汽车制造商除采用新的设计构思外，还须采用先进复合材料。他们先后研制了先进复合材料驱动器、板簧和仝复合材料车身等制品，产量也迅速增大。
　　重型卡车是现代交通运输的重要工具，批量小、体积大、结构复杂、换型快。由于复合材料具有重量轻、制造成本低、零部件的集成度高等特点，重型卡车是复合材料应用的极佳领域，并且潜力很大。

2　复合材料与金属材料的特点比较

2.1　热膨胀系数低
　　复合材料的热膨胀系数比金属材料和塑料都低，而日通过合适的铺层没计可使热膨胀系数进一步降低，利用这一特点可制造一些尺寸精密、稳定的构件。这就使得复合材料制品具有较好的表面，例如SMC制品可达到A级表面，优于金属材料，而且可以实现在线喷漆，其高承受温度可达200℃，大大减少了工艺程序，提高了生产效率。
2.2　比重小，比强度、比模量高
　　复合材料的比重、强度和模量与常用的金属材料，如钢、铝、钛相比较，见表1所示，其力学性能突出，这对其在汽车中的应用很有价值。
　　从表中可以看到，复合材料的比重明显低于金属材料，满足了车身轻量化的要求，既可节能，又可减少污染。传统的汽车车身以薄钢板为主，不能适应人们高速与轻量化的需求，为减轻其重量、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，而复合材料在重型车身轻量化中充分发挥了其优异的性能。随着新型复合材料研究不断深入，以及复合材料制备技术的不断进步，复合材料在高性能和轻量化进程中的作用必将更加突出。

2.3　减震性好、隔热消音
　　复合材料减震性好、隔热消音、碰掩回弹性好，多用于室内、外饰件及承重构件、功能件上。复合材料的特点之一是抗冲击韧性好，能吸收冲击能量，用于制造车的前后保险杠，利用其无可比拟的抗冲击性能和弹性回复性能，在发生车祸时可以大大降低对人体的伤害。由于复合材料具有隔热的作用，可保持车室内的温度，给人以舒适的感觉。
　　此外，汽车在行驶时要发出很大的噪音，这主要是由油箱和发动机产生的。复合材料具有很高的阻尼特性，其阻尼性能是金属材料(如铝、钢)的十倍以上，如图1所示，因此广泛应用于汽车的这些部件中。据报道，对一辆开动的汽车来说，复合材料油箱可使其噪声降低9分贝，复合材料发动机罩可使其噪音降低15～20分贝，起到明显的消音降噪效果。复合材料板簧有着与四层钢板弹簧一样的回弹速度，不但质量比钢板弹簧轻4～5倍，还能有效地抑制声音振动、延长使用寿命。

2.4　成本低，可设计性强
　　多部件一体化是降低成本的有效途径，在中等批量生产的车型中用复合材料取代铝材可以降低成本40％左右，可缩短从产品研制到形成批量生产的开发周期。复合材料与钢铁相比占有明显的优势。如表2所示，在汽车制造中采用复合材料，可使汽车质量得到进一步提高，成本和重量都有所降低，零部件数量也明显减少。

　　复合材料的可设计性很高，通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维排列方式、铺层结构等可以满足复合材料结构与性能的各种要求。复合材料制品的制造多为整体成型，如图2所示，老式福特全顺汽车车头需要19个金属部件和一个塑性部件，而新式福特汽车只需一个SMC构件，而不像以前那样需要焊、铆、切割等二次加工，工艺过程大大简化。由于是一次成型，不仅减少了加工时间，而且零部件、紧固件和连接件的数目也随之减少，使结构更加轻量化。

3　复合材料在重型卡车中的具体应用

　　由于复合材料具有耐腐蚀、比重小、高比强、成本低、可设计等很多优点，因此在汽车中广泛地应用。目前在重型卡车上的主要应用部件包括以下几类：
　　(1)悬架零件，如前保险杠、后保险杠；其中，Volvo FH／FM系列、Man TG-A、一汽解放系列，重汽的德龙／奥龙系列、福田的欧曼系列等重型卡车的保险杠都有使用；
　　(2)车身及车身部件，如车身壳体、硬壳车顶、车门、前端板、导流罩、翼子板、备用车轮箱、发动机罩等；其中，雷诺公司的Premium、Midlum等车型前端面板均为SMC材料；ManF2000型卡车的前端面板、翼子板、导流板等由SMC制戒；梅赛德斯-奔驰卡车上也大量使用了SMC材料。
　　(3)发动机部件方面，70年代开始用于发动机轻微受力的部件，如排气扇和空气清洁部件，80年代中期开始使用于发动机的主要部件如气缸头罩，目前使用复合材料的零部件包括：热蒸发器叶轮，风扇护罩，空调器壳，暧风壳和暖风接头，发动机室，发动机挡板，发动机罩和发动机罩的遣气道等。
　　(4)车内装饰件，如内饰板、仪表盘、转向杆部件、座椅骨架。其中保险杠、车顶、前脸部件、发动机罩、仪表板、发动机隔音板、前后翼于板等部件为重要，应用量也大。

4　结束语

　　复合材料具有优异的性能，提高了材料性能，延长使用周期，加强了使用功能，已经广泛地应用于各式卡车中，满足了人们目前的需求。但汽车工业的发展日新月异，复合材料的研究也是一日千里，各种新车型、新材料也不断涌现。未来的卡车与现在的卡车不会有太大的区别，但设计理念会有很大不同。
　　随着人们环保意识地不断提高以及各国环保法规的相继出台，绿色卡车将成为未来卡车发展的必然趋势，因而如何使卡车满足环境保护的要求便提到了汽车生产商的议事日程上来。而复合材料作为未来卡车材料发展的主要方向之一，必将在其中扮演非常重要的角色。可以预测，在不久的将来，更高性能的复合材料将更大范用地应用在卡车领域中，从而推动汽车工业的发展。