紡織復合材料在汽車領域的應用

趙淵博，任學勤，李文雅

（西安工程大學，陜西 西安 710048）

0 引言

由于廣大消費者對環境保護的意識越來越強，以及國家對環境保護的各種法律條例的頒布，環保汽車已成為汽車未來的發展方向，要使汽車達到環境保護的要求，紡織復合材料作為末來汽車材料的主流，將起到非常重要的作用。

復合材料可以改善材料的性能,延長使用壽命,增強功能性,對環境有利。應該重視復合材料的再生問題并且努力應對復合材料的再生問題，使得復合材料朝著環境保護的方向發展。紡織復合材料一是用短纖維、長絲、紗線或織物用作增強基材料的復合材料；二是用多種纖維做成的機織、針織、非織造、二維編織和三維編織等織物作為增強材料所做成的復合材料。其特點是采用了紡織預形件技術，即通過紡織加工方法將纖維材料制備成外形與復合材料成品相似、內部纖維取向和排列符合復合材料設計要求的預成形件，然后再將預形件與基體復合制成復合材料制品。它包括以橡膠為基礎的柔性紡織復合材料和以樹脂或塑料為基礎的剛性紡織復合材料。

在紡織材料中,基體起著傳遞載荷以及均勻載荷和支撐纖維的作用。唯獨只有纖維和基體相互配合協調,才能充分發揮出整體的作用以及自身的性能。紡織材料本身具有質量輕、強度高、剛性好等特點，而且它的強度和剛性都不大，密度比金屬的小。復合材料有剛性和柔性，都可以應用在汽車工業領域。

1 汽車用紡織材料

隨著當今社會的發展需求，消費者對汽車要求廣泛，如重量輕、節省能源、美觀以及環保和安全等，這使得紡織復合材料在汽車領域成為一個發展趨勢[1]。汽車部件輕量化以及小型化已成為汽車部件的重要發展方向。因此，輕質紡織復合材料成為研究和應用的熱點。汽車用紡織材料有很多種，一般紡織材料作為基體增強材料在汽車領域中使用。

普通的汽車材料質量和體積較大，強度低，阻燃性、透氣性以及舒適性不高，不利于節約資源和人身安全，達不到人們的需求。因此，改進這些方面可以用纖維增強復合材料。碳纖、玻璃纖、天然纖維等纖維在汽車領域的復合中應用較多[2]。這些纖維具有尺寸穩定、吸濕率低、耐熱、耐老化、耐化學和阻燃、抗拉強度高，伸長率小，彈性模量高、抗沖擊等優點。這些材料可以廣泛應用于汽車座椅、油箱、車門、車架、懸臂梁、驅動軸、行李箱、方向盤等上。

2 紡織復合材料在汽車領域中的應用

隨著科技的進步，一些新技術、新材料逐漸應用到了汽車領域，并對汽車工業的發展產生了深遠影響，其中碳纖維材料在汽車上的應用最為典型。碳纖維應用于汽車后，對汽車制造業最突出的作用是汽車輕量化[3]，最直接的影響是節約能源、加速和制動性能的提高。而輕量化的車體可以使整個車的重心向下,提高了汽車的操縱穩定性，車輛的運行也會更加安全穩定。

碳纖維復合材料具有良好的減振效果。據資料顯示輕合金與碳纖維復合材料的振動停止時間,分別是9s 和2s。因此，碳纖維材料在汽車上的應用對降低汽車的噪音、振動和聲振粗糙度同樣有很大的貢獻，將大大提高汽車駕駛的舒適度。因為碳纖維復合材料比金屬材料的疲勞強度要高，碳纖維復合材料的疲勞強度一般在70%～80%，所以碳纖維復合材料在汽車上的應用可以有效地提高材料的疲勞可靠性。由于碳纖維復合材料比金屬材料更容易設計以及可塑性較好，因此，碳纖維復合材料更適合應用于車身。碳纖維金屬復合材料的車體構造能達到傳統汽車車體的標準，大大減少零部件的種類，減少了投資，縮短開發周期。

碳纖維增強復合材料車身的質量比鋼材料車身輕，兩者重量相差約為50%。如果車輛重量減輕50kg，1L 燃油量的行駛距離可增加到2km；如果重量減少10%，則燃油可節省5.5%左右[4]。輪轂作為保證車輛安全的重要部件之一，不僅承擔著車輛的重量和載荷，而且還傳遞著驅動力和扭矩，這對汽車輪轂的質量有很高的要求。而且，使用碳纖維復合材料會減輕輪轂重量，有利于降低車輪慣性，使車輛具有更快的啟動、停止和轉向速度。

福特新野馬謝爾比gt350r 配備了碳纖維車輪，它的重量只有8.6kg，而一般金屬材料的輪轂重量是15kg，所以在減少簧下質量約20kg 的同時，也保證了其堅固性和安全性。汽車傳動軸對材料性能的要求也比較高，碳纖維增強材料所具有的優異特性，比如質輕以及比強度高等優點,則能更好地去滿足替代金屬材料。碳纖維復合材料的驅動軸不僅降低了60%的重量,而且具有更好的抗疲勞性和耐久性。蘭博基尼第六元素概念車采用碳纖維活塞連桿代替鋼接頭，重量減少了40%～50%、碳纖維增強材料在汽車進氣系統中的應用,不僅可以減輕汽車車體重量，而且碳纖維增強材料易加工成各種形狀，并且外觀表面比較光滑，可有效提高進氣效率。采用了碳纖維增強材料制成的進氣系統，碳進氣纖維增強材料進氣管重和塑料進氣管重分別為235g 和438g。

為了使塑料材料的性能提高，高分子樹脂填料的研究也正在迅速發展。由于增強材料和填充材料多種多樣，增強材料將采用玻璃纖維增強塑料。目前,汽車領域主要采用玻璃纖維材料以及少量的PBT 和PPO材料增強塑料。玻璃纖維的加入大大提高了塑料的物理機械性能[5]。在目前人們對汽車眾多的需求，傳統的材料是達不到的，這也使汽車制造領域對玻璃纖維復合材料的需求量越來越大[6]。玻璃纖維可以用于汽車防潮、防腐、隔音、電絕緣材料等方面。玻纖的復合可以增強塑料的強度和剛性。雖然許多汽車廠在車身生產中已經用玻璃纖維增強材料代替了重金屬，但玻璃纖維是一種從熔融玻璃中提取出來的纖維。高溫熔融后很容易再固化，給廢舊汽車的回收利用帶來了很大的困難。玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（GMT）由法國國家科學研究院開發，由于其多功能性，在結構設計上被廣泛認為具有優勢，因此被廣泛應用于汽車儀表板、轉向器、散熱器系統和電子設備中[5]。

目前，玻璃纖維增強熱塑性塑料發展迅速，發展速度快于熱固性玻璃鋼。世界上最大的兩個汽車制造商通用汽車公司和美國福特汽車公司已經將玻璃纖維復合板應用于輕型貨車（皮卡）和多功能跑車上。玻璃纖維復合材料重量較輕，也可以實現減輕車體重量的效果，從而達到節約燃油的目的[6]。目前，玻璃纖維復合材料具有很強的市場競爭力，根據近年來的數據統計，玻璃纖維復合材料汽車產品市場總量增長迅速，并有著強勁的上升趨勢，更引起了汽車行業的特別關注。

3 紡織復合材料在汽車領域的展望

復合材料科學是一門橫跨力學、化學、化工、物理和紡織等領域的新興學科[7]。隨著科技迅速的發展，紡織復合材料是一個重要的研究方向。傳統汽車領域的材料一般為金屬材料、塑料等，紡織品不可能完全替代這些材料，但是紡織材料已成為汽車材料不可替代的組成部分。紡織材料在汽車環保節能領域發揮了重要作用。傳統汽車制造材料與紡織材料的復合與應用在將來是一個很好的發展方向，而且汽車用紡織材料一定會朝著功能多樣化等趨勢發展。在汽車制造用紡織原料的開發中，既要充分利用各種資源，又要杜絕浪費，還必須提高材料的性能，增加多功能。

4 結語

隨著我國汽車工業的高速發展，紡織復合材料在汽車領域的發展前景很可觀。就需積極引進高質量高水平技術，提高生產制造水平，更好地利用紡織材料，走傳統汽車材料與紡織材料相結合的道路，共同推動發展。