复合材料是指将两种或两种以上化学性质和物理性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。复合材料通常由基体和增强体复合而成。复合材料按性能分类,可分为功能型复合材料和结构型复合材料两种;按基体分类,可分为高分子基(PMC)、金属基(MMC)和陶瓷基(CMC)复合材料;按增强相的种类、形状分类,可分为颗粒状、层状和纤维增强复合材料。其中,纤维增强复合材料应用最多,高分子基的纤维增强复合材料通常称纤维增强塑料(FRP),金属基的纤维增强复合材料称纤维增强金属(FRM),陶瓷基的纤维增强复合材料称纤维增强陶瓷(FRC)。
世界各主要汽车生产国家最初只将复合材料用于发动机舱盖、顶盖等大型覆盖件,近年来在车身上采用复合材料的越来越多。复合材料用于车身具有以下优点。
(1)质量轻。复合材料的密度小,如玻璃纤维增强材料的密度为1.6~2.4 g/cm3,用它制作车身可大大减轻质量。
(2)耐腐蚀,车身寿命长。复合材料均有不生锈、耐酸等耐蚀性好的特点,特别是玻璃纤维增强材料,几乎同玻璃一样具有不生锈和耐腐蚀的能力。
(3)具有高韧性和抗冲击能力。用复合材料制成的零部件受到冲击力作用时,塑性变形大,韧性好,因此具有缓冲、减振、降噪等优点,能吸收碰撞动能,有利于保护乘客。例如:福特轿车用复合材料制造车身前部,使碰撞力不再出现钢结构车身中大的尖峰值,如图7-2所示。
图7-2 车身前部的撞击力(福特)
(4)保温隔热性好。除碳纤维增强材料外,复合材料的导电、导热能力差,因此能起到很好的保温、隔热作用。(www.xing528.com)
(5)成形性好。纤维增强材料(FRP)的流动性和层压性好,使车身表面可制成形状各异的曲面,既满足车身外形的艺术造型要求,又减小了空气阻力。
(6)车身部件大型化。应用复合材料可以制造集许多单一零件和功能于一体的多功能部件,或大型整体部件,从而减少零部件数量,简化车身装配工序,提高部件刚性和造型整体性。
(7)着色性好。
(8)材料利用率高。
在车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料(GFRP,俗称玻璃钢)和碳纤维增强材料(CFRP)。
GFRP与金属材料相比,具有质量轻,比强度、比刚度高,耐蚀性好等优点。使用GFRP的零部件主要有:车身外覆盖件,如发动机舱盖、车顶盖、行李舱盖、前围护板、灯罩及保险杠等;车内板制件,如轮罩(挡泥板)、门窗内装饰框等。
CFRP的主要原料与CFRP基本相同,只是所用增强材料是碳纤维而不是玻璃纤维。碳纤维由人造丝、沥青、聚丙烯等原料制成。与GFRP相比,CFRP密度低(1.38 g/cm3),而抗拉强度高,耐蚀性、耐磨性好,有一定的减振和隔振性能(只是耐冲击性、耐热性较差)。CFRP广泛应用于汽车的各类板制件、壳体件,各种支架、托架和许多重要的结构件。碳纤维增强复合材料甚至用来制造全塑车身。宝马公司2011年发布的全新开发的纯电动轿车i3采用CFRP车身结构,使得整车质量仅为1250 kg,比传统纯电动汽车减轻了250~350 kg,同时实现了最高级别的碰撞安全保护。
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