汽車復合材料的定義

1、汽車復合材料的定義、分類和根本特點汽車復合材料具有 “結(jié)構(gòu)物的本質(zhì)，即它首先是結(jié)構(gòu)， 其次才是材料。因此， 要充分發(fā)揮汽車復合材料的優(yōu)勢從而推進其在汽車中的廣泛應用，必須首先對 汽車復合材料的定義、分類和根本特點有一個清晰的了解和認識。盡管纖維增強樹脂基復合材料以下簡稱 “復合材料 的誕生至今已有 76 年的開展歷史，世界首輛復合材料車身的汽車 Chevrolet Corvette 誕生也有 55 年的歷史，在適應汽車工業(yè)開展的需求中汽車復合材料技術(shù)也不斷得到了進步 和新的突破，從而在汽車中的應用越來越廣泛。但是，一個不容無視的問題是， 汽車復合材料的推進工作在汽車制造業(yè)中相對于其他輕量化材料

2、仍然進展緩 慢，起伏跌宕，這一問題在我國汽車制造業(yè)中尤為突出。究其深層次原因，其 中很重要的一點是，我國汽車行業(yè)的企業(yè)家、工程技術(shù)人員和用戶，包括目前 汽車復合材料的局部從業(yè)人員對復合材料缺乏正確的認識。針對復合材料行業(yè)特有的認識問題，我國著名的復合材料專家張汝光教授曾 經(jīng)屢次撰文并在不同的會議場合上大聲疾呼：要正確認識復合材料！對此，他曾 列舉了一個例子：1988 年，美國國會技術(shù)評價局發(fā)表了一份供政府決策指導的 300 多頁的研究報告，報告題為 “可設計的先進材料指復合材料 。編者在 “影響先 進材料更廣泛應用的原因 一節(jié)中指出，要實現(xiàn)先進材料的更廣泛應用，不僅僅要 解決好技術(shù)方面的問題，

3、還要設法改變包括研究人員和用戶等在內(nèi)的人的觀念問 題，因為人們總是習慣于用更適合于常規(guī)材料的觀念來考慮問題。這個例子很能 說明問題，也值得大家反思。張教授指出， “習慣于用更適合于常規(guī)材料的觀念來 認識復合材料 是影響復合材料廣泛應用的主要原因。眾所周知，美國是世界上復 合材料應用最廣、用量最大以及技術(shù)最先進的國家，但他們?nèi)匀徽J為，還是不能 正確地認識和看待復合材料，這是影響復合材料開展的重要原因。因此，對于復 合材料應用還很落后、急需迎頭趕上的中國汽車工業(yè)而言，只有正確認識汽車復 合材料，才能用好汽車復合材料，也才能更好、更快地開展汽車復合材料。從這 個角度出發(fā)，本連載文章特地單列一篇，以對

4、汽車復合材料的定義、分類和根本 特點進行詳細介紹，加深讀者對汽車復合材料的認識。汽車復合材料的定義不少專家認為，當前人類已從合成材料時代進入到了復合材料時代，這種 提法是有一定的科學依據(jù)的。因為想要合成一種新材料使之滿足各種高性能要 求的綜合指標是非常困難的。即使研制出了某一種滿意的材料，從實驗室到規(guī) ?；a(chǎn)的投入之大和周期之長也令人望而生畏。但是，如果把現(xiàn)有的材料復 合起來，那么有可能到達事半功倍的效果。復合材料正是在這種技術(shù)研發(fā)的思路 指導下蓬勃開展起來的，同時，也造就了其不同于常規(guī)材料的許多特點和性能。 那么復合材料究竟是一種什么樣的材料呢？它的正確定義應該是什么？我們應 該如何正確理

5、解和認識它呢？根據(jù)國際標準化組織為復合材料下的定義，復合材料是由兩種以上物理和 化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。我國國家標準 GB/T 3961-1993 對它的定義那么是，由兩個或兩個以上獨立的物理相，包括粘結(jié)材料 基體和粒料、纖維或片狀材料所組成的一種固體材料即為復合材料。國際 標準化組織和我國的國家標準盡管在文字組織上有所不同，但定義的根本內(nèi)容 是一致的。根據(jù)其定義，我們可以從以下幾個方面來認識和理解復合材料。1、復合材料具有廣義的范疇，并沒有規(guī)定它由哪些特定的材料組合而成，也沒 有對材料的物質(zhì)成分進行限定，而只是定義兩種材料以上的組合，是一個材料 使用方法的概念。由此我們

6、可以想象，復合材料應該是包羅萬象的，可以被設 計成各種各樣的材料性能，這就為我們的創(chuàng)新和開展提供了無限的空間。2、復合材料的組分和它們的相對含量是經(jīng)人工選擇和設計的，并且是經(jīng)人工 制造而成而并非天然形成的，這有助于我們區(qū)別具有某些復合材料形態(tài)特征的 天然復合材料。3、復合材料的組分雖然可以是多種多樣的，但是必須具有相對的獨立性，即 復合后仍然保持其固有的物理和化學性質(zhì)，這不同于我們所知的化合物或合金 一類的材料。4、復合材料的性能取決于各組分材料性能的協(xié)同，不是各組分材料之間性能 的簡單相加，而是有著重要的改良意義。因此，復合材料具有新的、獨特的和 可用的性能，這種性能是單組分材料性能所不及或

7、不同的，它應該是一種可設 計的材料。5、復合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。其中組分材料被區(qū)分為 增強相和基體相，增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學性質(zhì)以及在最 終復合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。 增強相組分通常呈纖維 連續(xù)的或短切的 、薄片 或顆粒狀，具有較高的強度、模量、硬度和脆性，在復合材料承受外加載荷時 是主要的承載體。由于其在復合材料中呈分散形式，被基體相隔離并包圍，因 此又將其稱為 “分散相 ?；w相組分是包圍增強相并相對較軟和韌性的貫連材 料。在復合材料中，增強相和基體相之間存在著明顯的結(jié)合面，稱為 “復合材料 的界面 。由于復合材料的界面位于增強相和基體相之間， 并使

8、這兩相彼此相連， 而化學成分和力學性能與相鄰兩相又有明顯的區(qū)別，能夠起著傳遞載荷的作用， 所以其對復合材料的性能、破壞行為及應用效能具有很大的影響。以上定義和解讀所規(guī)定的是廣泛意義的復合材料，既包括了聚合物基樹 脂復合材料，又包括了金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料、水泥基復合材料等。其中，聚合物基樹脂復合材料的應用最廣，品種最多，產(chǎn)量最高，在復合材料中占據(jù)著重要的地位。在聚合物基樹脂復合材料中， 纖維增強聚合物基樹脂復合材料又是應用最廣、品種最多且產(chǎn)量最高的一 種，其在聚合物基樹脂復合材料中占據(jù)著重要的地位，因此人們習慣上將 纖維增強聚合物基樹脂復合材料簡稱為 “復合材料 ，而其

9、他復合材料那么被冠 以全稱。在汽車工業(yè)中，目前主要使用的也是這種以纖維為增強相的樹脂基復合材 料。因此，本文所指的 “汽車復合材料 正是 “纖維增強樹脂基復合材料 。由此我 們得出了汽車復合材料的定義：能滿足汽車工業(yè)需求和技術(shù)性能指標的纖維增 強樹脂基復合材料即為 “汽車復合材料 。汽車復合材料的分類雖然已明確了 “能滿足汽車工業(yè)需求和技術(shù)性能指標的纖維增強樹脂基復合 材料 即為汽車復合材料，但按照不同的著眼點，仍有許多分類方法。例如，可 以按照基體樹脂的性質(zhì)或種數(shù)來分，也可以按照增強相纖維的種類、形態(tài)或排 列來分，還可以按照使用功能來進行分類，等等。1、按基體樹脂性能進行的分類纖維增強熱固性

10、樹脂基汽車復合材料，涉及：纖維增強不飽和聚酯樹脂基 復合材料、纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料、纖維增強酚醛樹脂基復合材料、纖 維增強乙烯基酯樹脂基復合材料和纖維增強聚氨酯基復合材料等等；纖維增強 熱塑性樹脂基汽車復合材料，涉及：纖維增強聚丙烯基復合材料、纖維增強聚 碳酸酯基復合材料、纖維增強聚酰亞胺基復合材料、纖維增強聚甲醛基復合材 料和纖維增強聚氯乙烯基復合材料等等。2、按樹脂種數(shù)進行的分類纖維增強單一樹脂基汽車復合材料和纖維增強混雜樹脂基汽車復合材料。3、按增強相纖維的種類進行的分類玻璃纖維增強樹脂基汽車復合材料、碳纖維增強樹脂基汽車復合材料、芳 綸纖維增強樹脂基汽車復合材料以及天然植物纖維增

11、強樹脂基汽車復合材料 等。4、按纖維增強材料的長短進行的分類連續(xù)纖維增強樹脂基汽車復合材料、長纖維增強樹脂基汽車復合材料和短纖 維增強樹脂基汽車復合材料等。5、按纖維增強材料種數(shù)進行的分類單種增強材料樹脂基汽車復合材料和混雜增強材料樹脂基汽車復合材料。6、按使用性能進行的分類結(jié)構(gòu)纖維增強樹脂基汽車復合材料和功能纖維增強樹脂基汽車復合材料。7、按纖維增強材料特性及其所用基體范圍進行的分類傳統(tǒng)纖維增強樹脂基汽車復合材料和先進纖維增強樹脂基汽車復合材料。用SMC工藝制造的多功能復合材料車頂被用在雪鐵龍公司BERLINGO車上汽車復合材料的根本特點與傳統(tǒng)的鋼、鐵、鋁以及塑料和橡膠等材料相比，汽車復合材

12、料是完全不同的另一類新型材料。它不像傳統(tǒng)的材料那樣具有均勻的且各向同性的材質(zhì)， 而是呈現(xiàn)出非勻質(zhì)的各向異性。確切地說，汽車復合材料首先應該是一種結(jié)構(gòu) 物，其次才是一種材料。既然如此，汽車復合材料與傳統(tǒng)的常用汽車材料相比 有哪些特殊之處呢？1、汽車復合材料具有可設計性 汽車復合材料設計的第一步是選擇增強相和基體相等根本組分，即確定增強相 和基體相的種類 即選擇“復合體系 ，并根據(jù)復合體系初步確定增強相在汽車復 合材料中的體積分數(shù) 即各組分材料之間的體積比例 。通常，對汽車復合材料構(gòu)件性能的一般要求和特殊要求是選擇增強相的重 要依據(jù)。一般要求包括：密度、強度、模量、化學穩(wěn)定性、尺寸和形狀、生產(chǎn) 加

13、工性、本錢、經(jīng)濟性、性能再現(xiàn)性和一致性、對損傷和磨損的抵抗與耐受能 力，以及與基體相的粘接性等。特殊要求包括：導熱性、熱膨脹系數(shù)、抗老化 性、抗氧化性和再結(jié)晶性等。作為設計依據(jù)的原始數(shù)據(jù)，對基體相選擇的一般要求包括：對增強相的包 容性和充填變形性，以及基體本身的固結(jié)性、斷裂韌性、耐腐蝕性、抗疲勞性 和強度等；特殊要求包括：高溫抗氧化性和抗蠕變能力、粘接性和二次加工性 等。一般，可根據(jù)汽車復合材料中各組分的職能和所需承當?shù)妮d荷及載荷分布 情況，以及具體使用條件對汽車復合材料提出的各種性能要求，來確定復合材 料體系。在此根底上，再從幾種汽車復合材料體系的侯選方案中，進行定性和 定量比擬篩選。眾所周

14、知，材料性能的可設計性實際上是通過改變材料的組分、結(jié)構(gòu)、工 藝方法和工藝參數(shù)等來實現(xiàn)的。顯然，汽車復合材料中包含有許多影響最終性 能的、可人為調(diào)節(jié)的因素。從理論上講，它可以到達的性能范圍幾乎是無限的。 汽車復合材料的力學、機械性能以及熱、聲、光、電、防腐和抗老化等物理、 化學性能都可以按構(gòu)件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇和匹 配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度地到達預期的使用性能目 標。因此，我們可以認為，汽車復合材料具有可設計性，而且還有極大的自由 度，能夠方便地實現(xiàn)汽車工業(yè)中真正意義上的、具有最正確性價比的汽車構(gòu)件的 開發(fā)和制造。2、汽車復合材料的材料與構(gòu)件制造具

15、有同一性汽車復合材料的組分增強相和基體相以及相對體積分數(shù)一經(jīng)確定，就可以按 照構(gòu)件的性能要求對它們進行選擇排列和匹配等設計。待設計確定后，再經(jīng)復 合加工就可以得到所希望的汽車復合材料構(gòu)件。由此不難發(fā)現(xiàn)，制造汽車復合 材料與制造汽車復合材料構(gòu)件是同步的。其特點是，對材料的設計要使其能夠 滿足構(gòu)件的性能要求。隨著符合性能要求的構(gòu)件被復合成功，汽車復合材料也 隨之被確定下來。相比之下，采用傳統(tǒng)的常規(guī)材料制造的汽車構(gòu)件，其成型過 程通常是對現(xiàn)成材料的再加工。其過程包括：首先選用以板、塊、棒、管和型 材等形式提供的材料，然后再對這些材料進行諸如鋸、銑、車和刨等機械切削 加工，并采用螺接、鉚接、焊接和粘接

16、等連接方式，最終制成所需的構(gòu)件。顯 然，對汽車復合材料的加工與傳統(tǒng)的常規(guī)材料的加工方法有著明顯的不同，它 是通過采用某種設汁方法，將增強相摻入到基體相中，從而在形成復合材料的 同時，也形成了復合材料的構(gòu)件。因此可以認為，汽車復合材料的材料與構(gòu)件 制造具有同一性。3、汽車復合材料有可能實現(xiàn)整體的綜合優(yōu)化設計由于具有可設計性，以及材料與構(gòu)件制造的同一性，因此使得汽車復合材料 有可能實現(xiàn)整體的綜合優(yōu)化設計。整體的綜合優(yōu)化設計是指產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的整體化 以及對材料設計、結(jié)構(gòu)設計和制造工藝設計的綜合優(yōu)化。眾所周知，傳統(tǒng)材料 的汽車構(gòu)件，其成型通常是對現(xiàn)成材料的再加工。在加工的過程中，材料不會 發(fā)生組分和化學變

17、化。受加工工藝和條件的限制，一般很難一步完成對構(gòu)件整 體的加工，而往往是先分割成小件加工，再通過焊接或其他連接手段而最終組 合成一個完整的構(gòu)件，不僅制造工序復雜，而且生產(chǎn)效率低下，加工本錢高。 與之所不同的是，汽車復合材料的材料和結(jié)構(gòu)可同時成型制得，并且作為汽車 復合材料增強相的玻璃纖維和玻璃纖維織物是柔軟的，其基體相樹脂在成型過 程中那么是易于流動的，因此汽車復合材料很容易實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)件的整體化設計以 及對材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝的綜合優(yōu)化。而整體化設計以及對材料、結(jié)構(gòu)和制 造工藝的綜合優(yōu)化又往往會帶來如下優(yōu)勢：構(gòu)件的整體性能好且造型容易，可 大幅度減少零部件和連接件的數(shù)量，從而簡化工序、縮短加工

18、周期、提高生產(chǎn) 效率并降低本錢。可以肯定的是，如果能夠充分發(fā)揮汽車復合材料的這一優(yōu)點， 將從根本上改變傳統(tǒng)汽車工業(yè)的生產(chǎn)模式，并帶來巨大的經(jīng)濟效益。4、汽車復合材料的性能對復合工藝具有依賴性由于在汽車復合材料結(jié)構(gòu)件的成型過程中，其組分材料會發(fā)生物理和化學變 化。而不同的成型工藝所用原材料的種類、增強材料的形式、纖維體積含量和 鋪設方案也不盡相同，因此決定了構(gòu)件的性能對復合工藝方法、工藝參數(shù)和工 藝過程等具有很大的依賴性。由此可見，科學地選擇合理的復合材料制造工藝 對滿足汽車復合材料部件的性能要求至關(guān)重要。通常，合理的結(jié)構(gòu)設計應該充 分考慮到制造工藝的可能性，而制造工藝設計那么應最大限度地保證實

19、現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設計。但在現(xiàn)階段，受認識和技術(shù)等因素的限制，在汽車復合材料 的成型過程中，還很難對其工藝參數(shù)進行準確控制。因此一般來說，汽車復合 材料構(gòu)件的性能分散性是比擬大的，這一點應務必引起重視。5、汽車復合材料具有各向異性和非均質(zhì)性的力學性能特點從力學分析的角度看，汽車復合材料與傳統(tǒng)材料如金屬材料的顯著區(qū)別 是，后者是均質(zhì)的和各向同性的， 而前者是非均質(zhì)的和各向異性的。 所謂 “均質(zhì) ， 就是物體內(nèi)各點的性能相同，也就是說，物體的性能不是物體內(nèi)位置的函數(shù)。 而“非均質(zhì)正好與此相反。所謂 “各向同性 就是在物體內(nèi)一點的各個方向上都具 有相同的性能，而 “各向異性 那么說明某點的性能是該點

20、方向的函數(shù)。傳統(tǒng)的汽車材料都是各向同性的勻質(zhì)材料，這使得設計人員養(yǎng)成了一個習 慣，即在進行結(jié)構(gòu)設計時，往往只需考慮構(gòu)件中應力最大的部位，因為只有這 里才是構(gòu)件的最薄弱環(huán)節(jié)。而汽車復合材料具有強烈的各向異性和非均質(zhì)性的 特點，因而在外力作用下，其變形特征不同于一般的各向同性材料。通常，一 種外力常?？梢砸鸲喾N根本變形，而一個較小的應力，如果正好作用在材料 性能薄弱的方向上，同樣有可能引起對構(gòu)件的破壞。所以，在進行汽車復合材 料的結(jié)構(gòu)設計時，要注意它的復雜性和特異性。除了要考慮結(jié)構(gòu)物中的最大應 力外，還要注意因材料強烈的各向異性特點而反映出來的薄弱環(huán)節(jié)，例如，剪 切性能和橫向性能遠弱于纖維方向性能等。6、汽車復合材料的疊加效應對汽車復合材料的設計，首先是要選擇適宜的單元組分材料，即挑選那些在 組合成汽車復合材料結(jié)構(gòu)后，有希望到達預期性能指標的增強相和基體相組分。 而要實現(xiàn)希望的性能指標，主要應依靠增強相與基體相在復