摘要：汽车工业不仅是世界上极为重要的工业领域之一，目前更是我国重要的支柱产业，近年来得到了迅猛发展。汽车的生产制造和性能的不断提高，应该与所用材料密切相关，当前应和复合材料特别是新兴的以碳纤维为增强体的先进复合材料密切相关。近年来，随着我国科技水平的迅速提高和加工制造业的蓬勃发展，导致越来越多的社会领域对各种材料的使用环境和性能要求不断提高，为解决这一问题，研发性能更好的复合材料以及大力发展复合材料的结构设计和制造技术已成为今后重要的发展方向之一。
关键词：复合材料；汽车；应用；分析
1导言
复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料通过物理或化学的方法复合而成的一种在宏观（或微观）具有新型高性能的多相固体材料，按照使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料。作为一种新型的功能和结构材料，复合材料具有结构设计性自由度大、质量轻、比强度和比刚度高，良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能以及结构可设计性强等一系列优点。复合材料可根据材料的应用领域和使用环境进行针对性的结构设计与制造，以满足不同条件下的用途，从而推动复合材料在不同行业的应用范围。复合材料当前发展的主要方向是结构复合材料，日益凸显的优势使其在高新技术领域得到了广泛的应用。
2复合材料的应用领域
2.1航空航天领域的应用
随着我国在航空航天技术领域科技含量的不断增加，该领域对材料科学提出了更为严格的要求。目前在航空航天领域中使用的复合材料类型主要有硼纤维增强、碳纤维增强以及芳纶增强的结构复合材料，此外，耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料、具有吸波性能的隐身复合材料等功能复合材料也在航空航天领域得到了广泛的应用。航空航天领域对制造材料的要求为质量轻、比强度和比模量高、耐腐蚀和延展性好，以及良好的隔音、隔热、减振、透射电磁波、吸波稳定性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，复合材料的特点较好地契合了航空航天领域对材料的要求，因此是制造航空发动机、卫星和高／低空飞行器的理想材料。
2.2汽车领域的应用
汽车行业是复合材料新兴的重要领域，具有良好的应用和发展前景，对于未来的汽车工业，将成为汽车零部件制造的主要原材料之一。相比其它类型的复合材料，蜂窝夹层复合材料具有最优比强度和比刚度、最大抗疲劳性能、降低噪声，以及振动阻尼特性，能够用于减小随机载荷造成的振动等特点，故可用于制造汽车的部分车身、主要承力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。在美国和日本等政府的大力支持下，车用复合材料在发达国家的研究一直处于本国材料科学技术发展的前沿，并且已经在复合材料汽车轻量化产业方面取得了一定的成就，汽车领域使用的复合材料主要是以碳纤维为增强相、铝合金为基体，汽车的发动机零件和滑动部件多采用碳纤维／铝基复合材料。
3复合材料在汽车领域的应用优势
3.1具有优异的力学性能、各向异性非均质
复合材料的特点是比强度与比模量高。比强度、比模量分别是指材料的强度和模量与密度之比，当比强度越高时，同一强度下零件的自重就越小；当比模量越高时，零件的刚性就越大。因此这2种性能的提高，对需要很高力学性能且高速运转的结构件，和需减轻自重与增强承载能力的运输工具具有重要意义。复合材料不同于传统材料，如纤维增强复合材料，其沿纤维方向的比强度比模量明显优于垂直于纤维方向，因此在其力学性能上其具有各向异性。
3.2性能具有可设计性，可实现整体化设计与成型
复合材料的结构和对应的性能均具有可设计性，不同于传统非复合材料的性能已经确定，复合材料的性能可通过相应设计来实现。其中基体材料与增强材料的选择、纤维方向的选择、铺层的设计都可以影响复合材料的整体性能，并可根据组成复合材料的基体材料以及增强材料的参数对于复合材料的性能进行计算。相比于传统材料制造的零件通过铆接、焊接等方式进行连接，复合材料可通过合理的设计以及适当的工艺完成整体成型，可提升零件整体的性能、降低成本、减轻整体质量。
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4复合材料在汽车零部件上的应用
4.1引擎盖
汽车引擎盖是汽车车身的重要组成部分，其影响着驾驶安全性和汽车稳定性。现有的汽车引擎盖结构较为复杂，分为内板、中间泡沫夹芯和外板。传统内板与外板大都采用钢材或者铝合金，外板主要满足车身造型的要求，内板用于支撑外板以及提高使用性能，又称为加强筋。内外板一般经由冲压分别制成，再通过焊接、胶接等加工方式与夹芯材料连接起来。复合材料引擎盖的应用得益于新能源汽车的发展，各大新能源汽车均有使用复合材料引擎盖的趋势，其中宝马i3与i8系列新能源汽车于2011年就已经使用碳纤维复合材料引擎盖。基于复合材料的制造特点，复合材料引擎盖在制造过程中，使用VARI工艺可以将外板、夹芯材料、内板组合起来同步一次成型完毕，省去了传统引擎盖焊接或者胶接的连接步骤，同时大大提高了连接强度，提升引擎盖的使用性能。通用汽车公司的Chevrolet Corvette Z06纪念版轿车使用碳纤维复合材料来制造引擎盖。
4.2板簧
汽车悬架是汽车上的一个重要组成部分，其作用是减少行驶过程中产生的震动与抖动，增加驾驶人舒适感。悬架的组成部分主要有弹性元件、导向机构和减振器。而板簧就是重要的弹性元件之一。汽车板簧多采用钢制，其质量约占整车质量的5%-7%。为减少燃油消耗与尾气排放，需要对汽车钢板弹簧进行轻量化改进。若依旧采用密度较大的金属材料，减重效果往往不理想，复合材料进入科研人员的视野。1992年，经过美国汽车企业的不断攻关，复合材料板簧成功进行批量化生产，性能稳定，广泛应用于重型卡车和牵引车上，重量仅为钢材板簧的1/3，取得了显著的效果。复合材料板簧的制造多采用旋转缠绕方法制造。国外重型卡车牵引车上诸如沃尔沃以及特斯拉公司最新生产的纯电动卡车均使用复合材料板簧。
4.3保险杠
当汽车发生正面碰撞时，前保险杠首先发生碰撞，并且可在一定程度上保护汽车车体和乘员。前保险杠主要由蒙皮、吸能装置和保险扛梁这三部分组成。保险杠质量的好坏将直接影响到汽车驾驶的安全性。复合材料应用于汽车行业首先是在保险杠。上世纪70年代，研究员Renault等人首次将复合材料应用于乘用车的保险杠上，对于复合材料保险杠进行了初探。1987年，水星探索者公司正式的推出了一款在性能上不逊于钢铁材料的复合材料保险杠，为复合材料保险杠商业化的道路迈出坚实的一步。GM公司在两款凯迪拉克汽车上应用复合材料保险杠。瑞士Quadrant公司推出一种铁纤维增强的玻纤毡片热塑性片材用于汽车保险杆梁。我国汽车制造业从上世纪70年代开始使用玻璃纤维复合材料。上世纪90年代，随着切诺基、依维柯、斯太尔和桑塔纳等引进车型在中国的投产，复合材料正式进入中国汽车行业。
5结论
复合材料在汽车上的应量在未来一个时间之内仍将稳步提高，目前来看，未来汽车应用材料中，复合材料的用量将会占据绝大部分，各大车企目前正研究复合材料逐步替代原有的金属材料。然而受制于复合材料本身的性质，汽车上完全采用复合材料也不现实，最终将会是复合材料与传统材料取得一个平衡，从而使汽车各方面性能最大化。
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论文作者:李俊乾
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第8期
论文发表时间:2019/7/18
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