一、 前言
樹脂基復(fù)合材料也稱為纖維增強塑料（FRP），它是以合成樹脂（熱固性樹脂和熱塑性樹脂）為基體，以纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）為增強材料，經(jīng)成型工藝復(fù)合而成的復(fù)合材料，按基體性質(zhì)可分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料兩大類。與鋼鐵、鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有獨特的優(yōu)點，在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并作為重要的輕量化材料，越來越多地取代了傳統(tǒng)的金屬材料。實踐證明，在汽車上大量使用樹脂基復(fù)合材料，可以顯著減輕汽車自身質(zhì)量、降低油耗、提高汽車安全舒適性、減少環(huán)境污染和降低汽車的制造與使用成本。
二、 樹脂基復(fù)合材料的主要性能
2.1 質(zhì)量輕、比強度高
樹脂基復(fù)合材料的相對密度較小，一般介于1.5-2.0g/cm之間，只有普通碳鋼的1/4~1/5，但比強度大，承載能力高。
2.2 材料性能具有可設(shè)計性
樹脂基復(fù)合材料的物理性能、化學性能、力學性能都可以通過合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設(shè)計，由于樹脂基體材料種類很多，故其選材設(shè)計的自由度很大。
2.3 優(yōu)良的耐腐蝕性
樹脂具有良好的耐腐蝕性能，有針對性地選擇樹脂來生產(chǎn)復(fù)合材料，可使樹脂基復(fù)合材料具有不同的耐腐蝕性能，為汽車應(yīng)用提供了更廣闊的領(lǐng)域。
2.4 減振性能好
由于樹脂基復(fù)合材料振動衰減系數(shù)大，受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能，當汽車發(fā)生碰撞時，可避免或減少對人體的傷害，這對行車安全十分有利。
2.5 成型工藝簡單
樹脂基復(fù)合材料可用模具一次成型制造各種構(gòu)件，從而減少了零部件的數(shù)量及接頭等緊固件，節(jié)省原材料和工時，有效降低了生產(chǎn)成本。在中等批量生產(chǎn)的車型中，用樹脂基復(fù)合材料取代鋁材可降低成本40%左右。
此外，樹脂基復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中敏感性小，而且纖維和基體界面能夠阻止和改變裂紋擴展方向，因此具有較高的疲勞極限。
三、樹脂基復(fù)合材料的主要成型工藝
3.1 片狀塑料（SMC）模壓工藝
SMC是用不飽和聚醋樹脂、增稠劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、低收縮添加劑、填料、內(nèi)脫模劑和著色劑等混合成樹脂糊，浸漬短切纖維粗紗或玻璃纖維氈，并在兩面用聚乙烯或聚丙一烯薄膜包覆起來形成的片狀模壓料，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的成型材料之一。將SMC片材按制品尺寸、形狀、厚度等要求裁剪下料，然后將多層片材疊合后放人金屬模具中加熱、加壓成型制品的工藝方法稱為SMC模壓法。其特點是成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定性好，適于大批量生產(chǎn)。
3.2 樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）
的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內(nèi)，用壓力將樹、脂膠液注人模腔，浸透玻纖增強材料，然后固化、脫模成型制品。其主要特點是成型壓力低；閉模操作，不污染環(huán)境；制品兩面光潔；能成型復(fù)雜形狀的大型制品；研發(fā)時間短，適于產(chǎn)品更新。與SMC工藝相比，初始投資少，更適于中等批量部件的生產(chǎn)。
3.3 增強反應(yīng)注射模塑工藝（BRIM ）
RRIM是利用高壓沖擊來混合兩種單體物料及短纖維增強材料，并將其注射到模腔內(nèi)，經(jīng)快速固化反應(yīng)形成制品的一種成型方法。如果不用增強材料，則稱為反應(yīng)注射模塑（RIM）。采用連續(xù)纖維增強時，稱為結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑（SRIM）。RRIM工藝的特點是制品表面質(zhì)量好、成型周期短、生產(chǎn)成本低，可以生產(chǎn)大尺寸部件。
3.4 玻璃纖維氈增強熱塑性片材（GMT）工藝
GMT是中長纖維增強的熱塑性片材，它是將連續(xù)玻璃纖維針刺氈或連續(xù)原絲氈與熔融聚丙、烯或PET復(fù)合成片材，再將這種片材裁切成預(yù)定形狀，經(jīng)加熱沖壓成最終制品。由于它采用連續(xù)玻纖，因此機械強度較高。
四、樹脂基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用
4.1 玻璃纖維增強塑料（GFRP）在汽車上的應(yīng)用
GFRP在我國俗稱“玻璃鋼”，是目前汽車上應(yīng)用最多的樹脂基復(fù)合材料。它主要用于發(fā)動機、發(fā)動機周邊部件及車身，常用的有聚苯乙烯玻璃鋼、尼龍66玻璃鋼、聚醋樹脂玻璃鋼等。
玻璃鋼大量用于發(fā)動機及其周邊部件始于20世紀90年代。1990年，美國通用汽車公司首先用其代替金屬制造轎車發(fā)動機氣門罩、殼，隨后進氣歧管、油底殼、空濾器殼、齒輪室蓋、導風罩、進氣管護板、風扇導風圈、加熱、器蓋板、水箱部件、發(fā)動機隔音板等零件都有不同程度的應(yīng)用。其中最引人注目的是GFRP在進氣歧管上的應(yīng)用，用GFRP制造的進氣歧管不僅內(nèi)腔質(zhì)量上乘，而且對汽車達到歐Ⅱ標準發(fā)揮了重要作用，目前這種進氣歧管已得到廣泛應(yīng)用。
另外，傳統(tǒng)的車身材料采用高強度薄鋼板，現(xiàn)在為了減輕汽車自重，采用玻璃鋼代替鋼材已成為車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。玻璃鋼可用于車身結(jié)構(gòu)件（如骨架、梁、柱等）、覆蓋件（如格柵、前翼子板、發(fā)動機罩、頂蓋、車門、行李箱蓋、后側(cè)板等）以及保險杠、油箱等，也可用于整個車身殼體，如美國的雪佛蘭子彈頭、東風客車公司生產(chǎn)的DHZ6122HR高速客車等都是采用全玻璃鋼車身。
在歐洲、美國及日本等汽車制造業(yè)發(fā)達的國家，已普遍采用玻璃鋼材料．制造汽車零部件。其應(yīng)用范圍包括內(nèi)裝飾件（儀表板、車門內(nèi)板、座椅、發(fā)動機罩等）；外裝飾件（保險杠、擋泥板、導流罩等）；功能與結(jié)構(gòu)件（天然氣氣瓶、油箱、風扇葉片、油氣踏板等）。與國外相比，我國生產(chǎn)的汽車用玻璃鋼部件較少，產(chǎn)品主要包括保險杠、車頂蓋、阻流板、太陽罩、電瓶托架等，大部分是用手糊法或RTM生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，產(chǎn)品檔次有待提高。近年來，隨著引進車型相關(guān)部件的國產(chǎn)化以及國產(chǎn)車型的改進和更新，越來越多的車型開始采用玻璃鋼部件，如北京吉普切諾基后舉升門總成就是采用玻璃鋼/SMC成型。隨著原材料的發(fā)展與工藝上的改進，在汽車中大量應(yīng)用玻璃鋼／復(fù)合材料將是今后我國汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
4.2 碳纖維增強塑料（CFRP）在汽車上的應(yīng)用
CFRP是汽車輕量化最理想的材料。用CFRP取代鋼材制造車身和底盤構(gòu)件，可減輕質(zhì)量68%，油耗下降40％。CFRP在汽車上應(yīng)用比較成功的一個實例是美國摩里遜公司生產(chǎn)的CFRP汽車傳動軸，該傳動軸應(yīng)用于通用汽車公司載重汽車上。采用CFRP后，可以使原來通過中間軸承連接的兩根金屬傳動軸用一根CFRP傳動軸取代。與鋼材相比，不僅可減輕60%質(zhì)量，而且具有很好的耐疲勞性和耐久性。美國福特公司進行了大量的CFRP應(yīng)用試驗，所有研究結(jié)果均表明CFRP具有作為汽車材料的優(yōu)良特性。例如，用CFRP制造的板簧零件強度高、模量大、熱膨脹系數(shù)小，減磨性好，質(zhì)量只有14kg,比現(xiàn)有材質(zhì)減輕76%。但由于成本太高，CFRP零件尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)。專家推測，只有當碳纖維降到6.611美元/kg時，才有可能在汽車工業(yè)中推廣應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。一旦解決了成本問題，將有大量的CFRP用于汽車工業(yè)中，應(yīng)用部件將包括發(fā)動機系統(tǒng)中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪，傳動系統(tǒng)中的傳動軸、離合器片、加速裝置及其罩等；底盤系統(tǒng)中的懸置件、彈簧片、框架、散熱器等，車體上的車頂內(nèi)外襯、地板、側(cè)門等。
4.3 芳綸纖維增強復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用
芳綸纖維增強復(fù)合材料由于比強度、比模量．較高，被廣泛用于航空航天、艦船領(lǐng)域，在汽車制造業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景，但因為價格太高，目前在汽車上應(yīng)用很少。芳綸纖維主要用于汽車上、的輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等。芳綸纖維作為高性能防護材料還可用作汽車防彈裝甲，例如汽車門及汽車外殼的防彈內(nèi)襯。
五、樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展趨勢
由于熱塑性復(fù)合材料在韌性、耐腐蝕性、耐磨性及耐溫性方面比熱固性復(fù)合材料有明顯的優(yōu)勢，在工藝上具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，所以近年來汽車用熱塑性復(fù)合材料的增長速度高于熱固性復(fù)合材料。以美國為例，1994~1998年間，熱固性樹脂基復(fù)合材料年平均增長速度為5.48%，而熱塑性樹脂基復(fù)合材料則為23.15%。據(jù)資料介紹，國外玻璃纖維增強塑料中有1/3為增強熱塑料，按樹脂用量的多少排序，占首位的是尼龍（尼龍6和尼龍66）、熱塑性聚醋PBT和PET以及聚丙烯。玻璃纖維增強熱塑性塑料(FRTP)是最重要的一種汽車用纖維復(fù)合材料，它性能優(yōu)異，可采用注射、擠出、壓制、層壓等多種成型方法加工，成型周期短、生產(chǎn)效率高，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大。目前，用熱塑性樹脂基復(fù)合材料制造的汽車零部件產(chǎn)品主要有擋泥板、風扇罩、儀表板、托架、車門及尾燈、罩、座椅、保險杠、發(fā)動機零部件等。今后，隨著材料和工藝水平的發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用將會進一步擴大。
由于世界各國環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴格，客觀上也促使汽車越來越多地采用可回收利用的先進樹脂基復(fù)合材料。20世紀90年代出現(xiàn)的GMT(玻璃氈增強的熱塑性復(fù)合材料）由于廢料可回收重復(fù)利用和不污染環(huán)境，成為樹脂基復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。
樹脂基復(fù)合材料也稱為纖維增強塑料（FRP），它是以合成樹脂（熱固性樹脂和熱塑性樹脂）為基體，以纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）為增強材料，經(jīng)成型工藝復(fù)合而成的復(fù)合材料，按基體性質(zhì)可分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料兩大類。與鋼鐵、鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有獨特的優(yōu)點，在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并作為重要的輕量化材料，越來越多地取代了傳統(tǒng)的金屬材料。實踐證明，在汽車上大量使用樹脂基復(fù)合材料，可以顯著減輕汽車自身質(zhì)量、降低油耗、提高汽車安全舒適性、減少環(huán)境污染和降低汽車的制造與使用成本。
二、 樹脂基復(fù)合材料的主要性能
2.1 質(zhì)量輕、比強度高
樹脂基復(fù)合材料的相對密度較小，一般介于1.5-2.0g/cm之間，只有普通碳鋼的1/4~1/5，但比強度大，承載能力高。
2.2 材料性能具有可設(shè)計性
樹脂基復(fù)合材料的物理性能、化學性能、力學性能都可以通過合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設(shè)計，由于樹脂基體材料種類很多，故其選材設(shè)計的自由度很大。
2.3 優(yōu)良的耐腐蝕性
樹脂具有良好的耐腐蝕性能，有針對性地選擇樹脂來生產(chǎn)復(fù)合材料，可使樹脂基復(fù)合材料具有不同的耐腐蝕性能，為汽車應(yīng)用提供了更廣闊的領(lǐng)域。
2.4 減振性能好
由于樹脂基復(fù)合材料振動衰減系數(shù)大，受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能，當汽車發(fā)生碰撞時，可避免或減少對人體的傷害，這對行車安全十分有利。
2.5 成型工藝簡單
樹脂基復(fù)合材料可用模具一次成型制造各種構(gòu)件，從而減少了零部件的數(shù)量及接頭等緊固件，節(jié)省原材料和工時，有效降低了生產(chǎn)成本。在中等批量生產(chǎn)的車型中，用樹脂基復(fù)合材料取代鋁材可降低成本40%左右。
此外，樹脂基復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中敏感性小，而且纖維和基體界面能夠阻止和改變裂紋擴展方向，因此具有較高的疲勞極限。
三、樹脂基復(fù)合材料的主要成型工藝
3.1 片狀塑料（SMC）模壓工藝
SMC是用不飽和聚醋樹脂、增稠劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、低收縮添加劑、填料、內(nèi)脫模劑和著色劑等混合成樹脂糊，浸漬短切纖維粗紗或玻璃纖維氈，并在兩面用聚乙烯或聚丙一烯薄膜包覆起來形成的片狀模壓料，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的成型材料之一。將SMC片材按制品尺寸、形狀、厚度等要求裁剪下料，然后將多層片材疊合后放人金屬模具中加熱、加壓成型制品的工藝方法稱為SMC模壓法。其特點是成型效率高、制品表面光潔、尺寸穩(wěn)定性好，適于大批量生產(chǎn)。
3.2 樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）
的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內(nèi)，用壓力將樹、脂膠液注人模腔，浸透玻纖增強材料，然后固化、脫模成型制品。其主要特點是成型壓力低；閉模操作，不污染環(huán)境；制品兩面光潔；能成型復(fù)雜形狀的大型制品；研發(fā)時間短，適于產(chǎn)品更新。與SMC工藝相比，初始投資少，更適于中等批量部件的生產(chǎn)。
3.3 增強反應(yīng)注射模塑工藝（BRIM ）
RRIM是利用高壓沖擊來混合兩種單體物料及短纖維增強材料，并將其注射到模腔內(nèi)，經(jīng)快速固化反應(yīng)形成制品的一種成型方法。如果不用增強材料，則稱為反應(yīng)注射模塑（RIM）。采用連續(xù)纖維增強時，稱為結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑（SRIM）。RRIM工藝的特點是制品表面質(zhì)量好、成型周期短、生產(chǎn)成本低，可以生產(chǎn)大尺寸部件。
3.4 玻璃纖維氈增強熱塑性片材（GMT）工藝
GMT是中長纖維增強的熱塑性片材，它是將連續(xù)玻璃纖維針刺氈或連續(xù)原絲氈與熔融聚丙、烯或PET復(fù)合成片材，再將這種片材裁切成預(yù)定形狀，經(jīng)加熱沖壓成最終制品。由于它采用連續(xù)玻纖，因此機械強度較高。
四、樹脂基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用
4.1 玻璃纖維增強塑料（GFRP）在汽車上的應(yīng)用
GFRP在我國俗稱“玻璃鋼”，是目前汽車上應(yīng)用最多的樹脂基復(fù)合材料。它主要用于發(fā)動機、發(fā)動機周邊部件及車身，常用的有聚苯乙烯玻璃鋼、尼龍66玻璃鋼、聚醋樹脂玻璃鋼等。
玻璃鋼大量用于發(fā)動機及其周邊部件始于20世紀90年代。1990年，美國通用汽車公司首先用其代替金屬制造轎車發(fā)動機氣門罩、殼，隨后進氣歧管、油底殼、空濾器殼、齒輪室蓋、導風罩、進氣管護板、風扇導風圈、加熱、器蓋板、水箱部件、發(fā)動機隔音板等零件都有不同程度的應(yīng)用。其中最引人注目的是GFRP在進氣歧管上的應(yīng)用，用GFRP制造的進氣歧管不僅內(nèi)腔質(zhì)量上乘，而且對汽車達到歐Ⅱ標準發(fā)揮了重要作用，目前這種進氣歧管已得到廣泛應(yīng)用。
另外，傳統(tǒng)的車身材料采用高強度薄鋼板，現(xiàn)在為了減輕汽車自重，采用玻璃鋼代替鋼材已成為車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。玻璃鋼可用于車身結(jié)構(gòu)件（如骨架、梁、柱等）、覆蓋件（如格柵、前翼子板、發(fā)動機罩、頂蓋、車門、行李箱蓋、后側(cè)板等）以及保險杠、油箱等，也可用于整個車身殼體，如美國的雪佛蘭子彈頭、東風客車公司生產(chǎn)的DHZ6122HR高速客車等都是采用全玻璃鋼車身。
在歐洲、美國及日本等汽車制造業(yè)發(fā)達的國家，已普遍采用玻璃鋼材料．制造汽車零部件。其應(yīng)用范圍包括內(nèi)裝飾件（儀表板、車門內(nèi)板、座椅、發(fā)動機罩等）；外裝飾件（保險杠、擋泥板、導流罩等）；功能與結(jié)構(gòu)件（天然氣氣瓶、油箱、風扇葉片、油氣踏板等）。與國外相比，我國生產(chǎn)的汽車用玻璃鋼部件較少，產(chǎn)品主要包括保險杠、車頂蓋、阻流板、太陽罩、電瓶托架等，大部分是用手糊法或RTM生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，產(chǎn)品檔次有待提高。近年來，隨著引進車型相關(guān)部件的國產(chǎn)化以及國產(chǎn)車型的改進和更新，越來越多的車型開始采用玻璃鋼部件，如北京吉普切諾基后舉升門總成就是采用玻璃鋼/SMC成型。隨著原材料的發(fā)展與工藝上的改進，在汽車中大量應(yīng)用玻璃鋼／復(fù)合材料將是今后我國汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
4.2 碳纖維增強塑料（CFRP）在汽車上的應(yīng)用
CFRP是汽車輕量化最理想的材料。用CFRP取代鋼材制造車身和底盤構(gòu)件，可減輕質(zhì)量68%，油耗下降40％。CFRP在汽車上應(yīng)用比較成功的一個實例是美國摩里遜公司生產(chǎn)的CFRP汽車傳動軸，該傳動軸應(yīng)用于通用汽車公司載重汽車上。采用CFRP后，可以使原來通過中間軸承連接的兩根金屬傳動軸用一根CFRP傳動軸取代。與鋼材相比，不僅可減輕60%質(zhì)量，而且具有很好的耐疲勞性和耐久性。美國福特公司進行了大量的CFRP應(yīng)用試驗，所有研究結(jié)果均表明CFRP具有作為汽車材料的優(yōu)良特性。例如，用CFRP制造的板簧零件強度高、模量大、熱膨脹系數(shù)小，減磨性好，質(zhì)量只有14kg,比現(xiàn)有材質(zhì)減輕76%。但由于成本太高，CFRP零件尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)。專家推測，只有當碳纖維降到6.611美元/kg時，才有可能在汽車工業(yè)中推廣應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。一旦解決了成本問題，將有大量的CFRP用于汽車工業(yè)中，應(yīng)用部件將包括發(fā)動機系統(tǒng)中的推桿、連桿、搖桿、水泵葉輪，傳動系統(tǒng)中的傳動軸、離合器片、加速裝置及其罩等；底盤系統(tǒng)中的懸置件、彈簧片、框架、散熱器等，車體上的車頂內(nèi)外襯、地板、側(cè)門等。
4.3 芳綸纖維增強復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用
芳綸纖維增強復(fù)合材料由于比強度、比模量．較高，被廣泛用于航空航天、艦船領(lǐng)域，在汽車制造業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景，但因為價格太高，目前在汽車上應(yīng)用很少。芳綸纖維主要用于汽車上、的輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等。芳綸纖維作為高性能防護材料還可用作汽車防彈裝甲，例如汽車門及汽車外殼的防彈內(nèi)襯。
五、樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展趨勢
由于熱塑性復(fù)合材料在韌性、耐腐蝕性、耐磨性及耐溫性方面比熱固性復(fù)合材料有明顯的優(yōu)勢，在工藝上具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，所以近年來汽車用熱塑性復(fù)合材料的增長速度高于熱固性復(fù)合材料。以美國為例，1994~1998年間，熱固性樹脂基復(fù)合材料年平均增長速度為5.48%，而熱塑性樹脂基復(fù)合材料則為23.15%。據(jù)資料介紹，國外玻璃纖維增強塑料中有1/3為增強熱塑料，按樹脂用量的多少排序，占首位的是尼龍（尼龍6和尼龍66）、熱塑性聚醋PBT和PET以及聚丙烯。玻璃纖維增強熱塑性塑料(FRTP)是最重要的一種汽車用纖維復(fù)合材料，它性能優(yōu)異，可采用注射、擠出、壓制、層壓等多種成型方法加工，成型周期短、生產(chǎn)效率高，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大。目前，用熱塑性樹脂基復(fù)合材料制造的汽車零部件產(chǎn)品主要有擋泥板、風扇罩、儀表板、托架、車門及尾燈、罩、座椅、保險杠、發(fā)動機零部件等。今后，隨著材料和工藝水平的發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用將會進一步擴大。
由于世界各國環(huán)保法規(guī)要求越來越嚴格，客觀上也促使汽車越來越多地采用可回收利用的先進樹脂基復(fù)合材料。20世紀90年代出現(xiàn)的GMT(玻璃氈增強的熱塑性復(fù)合材料）由于廢料可回收重復(fù)利用和不污染環(huán)境，成為樹脂基復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。
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