汽车复合材料的特点

行业砖家

1、 汽车复合材料具有可设计性
汽车复合材料设计的第一步是选择增强相和基体相等基本组分，即确定增强相和基体相的种类(即选择“复合体系”)，并根据复合体系初步确定增强相在汽车复合材料中的体积分数(即各组分材料之间的体积比例)。
通常，对汽车复合材料构件性能的一般要求和特殊要求是选择增强相的重要依据。一般要求包括：密度、强度、模量、化学稳定性、尺寸和形状、生产加工性、成本、经济性、性能再现性和一致性、对损伤和磨损的抵抗与耐受能力，以及与基体相的粘接性等。特殊要求包括：导热性、热膨胀系数、抗老化性、抗氧化性和再结晶性等。
作为设计依据的原始数据，对基体相选择的一般要求包括：对增强相的包容性和充填变形性，以及基体本身的固结性、断裂韧性、耐腐蚀性、抗疲劳性和强度等；特殊要求包括：高温抗氧化性和抗蠕变能力、粘接性和二次加工性等。
一般，可根据汽车复合材料中各组分的职能和所需承担的载荷及载荷分布情况，以及具体使用条件对汽车复合材料提出的各种性能要求，来确定复合材料体系。在此基础上，再从几种汽车复合材料体系的侯选方案中，进行定性和定量比较筛选。
众所周知，材料性能的可设计性实际上是通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数等来实现的。显然，汽车复合材料中包含有许多影响最终性能的、可人为调节的因素。从理论上讲，它可以达到的性能范围几乎是无限的。汽车复合材料的力学、机械性能以及热、声、光、电、防腐和抗老化等物理、化学性能都可以按构件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期的使用性能目标。因此，我们可以认为，汽车复合材料具有可设计性，而且还有极大的自由度，能够方便地实现汽车工业中真正意义上的、具有最佳性价比的汽车构件的开发和制造。
2、汽车复合材料的材料与构件制造具有同一性
汽车复合材料的组分增强相和基体相以及相对体积分数一经确定，就可以按照构件的性能要求对它们进行选择排列和匹配等设计。待设计确定后，再经复合加工就可以得到所希望的汽车复合材料构件。由此不难发现，制造汽车复合材料与制造汽车复合材料构件是同步的。其特点是，对材料的设计要使其能够满足构件的性能要求。随着符合性能要求的构件被复合成功，汽车复合材料也随之被确定下来。相比之下，采用传统的常规材料制造的汽车构件，其成型过程通常是对现成材料的再加工。其过程包括：首先选用以板、块、棒、管和型材等形式提供的材料，然后再对这些材料进行诸如锯、铣、车和刨等机械切削加工，并采用螺接、铆接、焊接和粘接等连接方式，最终制成所需的构件。显然，对汽车复合材料的加工与传统的常规材料的加工方法有着明显的不同，它是通过采用某种设汁方法，将增强相掺入到基体相中，从而在形成复合材料的同时，也形成了复合材料的构件。因此可以认为，汽车复合材料的材料与构件制造具有同一性。
3、汽车复合材料有可能实现整体的综合优化设计
由于具有可设计性，以及材料与构件制造的同一性，因此使得汽车复合材料有可能实现整体的综合优化设计。整体的综合优化设计是指产品结构的整体化以及对材料设计、结构设计和制造工艺设计的综合优化。众所周知，传统材料的汽车构件，其成型通常是对现成材料的再加工。在加工的过程中，材料不会发生组分和化学变化。受加工工艺和条件的限制，一般很难一步完成对构件整体的加工，而往往是先分割成小件加工，再通过焊接或其他连接手段而最终组合成一个完整的构件，不仅制造工序复杂，而且生产效率低下，加工成本高。与之所不同的是，汽车复合材料的材料和结构可同时成型制得，并且作为汽车复合材料增强相的玻璃纤维和玻璃纤维织物是柔软的，其基体相树脂在成型过程中则是易于流动的，因此汽车复合材料很容易实现产品构件的整体化设计以及对材料、结构和制造工艺的综合优化。而整体化设计以及对材料、结构和制造工艺的综合优化又往往会带来如下优势：构件的整体性能好且造型容易，可大幅度减少零部件和连接件的数量，从而简化工序、缩短加工周期、提高生产效率并降低成本。可以肯定的是，如果能够充分发挥汽车复合材料的这一优点，将从根本上改变传统汽车工业的生产模式，并带来巨大的经济效益。
4、汽车复合材料的性能对复合工艺具有依赖性
由于在汽车复合材料结构件的成型过程中，其组分材料会发生物理和化学变化。而不同的成型工艺所用原材料的种类、增强材料的形式、纤维体积含量和铺设方案也不尽相同，因此决定了构件的性能对复合工艺方法、工艺参数和工艺过程等具有很大的依赖性。由此可见，科学地选择合理的复合材料制造工艺对满足汽车复合材料部件的性能要求至关重要。通常，合理的结构设计应该充分考虑到制造工艺的可能性，而制造工艺设计则应最大限度地保证实现结构物的最优结构设计。但在现阶段，受认识和技术等因素的限制，在汽车复合材料的成型过程中，还很难对其工艺参数进行准确控制。因此一般来说，汽车复合材料构件的性能分散性是比较大的，这一点应务必引起重视。
5、汽车复合材料具有各向异性和非均质性的力学性能特点
从力学分析的角度看，汽车复合材料与传统材料（如金属材料）的显著区别是，后者是均质的和各向同性的，而前者是非均质的和各向异性的。所谓“均质”，就是物体内各点的性能相同，也就是说，物体的性能不是物体内位置的函数。而“非均质”正好与此相反。所谓“各向同性”就是在物体内一点的各个方向上都具有相同的性能，而“各向异性”则表明某点的性能是该点方向的函数。
传统的汽车材料都是各向同性的匀质材料，这使得设计人员养成了一个习惯，即在进行结构设计时，往往只需考虑构件中应力最大的部位，因为只有这里才是构件的最薄弱环节。而汽车复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因而在外力作用下，其变形特征不同于一般的各向同性材料。通常，一种外力常常可以引起多种基本变形，而一个较小的应力，如果正好作用在材料性能薄弱的方向上，同样有可能引起对构件的破坏。所以，在进行汽车复合材料的结构设计时，要注意它的复杂性和特异性。除了要考虑结构物中的最大应力外，还要注意因材料强烈的各向异性特点而反映出来的薄弱环节，例如，剪切性能和横向性能远弱于纤维方向性能等。
6、汽车复合材料的叠加效应
对汽车复合材料的设计，首先是要选择合适的单元组分材料，即挑选那些在组合成汽车复合材料结构后，有希望达到预期性能指标的增强相和基体相组分。而要实现希望的性能指标，主要应依靠增强相与基体相在复合后性能的叠加或互补，使汽车复合材料获得一种新的、独特而又优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是汽车复合材料的叠加效应。叠加效应是汽车复合材料的一种主要复合效应，目的是通过材料组分性能的扬长避短和性能互补，保持增强相和基体相的协调一致，使之成为能够在指定的工作环境范围中有效承担预期载荷和发挥预期效能的有机整体，最终达到预期的复合效果。