1 前言 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。另外，纳米技术逐渐引起入们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以兼容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。2 开发汽车复合材料零部件的潜在商机 时下，汽车工业的全球化时代已经来临，汽车厂家难以在一国范围内完成汽车产业的全部采购，必然从过去依赖自身生产能力，转向在全球范围内配置资源。在汽车零部件全球采购的背景下，我国汽车零部件产业发展的春天来了。而目前受资源和环境因素的瓶颈制约，轻量、节能的零部件一直是 国际汽车工业的研究方向。其中，开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构，必然成为汽车零部件材料的最佳选择。据专家介绍，环氧玻璃钢复合材料因明显具有轻质高强、设计自由度大、不锈蚀、成型工艺性好等优点，成为汽车工业以塑代钢的理想加工材料。目前，我国越来越多的车型采用了环氧树脂基玻璃钢／复合材料部件，而且作为以塑代钢的理想材料已被汽车工业部门逐步认识，尽管手糊成型工艺依然在生产某些汽车零部件领域尚占主导地位，但SMC,RTM, GMT等先进材料和工艺的应用推广十分迅速。 目前全世界民用复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济一直不景气，发展缓慢。但中国尤其是中国内地复合材料行业发展迅速。据PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32％，总年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代则是年年增长，年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，为4%-60%不等。2000年，美国复合材料的年增长率为4%左右，年产量达170万吨左右。美国复合材料市场的稳步增长主要归功于汽车用复合材料的迅速增加。复合材料大量使用在汽车上，并使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。中国内地自从改革开放以来，复合材料发展迅速，年均增长率达8%-9%左右，随着中国台湾地区电路板生产基地向内地迁移，中国内地复合材料市场将会有更大的发展，2006年大陆复合材料总产量可达185万吨。 当前，伴随着我国汽车工业的迅猛发展，方兴未艾的汽车零部件产业显示出诱人的商机，而作为新材料前沿科技的复合材料，特别是性能优异的树脂基复合材料必将成为这个新兴产业的主导。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度仅是取代木材的好材料，尚不足以和金属匹敌。为了取代金属材料，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。 业内人士认为，“全塑汽车”时代即将来临。上世纪80年代后期到90年代末，“全塑汽车”的概念曾经在国内汽车界轰动一时。北京、山东、浙江、重庆等地的汽车生产厂家，均生产过全环氧玻璃钢车身。但基本上是手工糊制，档次有待提高。东风客车公司采用手糊成型工艺生产的一款高速客车的全玻璃钢车身，每辆消耗玻璃钢约250公斤；北京汽车玻璃钢有限公司采用手糊成型工艺生产驾驶室，全车身重量仅600多公斤。玻璃钢／复合材料已在轿车、客车、卡车中得到广泛应用，如在轿车保险杠、车顶、车门、前脸大框、发动机罩盖等外饰件，以及车灯反射罩、电瓶托盘等部件中得到广泛应用。济南重汽华沃生产的沃尔沃重卡的前端面板、左右角板、左右扰流板均采用SMC或RTM生产。黄河重卡改进车型的面罩、导风罩和前围下护面采用SMC或手糊FRP材料制作。这主要缘于复合材料节省重量、节省燃油、制品集成度高、设计自由度高、投资费用少等优点。目前，全国各地已兴起一批汽车零部件生产基地，基体以不饱和聚酯树脂为主。 中国汽车工业的迅速发展，给玻璃钢／复合材料带来了市场应用的潜在商机。当今汽车发展的一个显著特点是产品多样化、更新快。新的电子技术、计算机控制技术、新工艺技术等不断进人汽车行业，同时人们个性化需求日益强烈，致使汽车的更新速度越来越快。实现汽车轻量化，降低燃油消耗，增加载重量，提高运输效率，对于汽车工业的发展至关重要。近年来，作为新材料前沿的复合材料逐步替代汽车零部件中的金属产品，并取得更加经济和安全的效果。福特汽车目前通过将汽车发动机盖改成模塑件，可有效集成原来11个金属部件，而这一款福特车的年产量是20万辆。生产实践和科学研究表明，玻璃钢/复合材料是较为科学、理想的新型汽车零部件材料。在未来开发节能、环保的新车、快速改型换代、小批量投产方面，它将发挥重要作用。据统计，上世纪90年代欧洲、美国每辆汽车上应用的玻璃钢/复合材料达到60公斤到80公斤，而目前我国国内每辆汽车上应用的玻璃钢/复合材料平均还不到10公斤。 当前，国家产业政策的不断调整，新车型不断涌现，跨国公司汽车品牌的不断本土化，零部件全球采购促进了我国汽车零部件产业的发展。而且，从汽车零部件发展趋势来看，零部件正向着模块化设计方向发展。零部件模块化可以大大减少零部件组装量，有利于增强汽车轮廓的流线性。而玻璃钢／复合材料无疑为汽车轻量化和模块化提供了前提条件，并逐步向结构复杂且大型部件方向拓展，促使汽车零部件开发和生产成本的进一步降低。随着汽车轻量化的强烈要求，以及总体生产成本下降的需要，将促进新型玻璃钢工艺技术的发展与完善。诸如真空辅助成型等新型工艺技术将在汽车零部件开发中扮演重要角色。先进的产业化汽车玻璃钢／复合材料成型关键技术及其产业化应用，将是以后研究的重要方向。 业内人士认为，随着汽车市场的国际化和竞争的加剧，汽车整车质量要求越来越高，成本要求越来越低。要处理好这对矛盾，只有通过玻璃钢／复合材料企业不断进行材料和工艺的改进与创新来实现。然而，目前我国整个工业体系构成尚不符合经济规律。如我国汽车工业中整车生产企业就多达百余家，绝大多数均未形成一定经济规模。这样所需的玻璃钢部件就无法采用SMC模压法生产，只能以手糊法或RTM生产。而且，随着国内汽车市场价格与国际市场价格并轨，必然导致零部件价格下降，这必将使得各个零部件生产商承担一定的投资风险。零部件产业的发展与汽车产业发展现状息息相关。当前，面对竞争激烈的汽车市场，国内汽车生产厂家均十分注重产品质量的提升。今后汽车整车质量要求越来越高，绝大多数整车生产企业将被兼并或淘汰。随着国内汽车市场供需失衡的加剧，国内汽车及零部件行业也将面临严酷的价格竞争。这种形势就逼迫我国玻璃钢／复合材料生产企业不断进行材料、工艺和技术的改进和创新，向规模化和品牌化建设方向不断努力。3 树脂基复合材料的增强材料 树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 玻璃纤维。目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10％以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军事方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。 碳纤维。碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。我国的碳纤维总体水平还比较低，国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。 芳纶纤维。20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。 超高分子量聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。4 玻纤增强复合材料在汽车上的应用实例 汽车上使用的非金属材料包括塑料、橡胶、粘接密封胶、摩擦材料、织物、玻璃等各种材料，涉及石化、轻工、纺织、建材等相关工业部门，因此非金属材料在汽车上应用的如何，反映了一个国家经济和技术综合实力，同时也包含了一大批与之相关产业的技术开发及应用能力。目前汽车上应用的玻璃纤维增强复合材料包括：玻璃纤维增强热塑性材料(GFRTP）、玻璃纤维毡增强热塑性材料（GMT）、片状模塑料(SMC)、树脂传递模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。汽车上使用的玻纤增强塑料主要有：玻纤增强PP、玻纤增强PA66或PA6以及少量PBT,PPO材料。增强PP主要用于制作发动机冷却风扇叶片、正时齿带上下罩盖等制品，但有些制品存在外观质量不好、翘曲等缺欠，因此非功能件逐渐被滑石粉等无机填料添充PP所替代。 增强PA材料在乘用车、商用车上都已采用，一般都是用于制作一些小的功能件，例如：锁体防护罩、保险楔块、嵌装螺母、油门踏板、换挡上下护架-防护罩、开启手柄等，如果零件生产厂家所选材料质量不稳定、生产工艺采用不当或材料烘干不好，就会出现制品薄弱部位断裂现象。塑料进气歧管是近几年发展起来的新技术，与铝合金铸造的进气歧管相比，具有重量轻、内表面光滑、减震隔热等优点，因此在国外汽车上得到广泛应用，它所用的材料全部是玻纤增强PA66或PA6，主要采用熔芯法或振动摩擦焊法，目前国内有关单位已经开展此方面研究并取得阶段性成果。 随着汽车对轻量化及环保的要求，国外汽车工业越来越倾向于使用GMT材料以满足结构部件的需要，这主要是因为GMT材料具有韧性好、成型周期短、生产效率高、加工成本低、不污染环境等一系列优点，被视为21世纪材料之一，主要用于生产乘用车多功能支架、仪表板托架、座椅骨架、发动机护板、蓄电池托架等。片状模塑料(SMC)是重要的玻纤增强热固性塑料，由于它的各项性能优异、可大规模生产和可达到A级表面等优势，已大量应用于汽车上。 目前国外SMC材料在汽车上应用品种又有了新的进展，现在，SMC在汽车上的应用量最大的是车身板，占SMC用量的70％，增长最快的是结构件和传动器零件，在今后5年内，SMC在汽车上的用量将继续增加22%-71％，而在其他行业的增长为13%-35％。国外高含量的玻璃纤维增强的片状模塑料越来越多地被应用在汽车结构部件上，在福特1995年两种车型(Ex-plorer和Ranger)上首次展示它在结构件上的应用，由于它具有多种功能，被广泛认为在结构设计方面很有优势，因此推广应用在汽车仪表板、转向机、散热器系统及电子装置系统。美国Budd公司模塑的上支架和下支架是利用含40％玻璃纤维的不饱和聚酯复合材料，两片式前端结构型汽车满足用户所需，前端低驾驶室向前，上支架固定在前端顶蓬和前端车身结构上，而下支架配合冷却系统。这两个支架相互联结并配合车蓬及车身结构与前端稳固。低密度SMC材料的比重为1.3，在实际应用和测试中显示，比标准的sMc的重量轻30％，标准SMC的比重为1.9。使用这种低密度SMC与用钢制作的同类部件相比可减轻重量大约45%。美国通用汽车公司的所有克尔维特99型车的内板和新型车顶内饰都使用低密度SMC。另外，还有车门、发动机罩、行李箱盖等。美国DodgeVipex车在发动机罩也使用了这种低密度SMC，汽车99型有1/2使用这种材料制作发动机罩，低密度sMC发动机罩比钢件减轻重量达35%。其他应用SMC在汽车上的应用除上述几种新的用途外，还用于生产其他一些零件，如：驾驶室门、充气车顶、保险杠骨架、货仓门、遮阳板、A和D立柱、车身板、车顶排水管、车棚侧横条、货车车箱等。其中用量最大的是用于车身外板上。 国内应用概况随着国内乘用车生产技术的引进，首先在乘用车上采用，主要用于备胎仓和保险杠骨架等，目前还应用在商用车上，如挺杆室盖板、膨胀水箱、线速夹、大／小隔板、进气罩总成等。对国内SMC材料行业的需求。 在人们的观念中，热固性复合材料是不可回收利用的，在今天环保已经被提上议事日程，这不得不考虑SMC使用的前景问题。据资料报道，无论是涂漆或粘接过的SMC都可回收利用，使用部分回收的SMC制作的零件基本不影响其性能。不久的将来，利用回收的SMC制成的保险杠将用在重型商用车上，同时发动机罩、活动式车顶内衬、侧板、格栅板以及车身外板等也可利用回收的SMC来制作。SMC的回收利用对我们国内材料同业来说是较新的一项工作，而这是一种重要的需求。5 开发复合材料汽车的对策 我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。 复合材料创新。合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新、产品应用发展创新和应用发展要创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg,而美国为6.8kg,亚洲包括中国具有极大的增长潜力。 聚丙烯腈基纤维发展。我国碳纤维工业发展缓慢，从cF发展特点，国内碳纤维发展过程，中国PAN基CF市场概况看，发展聚丙烯腈基纤维既有必要也有可能。 玻璃纤维结构调整。我国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。 开发能源、交通用复合材料市场。清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等。 纤维复合材料基础设施应用。国内外复合材料在桥梁、住房、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在住房补强、隧道工程和大型储仓修补和加固中市场开阔。 复合材料综合处理与再生。重点发展物理回收一粉碎回收、化学回收一热裂解和能量回收，加强技术路线、综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用、在SMC/BMC模压制品中的应用和典型产品中的应用。 加强质量管理。通过改进经营管理、原材料质量、结构设计、制造设备与工艺技术、施工监控等，克服几何外观问题、产品刚度不够、抗挠曲水平不够、连接问题、拉伸强度不够、渗漏与冒汗现象和尺寸问题，创建完善的玻璃钢管道及原材料的质量检验制度，加强缠绕设备的更新与改造。6 结束语 未来的汽车与现在的汽车在很多方面不会有太大的区别，但设计思想会有很大不同。当今社会，人们目光的角度已逐渐转到人与自然的关系问题上，环境与能源问题成为世界上每个国家能否生存和发展的关键。21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度，高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。随着人们环保意识的不断提高以及各国环保法规的相继出台，绿色汽车已经成为未来汽车发展的必然趋势，因而如何使汽车满足环境保护的要求，便提到了汽车厂商们的议事日程。而复合材料作为未来汽车材料发展的主流，必将在其中扮演非常重要的角色。汽车工业的发展日新月异，复合材料的研究也是一日千里，各种新型的车型，新式的材料不断地涌现。可以预测在不久的将来，更高性能的复合材料将更大范围地应用在汽车领域中。
参考文献： 1张耀明，李巨白，姜肇中．玻璃纤维与矿物棉全书．北京：化学工业出版社，2001 2姜肇中，邹宁宇，叶鼎铨．玻璃纤维应用技术．北京：中国
