玄武岩纤维在汽车轻量化中的应用

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1、玄武岩纤维在汽车轻量化中的应用作者：杨 堃 来源：新材料产业 2018年第10期汽车的诞生，给人类带来很大的便捷，对人类社会的发展与进步起到了极大的促进作用。 在现代社会，汽车成为目前人们不可或缺的出行工具。然而随着汽车工业的不断发展，全球汽 车销量急剧增加，给生态环境带来负面影响，如能源紧缺、环境污染、资源枯竭等一系列问题。 转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，大力推进节能减排，发展以低能耗、低排放为标志 的低碳经济,实现可持续发展成为未来的发展趋势。随着人类社会的不断向前发展，人们对环保意识的增强，加上能源危机日趋严重，实现汽 车轻量化以达到节能环保的诉求越来越高，优化车身结构设计、应用

2、新型轻质材料等成为轻量 化研究工作的主要目标1。汽车材料是决定汽车好坏的重要元素，汽车材料的不断更新换代是 提高汽车质量的保障，实现汽车轻量化的主要途径之一是新材料的应用。玄武岩纤维（图1） 属于无机纤维，是采用天然玄武岩矿石经高温熔融拉制而成，是我国重点发展的 4 大纤维之一 美国德州的CB F工业联盟指出：玄武岩纤维是碳纤维的廉价替代品，具有一系列优异性能， 最为可取的是因为它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的 绿色健康玻璃质纤维产品。玄武岩纤维在强度、耐高温、耐腐蚀、隔热、隔音等方面性能优越， 是节能环保的新材料。未来这种材料将有望在汽车领域大幅应用。本文针

3、对玄武岩纤维在汽车 轻量化技术中的应用而展开。一、轻质材料在汽车上的应用汽车中大量采用轻质材料可以有效减轻汽车的质量。1. 高强度钢这些年，高强度钢在汽车上的应用范围有着逐渐扩宽的趋势，并成为汽车工业发展最快的 轻质金属材料之一，占有相当比例的市场份额。它的抗碰撞性能、耐腐蚀性能在汽车的车身、 底盘、悬架和转向系零件上应用。2001年，奇瑞汽车股份有限公司与宝钢集团有限公司合作， 在样车上应用高强度钢板262k g,减轻车身12%，对于汽车轻量化起到良好的作用。板材和管 材作为高强度钢的2种形式，很好的取代了普通钢、一般铸铁在车身零件的应用。然而，我国 在高强度钢在汽车上的应用，自主开发能力不

4、足，使得新产品的开发还得依赖于国外的先进技 术和设备，品种单一。我国高强度钢在汽车中的应用范围有待进一步扩大2。2. 有色金属目前，在车身系统、底盘和动力总成系统采用铝合金和镁合金作为汽车车身轻量化材料被 广泛应用。其中铝在地壳中的含量约占8.13%，算是金属元素最含量最多的一种。据国际汽车 生产行会统计，在2000年以前，铝合金在汽车上的用量呈增长的趋势，几乎90%的汽车在用。 镁虽是最轻的金属材料，但价格远远高于铝，生产技术在一定程度上受限制，在汽车上的应用 相对较少。福特公司曾经与一家加拿大铝业公司生产一辆A I V （图2），其使用铝合金270k g,比传统钢生产的汽车轻了 200k

5、g 3。铝合金的成本高、工艺焊接性能很差，使其最终不 能大量应用在汽车上。3. 非金属材料其他非金属材料如塑料，由于质量轻、耐腐烛、易加工，是汽车工业最有发展潜力之一。 汽车塑料的应用经历了从内饰件向外部件不断扩展的发展历程，既仪表板、杂物箱盖、顶棚、 车门内板、副仪表板、座椅及各类护板等内装件，又车身外板、后阻流板、保险杠、车轮罩、 前后翼子板、发动机进气管和气门室罩盖等外部件4。塑料为汽车轻量化的发展奠定了基础 但是从保护环境和再利用的角度考虑，塑料在汽车上的应用是摆在世人面前的一大难题。二、玄武岩纤维在汽车上的应用玄武岩纤维是玄武岩石料在1 450C1 500C熔融后，通过铂铑合金拉丝漏

6、板高速拉制而 成的连续纤维，强度与玻璃纤维相当。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色。玄武 岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、 氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武 岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩 纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解， 无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维和碳纤维、芳纶、 超高分子量聚乙烯列为重点发展的4大纤维，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤

7、维增 强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个 方面得到了广泛的应用。1. 玄武岩纤维在汽车软质仪表板骨架的应用汽车仪表板骨架是集功能性、安全性、舒适性与内饰性融为一体的汽车常用零部件。它的 主要作用是作为驾驶室中安装各种指示仪表和点火开关等的一个总成，能够及时的让驾驶员掌 握车辆行驶状态。同时还对空调系统、电子音响系统、灯光系统等进行不断的调控。汽车行业 不断向前发展，仪表板骨架作为重要的汽车内饰件之一，消费者对其在舒适、美观、轻量化、 低气味等方面提出了更高的要求。今天，汽车仪表板骨架到底该选用何种材料也有了一个相对 较好的答案。用玄武岩纤维复合材

8、料做软质仪表板骨架，其强度会高、弯曲模量高、流动性更好，耐冲 击、耐疲劳、防腐性能好，生产周期短、生产率高，设计自由度大，易于实现复杂制件一次成 型，同时仪表板设计厚度也可相应减薄，质量相对减轻，一般可减轻质量约25%左右。汽车软 质仪表板骨架要求材料耐湿、耐热且刚性好、不易变形等，玄武岩纤维复合材料完全满足要求， 它的韧性提高了 120%，刚性提高了 60%，热变形温度提高了 15C，并具有更好的耐热性。关键还解决了以前多个部件仪表板组合件，变成现在整体的模块5。据韩国现代车企目前 研究表明，把仪表板骨架选用玄武岩纤维通过真空吸塑工艺，使仪表板的厚度从3.3 4.2m m 减小到2.52.9

9、m m,使仪表板的质量从3.2 k g降至2.3 k g,还避免了司机和副驾驶人员 在不系安全带的时候免遭到冲击伤害。2. 玄武岩纤维在汽车前端支架的应用前端模块起着连接汽车前端和功能集成的作用。一般，前端模块可以包括6大部件，即前 端支架（系统集成的平台）、冷却空调系统（包括动态进气格栅）、信号和照明系统、车身保 护和外观造型结构系统、传感器和驾驶辅助系统以及行人保护系统6。为了更好的设计前端模 块空间布局，通常应用承载的截面的形状以及加强筋的布置，都是由前端模块支架的功能决定 的。所以，前端支架由玄武岩纤维和聚丙烯（P P）通过整体塑成型得到的支架，特性是耐腐蚀、 抗冲击、尺寸稳定性、又较

10、高的机械性能、最重要的是质量更轻，减重达20%40%，并提高了 装配效率。目前各大自主品牌车企都在积极研发当中，使之成为汽车工业的主要原材料之一,尤 其在需要承受更高载荷的较重型汽车上使用效果更好。3. 玄武岩纤维在汽车车门模块的应用车门的组成结构是由门内板总成和门外板总成2大模块组成，以前汽车车门用工程塑料接 近10%，也是实现轻量化的一种重要途径之一。采用玄武岩纤维增强复合材料制造的车身与钢 制车身相比，可实现质量减轻25%的目标。它的强度和抗蠕变性有明显提高，还减小了热翘曲 变形量，增强车门的整体密封性能。玄武岩纤维增强复合材料打破了集成化车门的集成高度， 同时也促进了车门的模块化发展7

11、。朗盛采用混合注塑成型工艺，将T e p e x直接反向注入 注塑模具中。为了工业生产中应用，一次性注塑成型工艺完全取消了成形模具的使用，并成功 地完成了功能集成，为企业节约了成本。4. 玄武岩纤维在汽车车身的应用世界上第1辆汽车生产于1886年，距现在已有一百多年了，客户对汽车的轻量化要求越来 越高，然而汽车的车身是决定轻量化的首要条件8。玄武岩纤维的强度和刚度足以满足汽车车 身架构的需要，完全可以充当汽车覆盖件的无机非金属材料，在减轻汽车重的同时，还有着良 好的防撞性能。此外，加工的零部件整合、模块化，安装成本低且投资小，有效地解决生产商 为传统车身喷涂和环保处理等成本。2009年，日内瓦

12、车展德国EDAG车厂推出全新一款看似大 号松花蛋的L i g h tC a r轻型概念车（图3）,它使用玄武岩纤维的材料做车身，比选用玻 璃纤维材质做车身的汽车减少了30%的质量，还可以100%回收利用，对环境的污染降至最低。 据说，它还可以在-260820 C的环境下使用。这辆概念车的动力由轮内电动马达提供，车 身内部携带的锂离子电池，加上车身质量轻，有最大150km的续航能力。爱达克车辆工程实验室研究表明，玄武岩纤维增强材料车身重516k g,而钢制车身为820k g,大大提高了能源利用和驾驶性能。一款由意大利R o l l e r T e a m房车公司设计的环保 概念房车T r i a

13、 c a230在德国房车展上首次亮相。T r i a c a房车代表的是“通过技术减 少对环境的影响的自行式房车”，通过环保设计的核心材料玄武岩纤维墙板，使其质量减少 了 40%, Roller Team房车公司的宗旨是通过生态友好型设计来减少质量和对环境的影响。5. 玄武岩纤维在汽车弹簧的应用汽车经常用钢板弹簧安装在汽车悬架上，目的是起到减震的作用。由于卷耳与板簧端部通 过铆钉链接，这种生产工序复杂，生产效率低，相应产品成本较高，卷耳与板簧链接部强度较 低，板簧长期工作，会使得卷耳与板簧之间的连接部容易出现疲劳折断，缩短了钢板弹簧的使 用寿命，整个板簧刚度较差，承载力过大时易出现弯曲变形9。

14、为了解决以上问题,吉林通鑫 玄武岩科技有限公司生产了玄武岩纤维板弹簧，这个属于轻型板簧的强度和刚度都很高，只有 3k g,弹性模量在60多万次。普通轿车上现有的钢板弹簧质量就可以达到10k g,是非常重的, 弹性模量在15万次。厂家透露，他们在已经与德国一家汽车企业开展了研发等合作，其生产的 零部件已经装上试验车，目前表现良好。6. 玄武岩纤维在汽车消声器材料的应用降低发动机的排气噪声，并使高温废气能安全有效地排出，消声器有着重要的作用。消声 器作为排气管道的重要组成部分，承担着排气畅通、阻力小及足够强度。在550780C高温 排气的条件下，消声器能保证在汽车规定的行驶里程内，不损坏、不失去消

15、声效果。这就对制 作汽车消声器的吸声材料要求不仅具有吸声功能，还要具有突出的耐高温性。消声器是解决汽车噪声的主要手段。在消声器的生产工艺和结构方面生产商都有成熟的方 法，未来的几年消声器的原材料成为行业技术的发展趋势和着眼点。目前传统制作消声器的原 材料钢材的价格在不断攀升，由于制作消声器的竞争激烈，使它的价格在不断下降，整车厂对 于配套的消声器价格也要求不断降低，这就使消声器企业的单位产品利润有所降低，对于消声 器企业是个不小的考验。所以，研究人员在不断寻找新的材料来代替以前常用的钢铁材料。玄武岩纤维的耐热性比耐高温的石英玻璃纤维都好。在450 C条件下，其断裂强度仍保 持在80%左右；在3

16、50C的条件下，其抗拉强度能保持75%以上。这表明连续玄武岩纤维具有完 美的耐温性，与其他纤维相比其耐热氧化性能更加明显，成为耐高温材料使用在长期处于低温 185C液氮介质作用后，其强度几乎不发生变化，足以证明它是有效的低温绝热材料。玄武岩 纤维隔音效果好，可用作隔音材料，玄武岩纤维材料密度15kg/m3 ；厚度30mm；隔离壁面与材料 的间距0.0m m的性能数据为：频率范围为1 2007 000H z ；法向吸音系数0.860.99。7. 玄武岩纤维在汽车用摩擦增强材料的应用增强纤维作为汽车摩擦材料的一个重要组成元素，摩擦材料的磨损性能的好坏取决于纤维。 钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物纤维等是当下汽车用摩擦增强材料的 主要纤维。然而在使用以上纤维时，都在不同程度上的存在一些问题，例如石棉粉尘对环境污 染严重，同时是人类癌变的诱导素之一，现在为了人类的健康已被限制使用;