玄武岩复合材料在汽车上的应用研究

王帅，李飞，门立忠，崔健，李多

（华晨汽车工程研究能量管理室，辽宁 沈阳 110141）

工艺装备

玄武岩复合材料在汽车上的应用研究

王帅，李飞，门立忠，崔健，李多

（华晨汽车工程研究能量管理室，辽宁 沈阳 110141）

玄武岩连续纤维材料是用火山喷发形成的玄武岩为原料加工而成的无机纤维材料，无废气、废水、废渣排放，是一种低投入、高产出、低耗能、少排放的环境友好型新材料。玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃到1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，本身具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高等优势。

玄武岩纤维复合材料；托盘支架；以塑代钢

Abstract:Research on the Application of Basalt Fiber Composite in Automobile Continuous basalt fiber composite (CBFC)is prepared by using inorganic basalt fiber as reinforcement, which is extracted from basalt formed by volcanic eruption.CBFC is a kind of new material, which is environment friendly, productive and with low cost and low emissions.Manufacturing process of CBFC does not let any exhaust gas, waste water and waste residue. Basalt fiber(BF) is . Basalt is melt when heated to 140 ~ 150 degree centigrade, and the continuous fiber will be drawn by using Platinum-rhodium alloy stripping plates. CBFC has advantages of high temperature resistance, high oxidation resistance, high radiation resistance,good thermal insulation, good sound insulation, good filterability, high compressive strength, high shear strength , etc.

Keywords: Continuous basalt fiber composite (CBFC); Bracket; Steel to plastic

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-125-03

前言

美国玄武岩纤维工业联盟指出：“玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止惟一的无环境污染的不致癌的绿色健康的结晶（玻璃）质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以玄武岩纤维在复合材料领域的应用已引起广泛的重视并将快速发展。”欧洲业界人士亲昵地把玄武岩纤维称为“金色纤维”。玄武岩纤维已成功应用汽车消音器、防火墙、耐热件，外墙建筑节能保温和体育休闲用品等方面；在航天、导弹、汽车板簧、管材、阻燃织物等方面已取得实质性进展。

本文针对国内汽车企业的玄武岩纤维复合材料应用，重点分析玄武岩纤维在结构承重件上的应用。

1 玄武岩纤维复合材料性能优势

玄武岩复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能、化学性能、可设计性和吸音系数较高等几个方面。

a）显著的耐高温性能和热震稳定性。CBF的使用温度范围为－260℃～880℃，这一温度远远高于芳纶纤维（-49～474℃）、无碱E玻纤（-70～300℃）、石棉（480～550℃）、岩棉（-268～700℃）、不锈钢（-196～538℃），接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维1260℃；热震稳定性好，在500℃温度下保持不变,在900℃时原始质量仅损失3%。

b）较低的热传导系数。CBF的热传导系数为 0.031W/m·K～0.038W/m·K，低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维0.167、玄武岩纤维和不锈钢。

c）高的弹性模量和抗拉强度。玄武岩纤维的弹性模量为：9100kg/mm2～11000kg/mm2，高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙稀纤维和硅纤维。CBF的抗拉强度为 3800～4800MPa，比大丝束玄武岩纤维、芳纶、PBI纤维、不锈钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。

d）化学稳定性好。CBF的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外线照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相比美。

e）吸音系数较高。CBF的吸音系数为0.9～0.99，高于无碱玻纤（0.8～0.93）和硅纤维；优良的透波性和一定的吸波性，吸音和隔音性能优异，具有良好的隐身性能,可制做隐身材料。

f）良好的电绝缘性和介电性能。CBF的比体积电阻较高为 1×1012Ω·m，大大高于无碱玻纤和硅纤维；体积电阻率比电绝缘 E玻璃纤维高一个数量级,介电损失角正切高50%。

g）较低的吸湿性。CBF的吸湿性低于0.1%,低于芳纶纤维、岩棉和石棉。

h）天然的硅酸盐相溶性。与水泥﹑混凝土的分散性好，结合力强，热胀冷缩系数一致，耐候性好。

i）生产过程零污染，完全环保。

j）价格适中（22元/kg），是进口碳纤维的十分之一。

2 某车型玄武岩纤维复合材料汽车应用研究

2.1 碳纤维复合材料原材料制作

图1 玄武岩纤维复合材料

欧洲第一批大面积使用玻纤复材的汽车进入报废期，因为使用的是传统的热固性复材，所以大量的不可降解废弃物给当地环境带来影响。并且，现有复材生产效率低，而热塑性塑料具有非常好的成型工艺性，可快速成型且多次熔化加工。因此，开发可多次熔融的热塑性复材在汽车领域的应用成为了未来汽车轻量化材料的发展方向。

2.2 碳纤维复合材料电池托盘方案设计

电池托盘方案以 PP为树脂基体，应用玄武岩纤维母粒与PP基材熔融的方式进行注塑，玄武岩纤维比例30%，经过加热冷却即可成型，不发生化学反应，成型效率极高，可以成型复杂结构。

图2 玄武岩纤维复合电池托盘结构设计

2.2 碳纤维复合材料电池托盘性能要求和仿真优化

a）模态

b）刚度

c）强度

d）耐候性

表1 玄武岩纤维性能对比

根据设计要求，设计碳纤维复合材料电池托盘以替代金属托盘，满足空间安装要求，设计数据。材料选择 PP填充长玄武岩纤维提高托盘刚度强度和耐高温性能，以注塑工艺成型，局部加筋。

图3 玄武岩纤维复合电池托盘仿真优化

完成数据设计后对电池托盘进行划分网格和结构优化仿真计算，利用仿真软件对托盘模态、刚度、强度进行仿真分析，优化结构。 后期经过样件测试对比，托盘刚度和强度性能高于相同比例长玻纤样件10-20%。

3 玄武岩纤维复合材料托盘优势

碳纤维复合材料，以玄武岩纤维作为增强体，采用 PP热塑性材料作为基体，可以设计符合汽车要求的复合材料，该材料不仅机械性能优良，而且隔热性能与吸音性能也很优异，符合当前汽车用内饰材料的发展趋势，原材料价格介于玻纤和碳纤维之间，以塑代钢前景广阔。

4 结论

综上所述，由于玄武岩纤维具有良好的耐高温性能和热震稳定性、较低的热传导系数、高的弹性模量和抗拉强度、化学稳定性好、吸音系数较高、良好的电绝缘性和介电性能、较低的吸湿性、天然的硅酸盐相溶性、生产过程零污染，完全环保等优势，所以玄武岩纤维的应用是目前汽车行业轻量化的重点研究方向之一。充分利用玄武岩纤维的优势开发新型的汽车材料，既顺应了世界发展绿色新材料的要求，又能大大提高汽车的使用价值，为汽车行业创造更高的效益。

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Research on China VI evaporative emission of pollutants

Wang Shuai, Li Fei, Men Lizhong, Cui Jian, Li Duo
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

U465 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-125-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.042

王帅，就职于华晨汽车工程研究能量管理室。