车用玄武岩纤维增强复合材料现状及未来发展趋势

刘一帆 王童 陈轶嵩 邱兆乾 罗耿

（长安大学，汽车学院，西安710021）

主题词：玄武岩纤维 增强复合材料 汽车轻量化

1 引言

玄武岩纤维是一种无机纤维，由天然玄武岩矿石经过高温熔融拉制而成，是我国现阶段重点发展的4大纤维（玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、碳纤维）之一。这种新型高强度、低成本、环境友好的材料，符合全球经济可持续发展目标，在汽车轻量化、车用气瓶材料、汽车外饰件等领域均有研究性应用，未来在汽车行业的应用前景广阔。

目前，车用玄武岩纤维增强复合材料的研究尚处于萌芽阶段，距离其大规模应用还有较大距离。现阶段的玄武岩纤维增强复合材料主要有以下6种：

（1）玄武岩纤维金属层合板；

（2）玄武岩纤维水泥基/树脂基复合材料；

（3）玄武岩纤维聚合物复合材料；

（4）玄武岩纤维增强合金复合材料；

（5）玄武岩纤维增强橡胶复合材料；

（6）玄武岩纤维增强木塑复合材料。

通过总结该领域具有代表性的研究进展，包括玄武岩纤维增强金属层合板的制备，玄武岩纤维/树脂基复合材料的界面强化、玄武岩纤维聚合物复合材料，旨在分析这些材料在汽车不同部件上的应用前景。

2 玄武岩纤维复合材料的研究

2.1 玄武岩纤维增强金属层合板

2.1.1 玄武岩纤维增强金属层合板概述

玄武岩纤维纤维增强金属层合板是由纤维树脂复合材料与金属薄板交替铺放并且经过热压成型得到。这种制品结合了复合材料与金属的优点，具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗冲击性能强、化学性质稳定以及绿色环保的优点。纤维增强金属层合板由于兼具纤维增强复合材料和金属2者的优点，在汽车工业、航空航天工业、军事领域具有广泛的应用，由于目前对玻璃纤维、碳纤维在纤维金属层合板中应用的研究已经较为广泛，而玄武岩纤维所具有的许多优异的性能是其它纤维所不能及的，尤其是其环保性，故该材料具有良好的发展前景。

2.1.2 研究现状

Wu和Slagter[1]通过研究孔的几何位置对ARALL和GLARE 2种连接失效模式和连接强度的影响，对纤维金属层合板的机械连接进行研究，证明了孔的几何位置在E/D=3，W/D=4时连接强度达到最高。Po-Ching[2]等对硼/玻璃纤维增强铝层合板的机械连接性能进行研究，证明在相同接头几何形状和金属体积分数下，加入硼纤维可以提高纤维金属层合板的连接强度。Zhang[3]等对孔的几何尺寸、纤维铺排方向和预紧力大小这3个因素对纤维增强金属层合板螺栓连接性能的影响进行分析，证明了孔的几何位置在E/D=3～4，W/D=4，预紧力为5 N·m为最优参数。此外，纤维铺层取向对GLARE层板的连接强度影响较小，但当铺层角度在45°时层合板的伸长率和塑形变形能力较强。

吉林大学的研究团队[4]采用了玄武岩纤维作为增强材料制备了B-FRML并且对其性能展开了优化研究。

2.1.3 产业化分析

目前对玻璃纤维、碳纤维在金属层合板中的应用研究较为广泛，且相较于其他纤维，玄武岩纤维的环保性优势突出，是其他纤维所不可比拟的。因此，玄武岩纤维增强金属层合板进行大规模产业化具有良好前景。同时，也应重视该材料在汽车行业的应用。

2.2 玄武岩纤维/树脂基复合材料

2.2.1 玄武岩纤维/树脂基复合材料概述

树脂基复合材料是由纤维增强材料与树脂基体通过各种不同的工艺手段组合而成的复合材料，具有强度高、刚度好、质量轻的优点。因此，树脂基复合材料在汽车行业、航空领域得到了广泛应用。同时，复合材料作为各向异性非均质材料，具有以下优点：

（1）比强度与比模量高;

（2）耐高温烧蚀性好;

（3）工艺性与可设计性好;

（4）能够较为有效地遏制疲劳裂纹的扩展;

（5）在其中混合加入少量的短碳纤维可显著地提高材料的耐磨性[5]。

2.2.2 研究现状

Lopresto等[6]通过对玄武岩纤维增强塑料与玻璃纤维增强塑料的力学性能进行对比，研究发现前者具有更高的抗压强度、杨氏模量以及弯曲强度。Carmisciano[7]等研制出的玄武岩编织纤维增强复合材料(Basalt Weave Fiber Reinforced Polymer,BWFRC)有更高的弯曲模量和层间剪切强度。研究表明，他们制备的BWFRC与E玻璃复合材料相比具有相似的电气性能。Gideon等[8]对单向和机织玄武岩纤维增强树脂复合材料的静态3点弯曲行为进行研究，研究表明编织纤维增强复合材料相比单向材料有更好的弯曲性能。Farzin等[9]对玄武岩纤维增强复合材料和碳纤维增强树脂复合材料的低速冲击行为进行研究，研究者分别在30 J、60 J、80 J、100 J、120 J、160 J的冲击能量下进行了低速冲击实验，实验结果表明玄武岩纤维增强复合材料具有更好的冲击性能。Bozkurt等[10]通过研究芳纶/玄武岩混杂纤维增强树脂层合板的拉伸与弯曲性能，证明玄武岩纤维层的加入对芳纶纤维增强树脂层合板的力学性能有显著提高。Chen等[11]进行了短切玄武岩纤维增强塑料(Short Basalt Fiber Re⁃inforced Polymer,SBFRP)的剪切力学性能研究，研究发现SBFRP的剪切破坏裂纹分为以下3类：主裂纹、耦合裂纹以及微裂纹，并且研究了不同体积分数的短切玄武岩纤维对SBFRP剪切性能的影响。

哈尔滨工程大学李翀等[12]对玄武岩纤维树脂基复合材料的界面改性强化进行了研究分析，目的是通过优化纤维与基体之间的结合状态来增强复合材料的界面结合性能，从而提升复合材料的综合性能。马其华[5]等对车用树脂基复合材料部件替代性设计进行分析研究，通过替代设计、结构优化设计等方法发现，树脂基复合材料在汽车部件上有良好的应用前景。

2.2.3 目前存在的问题（尚未攻克的技术难点）

（1）玄武岩纤维与树脂间的界面相容性差；

（2）对玄武岩纤维表面改性研究不太成熟。

2.2.4 产业化分析

现阶段对玄武岩/树脂基复合材料的研究还处于萌芽阶段，还有诸多问题需要解决，还需大量的实验以及设计优化才可投入产业化应用，但同时也应重视该复合材料相较于传统金属材料在汽车部件应用上的优点。故玄武岩纤维/树脂基复合材料尚不具备进行产业化应用以及大规模制备的条件。

2.3 玄武岩纤维聚合物复合材料

2.3.1 玄武岩纤维聚合物复合材料概述

聚合物基纤维增强复合材料是现有所有结构材料中开始发展最早、进行研究最多的一类复合材料，具有密度小、比强度与比模量高、可设计性强、安全性强、成型工艺简单的优点，而玄武岩纤维的综合性能优异，可以作为聚合物的理想增强体[13]。玄武岩纤维聚合物复合材料具有高强度、耐摩擦、耐高温、耐腐蚀、耐烧蚀的优点，在汽车行业具有良好的应用前景。

2.3.2 研究现状

目前国内外对玄武岩纤维聚合物复合材料的研究主要集中在混凝土建筑上，国内对玄武岩纤维聚合物复合材料的研究有不同聚合物基体的复合材料、与其他纤维的混杂方式、界面改性。

2.3.3 目前存在的问题（尚未攻克的技术难点）

（1）玄武岩纤维界面性质的基础研究不足；

（2）有些复合材料严谨的制备方法未用于玄武岩纤维上；

（3）如何将玄武岩聚合物复合材料的研究应用于汽车行业。

2.3.4 产业化分析

现阶段对于该复合材料的研究还处于实验阶段，且大部分研究针对的是混凝土的结构强化，要实现在汽车行业上的应用，还需解决诸如材料的界面性质与汽车现有材料性质的相似与差异，仍需要大量分析与实验研究。因而，将玄武岩纤维聚合物复合材料应用于汽车，尚不具备产业化和大规模制备条件。

3 玄武岩纤维增强复合材料在汽车上的应用研究

3.1 玄武岩纤维替代玻璃纤维用于成型汽车导流罩

3.1.1 玄武岩纤维替代玻璃纤维用于成型汽车导流罩技术概述

先对玄武岩纤维进行改性处理得到改性玄武岩纤维，之后采用玄武岩纤维来替代玻璃纤维（Glass Fi⁃ber,GF）毡用于树脂传递模塑成型（Resin Transfer Moulding,RTM）制备汽车导流罩。玄武岩纤维是一种环保的高性能纤维，RTM成型是一种效率高、成本低、生产方式对人体较友好的复合材料成型方式。

3.1.2 研究现状

吉林大学梁继才，龚光耀[14]对不同类型的纤维在RTM成型中的实际应用效果进行对比，研究发现，纯玻璃纤维（GF）毡类的拉伸强度明显较，而弯曲性能较好；玄武岩纤维（BF）增强方案与纯玻璃纤维（GF）增强方案相比，拉伸性能提升约为75%，提升幅度较大，主要在于纤维毡同纤维布整体结构的差异。在相同纤维含量时，同为纤维布结构的碳纤维（CF），其弯曲性能要高于BF复合材料，拉伸性能高于BF复合材料，低于改性玄武岩纤维（MBF）复合材料。

3.1.3 目前存在的问题（尚未攻克的技术难点）

（1）如何做到玄武岩纤维的弯曲性能和碳纤维相当甚至优于碳纤维；

（2）如何在不大量提高纤维量的前提下提升玄武岩纤维的整体性能。

3.1.4 产业化分析

目前对于玄武岩纤维应用于汽车部件的研究较少，但不可以忽视其在汽车部件上的应用，成型汽车整流罩作为汽车上重要的空气导流装置，其材料的环保、高性能对于汽车有着重要作用。故在未来解决其弯曲性能较碳纤维低的前提下，具有良好产业化前景。

3.2 玄武岩纤维在汽车外饰件上的应用研究

3.2.1 玄武岩纤维在汽车外饰件上的应用

按照通用型片状模塑料（Sheet moulding com⁃pounds,SMC）片材工艺将4种玄武岩纤维制成片材，并将其模压成重型载货汽车的外饰件。相较于目前广泛应用于重型载货汽车门面的外饰件玻璃纤维而言，玄武岩纤维在综合性能上优于玻璃纤维，且绿色环保，有较高的研究价值。

3.2.2 研究现状

陕西汽车控股集团有限公司技术中心的王莎莎、王庆国[15]等对外饰件的力学性能、喷漆后漆膜表面性能进行检测，并将其与现用的玻璃钢外饰件进行对比。结果表明，I型玄武岩纤维外饰件的拉伸强度提高43.9%，弯曲强度提高12.0%，冲击强度提高31.3%，同时I型玄武岩纤维外饰件喷涂满足标准要求，并且I型玄武岩纤维制件的表面质量要优于玻璃钢。国外对汽车面板材料依据玻璃纤维与玄武岩纤维含量的不同分组，100%玄武岩纤维的组在2 MPa的压力、15 min的愈合时间下，拉伸强度、挠曲强度、冲击强度，都为3组中最佳，分别为95.00 MPa、29.91 MPa、12.50 MPa。研究结果表明，面板的机械性能与压力、时间和混合类型成正比。目前存在的问题是如何降低玄武岩纤维的成本，提高经济效益。

3.2.3 产业化分析

目前玄武岩纤维应用于汽车外饰件主要是在重型汽车上，距离其小型化尚需一段距离，而且现阶段的玄武岩纤维成本较高，距离其大规模产业化还需较多实验以及技术积累。故当前将玄武岩纤维可以应用于重型汽车上，但距离其普及还需相当一段时间。

3.3 高承压、低成本的车用35 MPa玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶

3.3.1 玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶概述

玄武岩纤维缠绕气瓶主要由铝合金内衬和玄武岩纤维缠绕层所组成。可将压缩天然气（Compressed Natural Gas,CNG）汽车的气瓶压力由较为广泛采用的20 MPa提到35 MPa，从而提高汽车的续驶里程。同时相较于对环境污染较大的玻璃纤维以及成本高昂的碳纤维，玄武岩纤维在环保性、成本控制都有较为良好的表现，且纤维的综合性能良好，具有广阔的市场前景。

3.3.2 研究现状

何太碧，卿平[16]等通过进行ANSYS Workbench结构静力学模块计算，分别得到铝合金内衬、螺旋缠绕层、环向缠绕层在各工况下的最大等效应力，并与复合材料气瓶的设计要求进行对比。分析得出结论，将目前常用的车用CNG气瓶工作压力由20 MPa提高到35 MPa是可行的。王意东，何太碧[17]等通过对车用35 MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶自紧工艺进行研究，结果表明：在自紧后，玄武岩纤维增强复合气瓶纤维层在35 MPa的工作压力下的应力强度明显高于自紧前，气瓶纤维强度利用率大幅度提高;在60～80 MPa的工作压力下，纤维增强作用得到提高；而且当自紧压力为64.89 MPa时，气瓶的承载性能达到最佳。该研究成果可以大幅度提高玄武岩复合材料气瓶的承载能力，有助于天然气汽车的应用及推广。

3.3.3 目前存在的问题（尚未攻克的技术难点）

（1）如何提高玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶的疲劳强度；

（2）对玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶的损伤分析不足；

（3）玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶的安全性能是否满足要求。

3.3.4 产业化分析

当前对于车用玄武岩纤维复合材料气瓶的研究尚处于初级阶段，后续还需大量实验验证其在35 MPa的压力下是否仍然具有稳定的性能及是否具有安全性，在解决诸如此类问题的前提下，该复合材料气瓶具有大规模产业化的良好前景，此材料气瓶在节能环保方面的优势是其未来发展的巨大潜力。

4 具有发展潜力的玄武岩纤维增强复合材料

通过对比各种玄武岩纤维增强复合材料，玄武岩纤维树脂基复合材料具有很广阔的前景。不同作者持有不同的观点，都论述了自己的研究领域的发展前景，对比之下，可发现这3种玄武岩纤维复合材料各具特点：

（1）玄武岩纤维增强金属层合板，同时具有金属和复合材料纤维的优点，且相较于其他纤维纤维增强金属层合板，具有绿色无污染、化学稳定性好的特点，是一种十分具有潜力的玄武岩增强复合材料。

（2）玄武岩纤维/树脂基复合材料，因在车用复合材料气瓶的应用中有良好的性能，对当前新能源汽车的发展有很大的推动作用，在未来进行大量实验解决目前问题的前提下具有十分广阔的前景。

（3）玄武岩纤维聚合物复合材料，目前的研究多用于混凝土的结构强化，针对车用材料的研究较为缺乏，是现阶段3种复合材料中最不成熟的车用材料。

在3种玄武岩纤维增强复合材料中，在对玄武岩纤维的安全性及疲劳损伤进行进一步深入分析后，玄武岩纤维树脂基复合材料具有很广阔的发展前景。

5 结语

通过对近几年的研究成果的综述、分析，可发现对玄武岩纤维的研究不仅仅局限于单一纤维，而是呈现出其与其他有优良性能的材料复合的趋势，比如玄武岩纤维和金属材料、树脂基、聚合物的结合。目前，研究热点主要集中在下面3个方面：

（1）如何提高玄武岩纤维和其他材料的相容性；

（2）如何降低玄武岩纤维增强复合材料的成本；

（3）如何提高玄武岩纤维增强复合材料的安全性。

通过研究中国玄武岩纤维增强复合材料目前的发展现状可以看出，虽然我国在车用玄武岩纤维材料研究领域里取得了一些成果，但与国际先进水平还存在一定的差距。在我国，车用玄武岩纤维增强复合材料现阶段还处于小规模的实验和示范应用阶段，距离大规模商业化应用还有很长一段路要走，国内的各研究机构和企业要勇于开拓创新，在未来为该领域的突破贡献自己的力量。