纤维增强材料迎来交通领域发展黄金期
□ 北京中材汽车复合材料有限公司 凌 静
在世界经济的发展进程中，交通运输业已成为重要产业之一。交通基础设施建设、交通工具制造、节能减排技术推广成为交通运输产业发展的重要组成部分。在交通工具的制造中，新材料的应用成为当前世界各国和各区域组织最为关注的课题。其中纤维增强树脂基复合材料在交通运输领域中到了广泛的应用。
产量全球性高速增长
所谓复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等，增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料是由两个或多个不同物理相组成的一种固体材料。
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，常用的有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型（SMC/BMC）、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、反应注射成型、冲压成型(GMT、LFT-D)等。
纤维增强树脂基复合材料工业的发展速度远远高于世界经济的增长速度，2011年全球复合材料产量增长近5%，达到870万吨。其中北美、欧洲和亚洲是三个最大生产和应用地区，全球树脂基复合材料的年平均增长率在5%以上，其中亚太地区的增长率可达7%（中国约为9.5%、印度约为15%、欧洲和北美地区为4%）。全球复合材料从业人员约45万人，总产值约450亿欧元。
2012年我国纤维增强树脂基复合材料全年产量为400万吨，同比增长5%。其中，热固性材料为270万吨，增长2.7%；热塑性材料为130万吨，增长10%。
在交通运输领域应用广泛
1．汽车工业
纤维增强树脂基复合材料在汽车领域的应用始于20世纪50年代的美国，现已广泛用于制造轿车、客车、载货车、拖拉机、摩托车以及赛车、冷藏车、工程车等车身覆盖件、结构件、功能件。作为汽车轻量化主流轻质材料之一的纤维增强树脂基复合材料得到了快速发展。无论是欧、美、日等汽车工业发达国家，还是中国、巴西和印度等汽车工业快速发展中国家，都已在汽车制造中大量采用汽车复合材料。减少能源消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业实现可持续发展需要解决的关键问题。采用高性能轻质材料实现汽车轻量化，是节省能源的一条重要途径，据计算，汽车重量每减轻10％，就会节省6％～8％的燃料。
车身部件 包括车身壳体、硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、大灯反光板、前后保险杠等以及车内饰件。这是纤维增强树脂基复合材料在汽车中应用的主要方向，主要适应车身流线型设计和外观高品质要求的需要，目前开发应用潜力依然巨大。主要以玻璃纤维增强热固性塑料为主，典型成型工艺有SMC/BMC、RTM和手糊/喷射等。
功能部件 主要特点是要求耐高温、耐油腐蚀，以发动机及发动机周边部件为主，如发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水口外壳、水泵涡轮、发动机隔音板等。主要成型工艺为SMC/BMC、RTM、PA/GF注射工艺等。
结构部件 包括前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板、板簧等，其目的在于提高制件的设计自由度、多功能性，主要使用高强SMC以及热塑性增强材料如GMT、LFT等工艺。
2．轨道交通
在轨道交通车辆中，纤维增强树脂基复合材料正成为越来越重要的一类材料，除用作内部设备和装饰材料外，在承重结构上的应用也越来越广泛。用复合材料做成的构件，重量轻、强度高、刚性大，效果理想。复合材料产品制造工艺多数是近终形成型，制造出的产品不需进行机械加工，生产效率高，制造成本低，在轨道交通车辆中广泛应用，对减轻车厢重量，降低噪、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用。
目前，纤维增强树脂基复合材料主要作为内饰件在列车上使用，主要应用在司机室和客车室内。在驾驶室内主要应用是控制台、顶板和墙板、罩板、电器盖板等产品；在车厢内主要应用在侧窗板、中顶板和边顶板、端部墙板、卫生间、盥洗室、地板、塞拉门罩板等产品上，主要成型工艺为手糊工艺和SMC模压工艺。
高速列车结构功能件中复合材料机车车头、复合材料转向架、复合材料齿轮变速箱、顶板、墙板等也到广泛的应用。
其他结构及应用纤维增强树脂基复合材料转向架 、车轴、车轮、轨枕、道床道碴碎石间缝隙填充体等。
市场前景广阔
用于陆上交通运输领域的纤维增强树脂基复合材料主要为内外饰、功能件以及少量的结构件。
全球汽车产业的发展正处在一个深刻的变革过程当中。中国将从汽车制造大国转向汽车强国，预计2015年产销量达到2300万辆。电动汽车科技发展“十二五”专项规划中，小型化和汽车电气化是中国汽车未来发展的两大方向，2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆，2020年产销量达到500万辆。新技术（如新能源汽车）的出现，可能会对汽车产业产生革命性的影响。包括新能源汽车在内的节能汽车对轻量化提出了更高的要求，复合材料将会被更广泛地应用于汽车领域。以每车用量15～20公斤计，现有年需求量约为30万～40万吨。
根据我国《中长期铁路网规划》，我国铁路客车购置额年均增长率将达20%左右，高铁及城市轨道和城际快速通道的建设是最大的亮点。按照国家中长期铁路网规划，铁道部在2008年新修订的《中长期铁路网规划》，2020年全国铁路营业里程目标为12万公里，新增城市轨道交通里程3738公里，运营里程7395公里。其中每辆车中的复合材料零部件购置费约为40万元，市场将迎来发展黄金期。