所謂低碳材料，即為獲取和加工過(guò)程中能源和輔料消耗更少的材料。汽車(chē)工業(yè)常用的竹纖維為竹原纖維，是從竹子莖部取得的韌皮纖維，采用機械物理分絲、化學(xué)或生物脫膠、開(kāi)松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維。竹原纖維是一種新型的植物纖維，不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學(xué)粘膠再生纖維素纖維。
研究發(fā)現，以天然環(huán)保新材料的竹纖維為增強材料，制備的竹纖維復合材料具有密度小、模量與強度高特點(diǎn)，非常適合汽車(chē)部件的輕量化。與傳統的復合材料相比，竹纖維復合材料質(zhì)量更輕，生產(chǎn)能耗更少，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期階段，碳排放量非常少，更符合現代社會(huì )“綠色環(huán)保和低碳化”的要求。
一、竹纖維在汽車(chē)復合材料上的產(chǎn)品與性能
1汽車(chē)用竹纖維增強熱塑性復合材料
中國有關(guān)院校和企業(yè)合作進(jìn)行了相關(guān)研究，采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車(chē)用竹纖維增強聚丙烯復合材料，分別研究了竹纖維含量、制作結構和改性處理對復合材料力學(xué)性能、吸濕性能的影響，并通過(guò)層間混雜結構和竹纖維表面性能對復合材料性能作用機理的研究，探索了2種優(yōu)化方式對復合材料濕熱穩定性的影響。
復合材料力學(xué)性能研究表明，當竹纖維/聚丙烯質(zhì)量比為60/40時(shí)，復合材料具有最優(yōu)力學(xué)性能，其彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa，混雜結構對復合材料的力學(xué)性能均有不同程度提高。其中，“50/50+70/30”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa，較普通結構，各項力學(xué)性能指標分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%；“50/50+80/20+50/50”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa，較普通結構，各項力學(xué)性能指標分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。
采用堿處理和偶聯(lián)劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復合材料的力學(xué)性能，當NaOH質(zhì)量分數為5%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa，較處理前，各項性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%；當偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數為3%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa，相比處理前，復合材料的各項性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。
竹纖維/聚丙烯復合材料的吸濕規律符合Fick吸濕定律，經(jīng)過(guò)堿處理或者堿－偶聯(lián)劑處理后，竹纖維/聚丙烯復合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果，綜合考慮濕熱老化后復合材料的性能，堿－偶聯(lián)劑處理后復合材料耐濕熱老化性能最優(yōu)，當濕熱老化60d后，復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa，較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質(zhì)量分數為40%時(shí)，復合材料的力學(xué)性能較佳。
目前以竹纖維為增強體，以聚丙烯等熱塑性樹(shù)脂為基體，采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車(chē)門(mén)板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車(chē)用內飾材料，產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)成熟。
2汽車(chē)用竹纖維增強熱固性復合材料
國內產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)展了另一項研究，采用縫合－模壓工藝制備了單向連續竹纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復合材料，首先研究了竹纖維含量對復合材料縱向靜態(tài)力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。隨著(zhù)竹纖維含量的增加，復合材料靜態(tài)力學(xué)性能呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50wt%時(shí)，復合材料拉伸、彎曲性能最優(yōu)，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別達到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa；復合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50wt%時(shí)，復合材料存儲模量最大，且隨著(zhù)竹纖維含量的增加，復合材料玻璃化轉變溫度向低溫方向移動(dòng)，損耗峰變寬。
利用堿、堿－偶聯(lián)劑聯(lián)合處理的方式，對竹纖維進(jìn)行表面改性，經(jīng)過(guò)不同表面的處理之后，將改善單向連續性竹纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復合材料的各項性能。當采用5%堿－3%偶聯(lián)劑聯(lián)合處理時(shí)，復合材料綜合性能最優(yōu)，其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、剪切強度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%；復合材料存儲模量（33℃）較未處理的提高了63.80%，損耗因子有所降低；復合材料24h、720h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。
同時(shí)，制備了單向連續竹纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復合材料，復合材料的拉伸強度達到了270.30MPa、拉伸模量達到了16.23GPa、彎曲強度達到了276.51MPa、彎曲模量達到了21.99GPa、剪切強度達到了24.08MPa。
制備的單向連續竹纖維增強熱固性復合材料力學(xué)性能優(yōu)良，有潛力取代玻璃纖維增強樹(shù)脂復合材料在汽車(chē)材料（汽車(chē)外殼、座椅支撐架等汽車(chē)承力結構）領(lǐng)域的應用，以竹天然纖維為增強體相對傳統內飾有著(zhù)顯著(zhù)的節能環(huán)保優(yōu)勢。
二、竹纖維復合材料在汽車(chē)上的典型應用
竹纖維復合材料在汽車(chē)上的典型應用
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制造商 |
應用部位 |
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噪聲屏蔽 |
底部 |
前端 |
保險杠梁 |
儀表板 |
車(chē)門(mén) |
其他 |
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奧迪 |
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寶馬 |
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雪鐵龍 |
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菲亞特 |
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福特 |
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梅賽德斯 |
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歐寶 |
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標致 |
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雷諾 |
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斯柯達 |
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沃爾沃 |
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大眾 |
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三菱汽車(chē)采用竹纖維增強氨基甲酸乙酯樹(shù)脂制造車(chē)門(mén)裝飾板，具有較好的物理、機械性能。福特公司也在積極研究開(kāi)發(fā)竹纖維增強復合材料內飾件，以提升內飾件的硬度。
竹纖維復合材料車(chē)門(mén)裝飾板
三、竹纖維在汽車(chē)復合材料上的發(fā)展前景
當前國家碳中和碳達峰目標下，人類(lèi)環(huán)保意識在隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步也越發(fā)強烈，在汽車(chē)內飾件領(lǐng)域的應用是竹纖維增強復合材料是重要市場(chǎng)，其具備的諸多優(yōu)點(diǎn)更是解決了汽車(chē)行業(yè)的多個(gè)難題。
汽車(chē)發(fā)生事故時(shí)，竹纖維優(yōu)良韌性將減少車(chē)輛損毀，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎強度。
其輕質(zhì)的特性也將減少車(chē)身重量達20%，大大降低油耗及尾氣排放，是替代目前時(shí)興的玻璃纖維復合材料的完美選擇，同時(shí)也會(huì )對汽車(chē)內飾件的綜合性有較大提升。
此外，在生產(chǎn)過(guò)程中竹纖維工藝流程簡(jiǎn)單，尤其是能避免化學(xué)纖維在生產(chǎn)過(guò)程中對生態(tài)環(huán)境的破壞。
近年來(lái)，世界范圍內也相繼開(kāi)發(fā)應用了多項車(chē)用竹纖維復合材料，已經(jīng)著(zhù)手研發(fā)的產(chǎn)品包括內飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤(pán)、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。竹纖維增強復合材料作為汽車(chē)內外件的一種新型加工原料，必然將成為今后汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢。
來(lái)源：張毅.竹纖維在汽車(chē)復合材料上的應用研究[J].竹子學(xué)報,2020, (2):89-93.
汽車(chē)材料網(wǎng)整理
所謂低碳材料，即為獲取和加工過(guò)程中能源和輔料消耗更少的材料。汽車(chē)工業(yè)常用的竹纖維為竹原纖維，是從竹子莖部取得的韌皮纖維，采用機械物理分絲、化學(xué)或生物脫膠、開(kāi)松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維。竹原纖維是一種新型的植物纖維，不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學(xué)粘膠再生纖維素纖維。
研究發(fā)現，以天然環(huán)保新材料的竹纖維為增強材料，制備的竹纖維復合材料具有密度小、模量與強度高特點(diǎn)，非常適合汽車(chē)部件的輕量化。與傳統的復合材料相比，竹纖維復合材料質(zhì)量更輕，生產(chǎn)能耗更少，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期階段，碳排放量非常少，更符合現代社會(huì )“綠色環(huán)保和低碳化”的要求。
一、竹纖維在汽車(chē)復合材料上的產(chǎn)品與性能
1汽車(chē)用竹纖維增強熱塑性復合材料
中國有關(guān)院校和企業(yè)合作進(jìn)行了相關(guān)研究，采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車(chē)用竹纖維增強聚丙烯復合材料，分別研究了竹纖維含量、制作結構和改性處理對復合材料力學(xué)性能、吸濕性能的影響，并通過(guò)層間混雜結構和竹纖維表面性能對復合材料性能作用機理的研究，探索了2種優(yōu)化方式對復合材料濕熱穩定性的影響。
復合材料力學(xué)性能研究表明，當竹纖維/聚丙烯質(zhì)量比為60/40時(shí)，復合材料具有最優(yōu)力學(xué)性能，其彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa，混雜結構對復合材料的力學(xué)性能均有不同程度提高。其中，“50/50+70/30”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa，較普通結構，各項力學(xué)性能指標分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%；“50/50+80/20+50/50”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa，較普通結構，各項力學(xué)性能指標分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。
采用堿處理和偶聯(lián)劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復合材料的力學(xué)性能，當NaOH質(zhì)量分數為5%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa，較處理前，各項性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%；當偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數為3%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa，相比處理前，復合材料的各項性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。
竹纖維/聚丙烯復合材料的吸濕規律符合Fick吸濕定律，經(jīng)過(guò)堿處理或者堿－偶聯(lián)劑處理后，竹纖維/聚丙烯復合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果，綜合考慮濕熱老化后復合材料的性能，堿－偶聯(lián)劑處理后復合材料耐濕熱老化性能最優(yōu)，當濕熱老化60d后，復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa，較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質(zhì)量分數為40%時(shí)，復合材料的力學(xué)性能較佳。
目前以竹纖維為增強體，以聚丙烯等熱塑性樹(shù)脂為基體，采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車(chē)門(mén)板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車(chē)用內飾材料，產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)成熟。
2汽車(chē)用竹纖維增強熱固性復合材料
國內產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)展了另一項研究，采用縫合－模壓工藝制備了單向連續竹纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復合材料，首先研究了竹纖維含量對復合材料縱向靜態(tài)力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。隨著(zhù)竹纖維含量的增加，復合材料靜態(tài)力學(xué)性能呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50wt%時(shí)，復合材料拉伸、彎曲性能最優(yōu)，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別達到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa；復合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50wt%時(shí)，復合材料存儲模量最大，且隨著(zhù)竹纖維含量的增加，復合材料玻璃化轉變溫度向低溫方向移動(dòng)，損耗峰變寬。
利用堿、堿－偶聯(lián)劑聯(lián)合處理的方式，對竹纖維進(jìn)行表面改性，經(jīng)過(guò)不同表面的處理之后，將改善單向連續性竹纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復合材料的各項性能。當采用5%堿－3%偶聯(lián)劑聯(lián)合處理時(shí)，復合材料綜合性能最優(yōu)，其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、剪切強度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%；復合材料存儲模量（33℃）較未處理的提高了63.80%，損耗因子有所降低；復合材料24h、720h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。
同時(shí)，制備了單向連續竹纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復合材料，復合材料的拉伸強度達到了270.30MPa、拉伸模量達到了16.23GPa、彎曲強度達到了276.51MPa、彎曲模量達到了21.99GPa、剪切強度達到了24.08MPa。
制備的單向連續竹纖維增強熱固性復合材料力學(xué)性能優(yōu)良，有潛力取代玻璃纖維增強樹(shù)脂復合材料在汽車(chē)材料（汽車(chē)外殼、座椅支撐架等汽車(chē)承力結構）領(lǐng)域的應用，以竹天然纖維為增強體相對傳統內飾有著(zhù)顯著(zhù)的節能環(huán)保優(yōu)勢。
二、竹纖維復合材料在汽車(chē)上的典型應用
竹纖維復合材料在汽車(chē)上的典型應用
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制造商 |
應用部位 |
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噪聲屏蔽 |
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保險杠梁 |
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三菱汽車(chē)采用竹纖維增強氨基甲酸乙酯樹(shù)脂制造車(chē)門(mén)裝飾板，具有較好的物理、機械性能。福特公司也在積極研究開(kāi)發(fā)竹纖維增強復合材料內飾件，以提升內飾件的硬度。
竹纖維復合材料車(chē)門(mén)裝飾板
三、竹纖維在汽車(chē)復合材料上的發(fā)展前景
當前國家碳中和碳達峰目標下，人類(lèi)環(huán)保意識在隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步也越發(fā)強烈，在汽車(chē)內飾件領(lǐng)域的應用是竹纖維增強復合材料是重要市場(chǎng)，其具備的諸多優(yōu)點(diǎn)更是解決了汽車(chē)行業(yè)的多個(gè)難題。
汽車(chē)發(fā)生事故時(shí)，竹纖維優(yōu)良韌性將減少車(chē)輛損毀，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎強度。
其輕質(zhì)的特性也將減少車(chē)身重量達20%，大大降低油耗及尾氣排放，是替代目前時(shí)興的玻璃纖維復合材料的完美選擇，同時(shí)也會(huì )對汽車(chē)內飾件的綜合性有較大提升。
此外，在生產(chǎn)過(guò)程中竹纖維工藝流程簡(jiǎn)單，尤其是能避免化學(xué)纖維在生產(chǎn)過(guò)程中對生態(tài)環(huán)境的破壞。
近年來(lái)，世界范圍內也相繼開(kāi)發(fā)應用了多項車(chē)用竹纖維復合材料，已經(jīng)著(zhù)手研發(fā)的產(chǎn)品包括內飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤(pán)、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。竹纖維增強復合材料作為汽車(chē)內外件的一種新型加工原料，必然將成為今后汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢。
來(lái)源：張毅.竹纖維在汽車(chē)復合材料上的應用研究[J].竹子學(xué)報,2020, (2):89-93.
汽車(chē)材料網(wǎng)整理
