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复合材料在汽车中的最新应用

时间: 2011-06-28 20:38 来源: 作者: Richard Stewart  点击:
提高燃油效率的关键是降低重量,因此原始设备制造商(OEM)现在更加看重的轻量优势,而其相对于钢和铝的价格优势反而在其次。政府对于高里程和低排放汽车的需求,使得汽车制造商们都开始进行创新,寻求更加昂贵的材料,例如碳纤维复合材料和纳米复合材料,以达到轻量化目标。

材料供应商对于复合材料在汽车行业的应用是非常乐观的。亚什兰高性能材料的Cedric Ball认为,汽车行业正处于向新一代汽车转变的重大时期,“在提高燃油经济性和降低生产成本的双重压力下,我们正处于市场压力和行业趋势的‘完美风暴’之中,因此复合材料对于汽车制造商的吸引力远胜从前。”

Ball是美国塑料工程师学会(SPA)主办的2010年汽车复合材料研讨会和展览会(ACCE,9月15-16日,美国密歇根州)的研讨会负责人。今年ACCE的主题是“复合材料:造就新型汽车”。该研讨会已经举办了九届,这是第十届,是汽车复合材料领域的重要论坛,吸引着来自世界各地的众多参展商、演讲嘉宾和参与者。

PPG工业公司长纤维热塑性塑料部门的技术负责人和研究人员Creig Bowland负责ACCE的技术议程的制定,他认为,汽车行业对复合材料的需求现在已超越从前。“汽车制造速度的缓慢和高能效汽车的急切需求,意味着复合材料成为了真正的解决方案。”


Velozzi Supercar:由碳纤维和碳纳米管制成的电动赛车

电动汽车

许多人将混合动力汽车看作摆脱对燃油的依赖和降低排放的一条良好途径。一月份在底特律举办的拦势嫡股希笤颊钩隽20款电动汽车。轻质材料对于减轻混合动力汽车所增加的重量是至关重要的。但能否在复合材料之中存储电能?伦敦皇家学院说,这并非不可能。

皇家学院的研究者及其欧洲合作伙伴们(其中包括沃尔沃集团)开发了一种碳纤维复合材料原型,能够改变混合动力汽车的外观。这种专利的材料可以存储和释放电能,不仅耐用而且重量轻,可用于结构件和车身面板的制造。研究者表示,该材料制成的汽车本身就可以作为一个电池。据说该材料可以储存和释放大量的能量,而且速度比传统电池快很多。充电过程不含化学反应,因此由其制成的电池不会随时间老化。

起亚汽车(Kia Motor)美国公司的插入式混合动力概念车Ray是最新的混合动力汽车之一,在今年二月份的芝加哥车展上第一次面市。采用大量复合材料制成的这一四座小轿车采用了轻质的回收材料,太阳能电池嵌在玻璃车顶上。Ray每充一次电可以行驶50英里(80.5公里)以上的距离,汽油全部采用铝制造。

加利福尼亚的汽车设计师Velozzi正尝试在今年下半年推出其设计的高性能电动赛车Velozzi Supercar,该车可以在3秒钟内加速至60迈,采用碳纤维和纳米管增强的复合材料制成。第一辆插入式跨界(crossover)混合动力车Velozzi SOLO将于2011年面市,该车是第一种采用碳纤维纳米管材料制成的量产车。据说这种材料大大增强了部件的机械性能,而且降低了重量。Velozzi在开发新型汽车的过程中与许多供应商进行了合作,其中包括拜耳材料科技和亚什兰。

复合材料领风骚

全球汽车供应商Faurecia的研究者们一直致力于减轻汽车的重量,据说该公司的产品可以将目前的减重水平加倍。该公司专门开发汽车座椅、内饰件和前端部件的制造技术和排放控制技术。Faurecia认为,采用天然纤维和其他复合材料以及混合部件,到2020年每辆汽车的重量可以减少59公斤。该公司的产品在全世界80%的高效汽车中都有应用。

“随着更加严格的CAFE法规的迅速出台,汽车制造商被迫大幅度降低汽车的重量及排放,但不可牺牲安全性、舒适性或质量。”Faurecia北美公司的总裁Mike Heneka说,“这些趋势以及其他因素正推动汽车制造商与供应商进行合作,以加速经济高效的创新产品的开发。”

Faurecia公司为Liberty SUV生产的车门组件进入了SPE汽车部门所赞助的第39届年度创新大奖赛的决赛。Faurecia既是系统供应商也是材料加工商,这一车门组件采用Asahi Kasei Plastics公司新等级的32%短纤填充的聚丙烯(PP)制成,可以取代更加昂贵的长纤等级的PP。该树脂是预先着色的高纤维含量色母粒,加工商可以在加工过程中自行调整玻纤含量。


Opel and Recaro开发的模压座椅中采用了玻纤增强的复合材料,摒弃了钢架结构。

宝马不断采用其创新的复合材料技术来减轻重量,提高性能。M系列的碳纤维车顶的结构内层中包含了Hexcel的HexForce ®NC2®多轴增强材料。Z4的车身底板是一个类似三明治的夹心结构层,采用Quadrant塑料复合材料公司的SymaLITE®材料制成。获奖的Gran Turismo 550i的传动轴采用巴斯夫的50%玻纤增强的聚酰胺Ultramid®制成,可以取代铝。最近,宝马宣布与SGL集团成立一家合资公司,为将来的超大城市车(Megacity Vehicle)开发和生产碳纤维材料。

福特汽车公司是复合材料应用领域的另一个领导者,在材料领域不断创新,以减轻重量,降低成本。其新的车身隔热底板可以将油箱和发动机的高温废气隔离开。该部件由50%短切纤维增强的片状模塑料(SMC)压塑成型,该材料采用AOC公司的树脂制成。这一SMC材料是专门为结构应用而配制的,在高温或腐蚀性环境中具有较高的机械性能。总部位于阿根廷首都布宜诺斯艾利斯的Pilot Automotive公司为福特公司提供多种SMC部件。

莲花(Lotus)汽车公司在2009年10月的东京国际车展上推出了其最新的特别版高性能赛车Exige Scura。该车大量采用碳纤维复合材料,表面喷涂清漆,比已减重的Exige S系列重量减轻了10公斤。该公司已经计划生产35量价值4.5万英镑(约7万美元)的这款赛车。

产量较高(每年2000量)的Lotus Evora受到了几个大洲的车迷杂志的赞许。最近,BBC的Top Gear杂志将其命名为“年度赛车”。Evora采用了轻质的铝和复合材料部件,包括抗压的复合材料车顶和车身板,从而增强车体的刚度。

替代金属

杜邦公司的汽车部门(DuPont Automotive)报告说,他们正在开发新的工程塑料和高性能复合材料,这些材料在汽车相关应用中具有更高的性能,可以将金属部件的重量减轻30-40%。同时,新材料可以将原本独立的部件集成在一个模件中,从而降低30-50%的成本。新材料能够承受发动机内部高达260℃的高温,为替代金属提供了更大的可能性。它们还可以使连接件直接进行模内成型,实现快速组装和紧凑型发动机舱内更好的装配。


二月份在芝加哥车展上亮相的起亚插入式混合动力概念车Ray使用了轻质的复合材料和回收材料,
太阳能电池置于车顶。

德国特殊化学品制造商朗盛(LANXESS)向全球的汽车金属部件替代领域介绍了其增强型半结晶产品系列。该公司的Durethan®聚酰胺和Pocan ®聚酯都含有高达50-60%的玻纤增强材料,加工方式与30%纤维含量的通用塑料一样简单。

Opel and Recaro开发的新型Opel Insignia OPC的前座椅采用巴斯夫Ultramid ®家族的两种特种聚酰胺和Neopolen®膨体聚丙烯泡沫制成。座椅板、靠背外壳和传动轴采用巴斯夫的UfLTRASIM®模拟程序包进行设计。玻纤增强的塑料部件摒弃了钢架。模拟工具对部件尺寸进行设定并优化,以满足撞击要求。

复合材料的加工

MAG工业自动化系统公司推出了其突破性的汽车复合材料技术,“结合了汽车行业的成本和产率需求以及航天业所用的定向纤维结构的工程特性” 。其新的Continuous Laminating Line采用连续纤维热塑性和热固性预浸料生产的薄壁结构工程部件,比钢制部件轻40-60%,但强度是SMC的两倍。

MAG说,重点是优化低成本增强材料的性能,例如E玻纤,尽管碳纤维和混合预浸料也可以采用这种机械进行加工。据说,该公司开发的连续纤维预浸料具有比SMC低得多的形变系数,与短切纤维相比,增强纤维的分布和定向更加均匀。该可以根据部件的设计要求裁切增强材料,而无论所加工的是结构部件还是多组件的整个车身底板。

为满足不同的生产规模需求,Continuous Laminating Line采用了模块化设计,每个模块可以处理两卷2.4米宽的预浸料。该系统可以在一个部件上铺设不同宽度的材料,一个模块加工全幅材料的同时,另一个可以铺设窄幅的材料。在线切割和捻接可以保证连续的操作,以及交叉层的铺放,从而增强过渡区域,例如地板上横跨汽车的加强筋。用于铺放三明治结构中夹芯材料的模块也正在开发中。

发动机罩下的应用

2010款通用汽车V8发动机上的进气歧管系统是第一个采用高流动聚酰胺的结构传动系组件,也是由聚酰胺制成的最大的汽车部件,SPE在宣布该部件进入创新奖决赛时如是说。据说,帝斯曼工程塑料部门提供的30%玻纤增强的Akulon ® Ultraflow K-FHG6 PA6流动性能比标准流动等级的PA6增加了80%,而机械性能没有显著损失。高流动性促进了设计的优化,降低了注射压力,可以在较低的模内应力下生产部件。这种材料还具有较快的结晶速率,从而可以缩短冷却时间,减少翘曲和变形,减少废品率。

Mahle过滤系统公司为戴姆勒梅塞德斯奔驰C级轿车提供的流体过滤组件减轻了38%的重量和16%的成本。该组件也进入了SPE创新奖的决赛名单。Mahle采用朗盛公司的35%玻纤增强的Durethan AKV PA 66制成了这一组件。

Mahle还为最新的大众汽油发动机生产进气系统,原料是北欧化工(Borealis)公司专门开发的一种聚丙烯材料。35%玻纤增强的XmodTM是聚丙烯材料在这一部件中的首次应用。据说,该材料可以减重15%,具有较高的耐冲击性和拉伸强度,以及较高的热稳定性、更好的隔音性能和部件的可循环性。

福特Duratec 3.0L发动机的聚酰胺(PA)气缸前盖采用从废弃地毯中回收的PA制成,汽车供应商Dana股份有限公司说,这是其在汽车部件中的首次应用。这种材料就是配混商Wellman工程树脂公司提供的EcoLon®。Dana表示,该材料不仅环保,而且节约了大量的成本,同时也达到了原始PA和金属材料的性能参数。该汽缸盖比铝制的压铸盖轻20%。EcoLon系列的PA 66和PA 6分为矿物填充和矿物/玻纤填充等级,以及非填充和耐冲改性等级。


Borealis的玻纤增强聚丙烯Xmod®是专门为汽车进气歧管开发的

VDI大会上的新产品

由德国工程师协会(VDI)赞助的车用工程塑料国际研讨会于今年3月17-18日在曼海姆举行,旨在召集全球的OEM和供应商们借机推出新的产品,展示新的技术。美立肯(Milliken)化工公司重点展示了一种高性能的聚烯烃用增强助剂Hyperform ® HPR-803。据说该产品与传统的矿物填充系统相比,可以减轻15%的重量,同时很好地保持了刚度和耐冲击强度之间的平衡。

美立肯公司的新型聚烯烃增强材料可以达到与滑石粉填充的复合物相同的表面质量,而这是短切玻纤无法实现的。用Hyperform ® HPR-803取代短切玻纤,加工商可以扩大PP和其他聚烯烃的应用范围,而不必局限于目前的“隐藏式”汽车结构部件,可用于保险杠、车身板等许多可见部件中。

塑料供应商Akro-Plastic公司在VDI大会上展出了一些最新的产品。包括以PA 66为基础的Akroloy ®PA。据说该材料可以大大提高用于取代汽车金属的聚酰胺的性能,可以降低吸水性,从而提高聚酰胺的硬度、拉伸蠕变模量,提高尺寸稳定性。

Akro-Plastic的另一种最新产品是Akromide ® T(PPA),专门用于发动机舱内的高温部件的制造。另一种Akromid RM(Reduced Moisture)是以PA 6为基础的材料,有30%和50%玻纤含量可供选择。

LyondellBasell在VDI大会上推出了几种聚丙烯产品,包括新型Softell® 配混物。该产品可带来柔软的触感,为汽车内饰件增加美感,同时与传统内饰树脂相比,还具有加工方面的优势。Softell PP配混物有非填充和不同玻纤含量的牌号,Opel已经将其用于新车型Astra的仪表板以及车门面板的生产。

LyondellBasel在曼海姆推出的还有Hostacom短玻纤增强聚丙烯(PP)材料,用于汽车结构部件的生产,可取代长玻纤增强聚丙烯。大众紧凑型SUV Tiguan的前端和新款Polo的仪表板就是采用Hostacom级PP成型的。据说该材料具有非常均匀的短玻纤分布,比长玻纤更加具有优势。

新型轻质纤维

特种纤维制造商Innegrity为复合材料行业推出了一种低成本的轻质高性能纤维Innegra S。据说这是目前最轻的一种纤维,在为复合材料减轻重量的同时,可以带来优异的强度。如果与玻纤或碳纤维相结合,则可以显著增强复合材料的强度和抗冲击性能。这种纤维具有高性能纤维(芳纶纤维和碳纤维)的优势,但成本仅为后者的一小部分。Innegrity公司称,芳纶/Innegra S混合纤维制成的板材具有与全芳纶板材相同的防弹性能,而成本却大大降低了。

Magna Exteriors and Interiors推出了一系用复合物EpicBlendSMC™。去年该公司收购了Meridian汽车系统公司,他们称,这种SMC材料可以降低重量和成本,同时具有非常一致的性能。EpicBlendSMC将在美国印第安那州和墨西哥Saitillo的工厂内进行生产,总产能将超过9万吨/年。

美国马萨诸塞州的Radio Frequency公司最近推出了一种全新的SMC预热系统。据说该系统可以提高增强纤维的分散性,从而提高产品质量和强度,并缩短50%的固化时间。Macrowave ® SMC预热器可以在一分钟之内预热76.3×213.4厘米(30×84英寸)的SMC。


福特Flex跨界车的内部储物箱采用填充了20%麦秆纤维的聚丙烯制成。

植物纤维增强材料

关于生物增强塑料的新闻一直不断。宝马7系列的压塑成型门板中就采用了预制的天然纤维毡,并获得了SPE的创新奖。棕榈纤维增强复合材料正吸引着马来西亚汽车制造商的兴趣。麦秆原本是小麦生产过程中的废弃副产物,却被福特公司选作其2010 Flex跨界(crossover)车的注塑成型储物箱和内盖的增强材料。该储物箱进入了最近的创新大奖赛的决赛名单。

塑料供应商A. Schulman开发了填充有20%麦秆纤维的聚丙烯树脂。据说,该材料比非增强塑料具有更好的尺寸稳定性,重量比滑石粉或玻纤增强的塑料轻10%。加拿大安大略省的沃特卢大学及其他三个大学共同研究开发出了这一材料,整个研究工作是安大略生物汽车计划(Ontario BioCar Initiative)的一部分。A. Schulman使该树脂成功应用于汽车之中,不仅确保其无毒,而且满足了行业标准对于热膨胀、老化、刚度、吸水性和雾化性能的要求。

“内部储物箱看起来只是一个很小的开端,但却为更多的应用打开了大门。”福特公司技术专家Ellen Lee博士说到。

“我们看到了许多其它的应用可能,因为麦秆纤维具有良好的机械性能,可以满足我们的性能和耐久性要求,并进一步减少我们的碳足迹,也丝毫没有危害消费者的利益。”她补充说。

福特目前正推进一项新的战略,即在其多条产品线上,将生物基材料应用到其他的内饰、外饰和发动机罩下部件之中。

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