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汽车轻量化——新型材料发展进步的亮点
  浏览次数:5931  发布时间:2019年07月10日 11:09:03
[导读] 在可预见的2020-2025年期间,使用塑料材料的汽车轻量化将是一个重要的技术趋势。
在可预见的2020-2025年期间,使用塑料材料的汽车轻量化将是一个重要的技术趋势。汽车各部件的轻量化目前正在研究中,其中先进的塑料和塑料复合材料具有显著轻量化的潜力。

纤维增强塑料复合材料通常比同等强度的钢构件轻25-35%。低密度和超低密度板材成型化合物(SMC)的进步也有助于减轻重量。
用于减轻重量的新材料将包括:
1.在车身板中更多地使用工程塑料和复合材料
2.在结构件中使用长而连续的纤维技术
3.在结构和其他部件中更多地使用碳纤维增强塑料作为低成本复合材料
4.聚碳酸酯和丙烯酸作为玻璃,包括汽车车顶和后端
5.引擎盖下应用中的高级尼龙
6.发泡和玻璃珠技术可降低零件密度
7.更多地使用塑料-金属和有机混合技术
8.超薄高性能钢的发展
9.铝和镁金属使用率的增长

汽车驱动和引擎盖下的材料面临的挑战包括高温、潮湿和振动。为了使汽车的使用寿命中能够承受这样的环境,使用的塑料通常必须经过特殊的配备。

发动机罩下的其中一种重要材料是耐水解热塑性聚酯对苯二甲酸丁二酯(PBT)。BASF公司的新型超高耐水解、阻燃和激光透明的HR PBT系列产品已经被应用于汽车驱动和其他汽车发动机罩。

与水接触——即使以大气湿度的形式——导致聚酯的聚合物链水解分裂,从而导致材料的老化,特别是在高温下。Ultradur采用高效添加剂,极大地延缓了水解降解,因此可以大大延长零件使用寿命。

通常用于提高耐水解性的添加剂也会增加熔体粘度。Ultradur HR经过优化,即使停留时间较长,熔体粘度也尽可能保持稳定——这是稳定、无问题加工的理想条件。

Ultradur B4330 G6 HR对引起应力裂纹的碱性介质也有更高的耐受力。应力裂纹引起的损伤沿微裂纹扩展。这也会迅速导致宏观骨折。与金属直接接触的塑料部件通常是最危险的。


Ultradur B4330 G3 HR(红色)耐水解性比较

用烧碱溶液浸湿弯曲夹具后的PBT GF30测试棒。无改善应力抗裂性能的材料快速断裂(顶部);
Ultradur B4330 G6 HR被证明具有相当长的耐受时间(底部)。

Victrex Plc的新型聚醚醚酮(PEEK)树脂是另一种可靠的减轻重量的材料。在PEEK材料中加入高模量纤维(HMFs)提供了在汽车和工业应用中取代钢铁、铝、钛、黄铜和镁等金属所需的强度和刚度。新的Victrex PEEK HMF聚合物是基于Victrex 90系列配方,用于模塑坚韧的薄壁零件。

新材料通常需要金属的高温应用提供机械强度和刚度。除了降低部件重量外,还有通过注塑成型获得的更高的效率,通过将更多功能设计整合部件的能力可以缩短周期时间并降低生产成本。

PEEK HMF聚合物已经过液压油,燃油,机油,润滑脂和润滑油的测试。它还可以在260℃的温度下长期使用。PEEK HMF聚合物可用于替代金属支架,夹子,紧固件和其他二级结构。

 Victrex PEEK HMF(蓝色)重量减轻比较

在可再生塑料方面,木质纤维素复合材料汽车零部件正在进军汽车轻量化领域。Weyerhaeuser发明了一种有效实用的方法,将纤维素加入热塑性复合材料中,可替代汽车零件等应用中的各种纤维增强和纤维填充的热塑性塑料。

福特希望广泛地使用新的纤维素纤维增强复合材料。Weyerhaeuser的“Thrive”复合材料的关键属性是:
1.中性色容易吸收颜色/染料,实现全彩色柔韧性
2.无臭(通过严格的汽车内饰测试)
3.比重比玻璃纤维低6%
4.良好的成型性,较低的周期时间
5.有吸引力的经济效益
6.优异的拉伸和弯曲性能
7.均匀连续的质量分布
8.可持续生产

福特使用Thrive纤维素增强聚丙烯(PP)作为其2014款林肯MKX的中控台扶手。虽然福特一直在将这种材料用于几个原型零件,但这是生产车辆中的第一个应用。Weyerhaeuser与汽车零部件供应商Johnson控制一起合作开发扶手。

福特相信纤维素提供的高水平性能使复合材料成为汽车外部和引擎盖下应用的理想选择。Weyerhaeuser及其主要用户已针对未公开的汽车应用进行了大量商业注塑试验。

Weyerhaeuser开发合作伙伴Interfacial Solutions开发了专有技术,可在室温和高温下提高高天然纤维含量复合材料的防潮性。当高纤维含量的复合材料在潮湿的环境中,它们可以吸收多达其质量的10%的水分。高含水率降低了该化合物的尺寸稳定性、色牢度和耐微生物性。

Interfacial Solutions还开发了一种水分清除技术,无需在加工前对天然纤维和其他湿敏塑料进行预干燥。

其他Thrive应用包括办公家具、家居用品、小型和大型家电、工业产品、消费者个人物品以及建筑产品。Thrive有多种基础聚合物,如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS),低密度和高密度聚乙烯(LDPE和HDPE),聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)。

福特和Essentium材料公司开发了一种椰子纤维增强复合材料部件,用于福特福克斯电动汽车的主轴载重底板,该部件已投入生产两年。福特和Essentium材料公司正在开发另一种椰子纤维复合材料,预计将于明年推出。

椰子纤维的平均直径为250微米,比大多数其他天然纤维大得多,使其具有固有的刚性和韧性。除了良好的弯曲模量外,椰子纤维还具有所有天然纤维中最高的木质素含量,这有助于使其抵抗燃烧,微生物攻击和水分吸收膨胀。无论植物种类,原产地,土壤和天气条件以及收获时间,它都广泛可用并具有相同的性质。
总之,减重材料的选择也受到以下因素的影响:
1.每辆车的材料重量节约潜力
2.每单位重量节省成本
3.批量生产所需的物料数量
4.轻量化的驱动导致材料技术越来越多地被认为是最初设计的一部分

麻省理工学院(MIT)和通用汽车(GM)的研究人员开发出了一种工具,可以在汽车设计过程的早期估算二次大规模节能潜力。在过程的早期使用这个工具——在子系统被锁定之前——可以最大限度地节省大量资源。

二次质量节省(SMS)是当车辆总质量(GVM)减小时可以在承载车辆部件中实现的质量减少。质量分解是通过二次质量节省识别进一步减少GVM进一步减少的过程。

SMS最大化是实现汽车燃油经济性最大化的关键工具,但在当前的设计过程中,可能难以实现。(文章来源于网络)