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汽车轻量化 纤维增强复合材料告诉你如何实现

2017-01-11 来源:塑商汇
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“轻量型结构是现代化产业中做出重要贡献的关键技术。例如电动产业没有轻量化工程是不可想象的。未来,经济和生态之间的关联将更为紧密。”

——德国联邦经济事务及能源部秘书长IrisGleicke


正如IrisGleicke所言,经济与生态密不可分,生活与生态的关联更为密切。作为现代生活最重要的出行工具,汽车正想通过努力“减肥”来降低能耗,为节能减排,为重塑一个健康的生态环境贡献一己之力。


汽车轻量化的时代已经来临,如何提高车辆燃油效率和车辆性能,制造出轻量化车型,汽车行业一直在探索新材料的开发与应用。

 

汽车轻量化 纤维增强复合材料告诉你如何实现

 

纤维增强复合材料 汽车轻量化的最佳答案


美国密歇根州安娜堡汽车研究中心曾调查研究了44种不同品牌的2015年款车型材料,对汽车制造商发出询问,如果想要削减汽车关键部位5%、10%甚至15%的重量,将使用什么材料?


在日前中国工程院举行的“高性能纤维与汽车轻量化技术创新发展战略研究”项目成果发布会上,与会专家表示,纤维增强复合材料是迄今为止综合性能最好、能在工程上应用的轻量化材料。包括碳纤维在内的高性能纤维不仅可以用在汽车等运输工具的减排降耗,还可以提高机械运动精度,帮助海洋化工装备防腐蚀等。


据调查,一般塑料的比重在0.9-1.6,玻纤维增强复合材料的比重在2.0以内,而A3钢为7.6,黄铜为8.4,铝为2.7。因此,塑料虽然在强度上不及碳纤维、金属材料,但从比重上来说,塑料的轻量化效果最好。此外,使用塑料可以减轻汽车零部件约40%的重量,汽车的动力、舒适性及安全性却得以提升,未来其创新应用有可能颠覆传统汽车。


福特汽车轻量化设计负责人David·Wangner在接受外媒采访时表示,“纤维增强复合材料在汽车行业中即将获得突破。宝马和其他几个公司前期工作已经成功吸引了更多人的关注。多年来,汽车行业一直在致力于将纤维增强复合材料应用于小体积型特色汽车,并追求可能在大体积经典系列汽车的生产商有所突破。”


在汽车轻量化已经成为趋势化发展的现状下,纤维增强复合材料技术的运用为汽车轻量化提供了最佳选择,已成为变革路上的必然之选。


“以塑代钢” 哪些汽车部位能减肥?


根据美国密歇根州安娜堡汽车研究中心的报告,汽车轻量化的最高优先级是发动机罩和挡泥板,其次是车门、行李箱盖、发动机支架、A柱和B柱以及卡车框架。报道称,A柱和B柱对于耐撞击性有着极高要求,并且是汽车组件中可见的拥有最先进轻质技术的部分。

汽车轻量化 纤维增强复合材料告诉你如何实现


发动机罩


目前,应用于发动机罩盖上的增强塑料主要有三种:玻纤增强尼龙(GF-PA)、长玻纤增强聚丙烯塑料(LFT-PP)和矿物增强聚丙烯塑料(M-PP)。


GF-PA具有优异的耐高温、耐老化和良好的力学性能,但高性能伴随着高成本,适用于高端汽车产品;LFT-PP材料也具有较好的力学性能,同时生产工艺简单、成本低廉,适用于中端汽车产品;M-PP材料则更适合于温度要求较低的小排量汽车产品。


车门内板


车门内板的构造基本上类似于仪表板,由骨架、发泡和表皮革构成。以红旗轿车和奥迪轿车为例,车门内板的骨架部分由ABS注塑而成,再采用真空成形的方法,将衬有PU发泡材料的针织涤纶表皮复合在骨架上形成一体。


在美国,门内装饰板用ABS或PP注塑成形的居多,现在我国国产的卡车——斯太尔王也使用同类板。近年来,车门内饰板为满足耐候性和柔软性,已开始使用热塑性弹性体与PP泡沫板相叠合的结构。日本开发了一种冲压成形、连续生产全PP车门内饰板的技术,门板包括PP内衬板、PP泡沫衬热层和PP/EPDM皮层结构。


质量减少目标越大,塑料复合材料的运用就越多。经过数据分析发现,现有封闭件90%由钢制成,一辆车若要达到5%的轻量化目标,85%的钢制部分就要被替换成铝,要达到5%以上的轻量化目标,就要加入镁和其他复合材料。而车身的轻量化比封闭件更为复杂。

 

理想与现实 复合材料应用之路荆棘密布

 

当汽车轻量化趋势日盛给纤维增强复合材料带来不可估量的机遇,复合材料的挑战也接踵而至。


其一即是供需压力。与金属不同,复合材料不像商品那样普遍销售,复合材料的生产能力目前远远满足不了它的需求量。譬如碳纤维,以宝马为例,仅7系列每年碳纤维零部件的需求量就高达约100万个。目前宝马已经拥有年产约7.5万个碳纤维零部件的生产线,但还远无法满足其自身需求。如果全球销售的9000万辆汽车(2015年全球汽车销量预测值)中有10%采用碳纤维零部件,则每年其需求量将高达1.35亿件。以碳纤维使用量计,如果每辆车使用20kg碳纤维,则车用碳纤维的年需求量将高达18万t。而目前全球碳纤维所有应用领域的用量约为8万t/a。如此算来,以目前3倍的碳纤维生产能力才能满足全球汽车市场需求,这对于碳纤维材料的生产是一个巨大的挑战。


此外,车用复合材料另一项巨大挑战是汽车行业高效率的生产预期,纤维增强复合材料的生产周期时间必须满足车辆生产率。若要满足汽车或卡车生产的高产量要求,制造速率通常为每分钟制造一个部件,而传统复合材料的交联固化便需要5-10分钟。减少复合材料的循环时间是复合材料供应商不断进行的研发工作。


与此同时,组件的性能建模也可能是一个问题。由于纤维增强复合材料与金属材料的根本性差异,目前CAE软件无法完美展现出复合材料的性能。且复合材料通常由供应商标记,材料化学作为知识产权被保护,这使得CAE软件公司难以为复合材料创建通用仿真模型。


纤维增强复合材料在实际应用中所面临的挑战远远不止这些,挑战超越成本、挑战将复合材料融入到对应金属的现有造件中、挑战重塑生产流程等等。纤维增强复合技术具有无限可能,如果汽车制造商想为汽车认真减肥,纤维增强复合技术必能发光发热,属于它的时代就会到来。


【编者结语】不可置否,纤维增强复合材料在汽车工业的应用具有令人期待的发展前景,但其批量化应用仍然面临技术、供应链等问题。如何利用其轻量化的天然优势在汽车轻量化领域获得长足发展,纤维增强复合材料还需进一步加大研发投入,寻求竞争优势。

以需求强劲的汽车市场和日益严峻的环保压力为动力,纤维增强复合材料只有直面挑战,开辟出适应市场需求的全新道路,方能开创汽车轻量化新纪元。


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