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汽車輕量化——新型材料發展進步的亮點
  瀏覽次數:6614  發布時間:2019年07月10日 11:09:03
[導讀] 在可預見的2020-2025年期間,使用塑料材料的汽車輕量化將是一個重要的技術趨勢。
在可預見的2020-2025年期間,使用塑料材料的汽車輕量化將是一個重要的技術趨勢。汽車各部件的輕量化目前正在研究中,其中先進的塑料和塑料複合材料具有顯著輕量化的潛力。

纖維增強塑料複合材料通常比同等強度的鋼構件輕25-35%。低密度和超低密度板材成型化合物(SMC)的進步也有助於減輕重量。
用於減輕重量的新材料將包括:
1.在車身板中更多地使用工程塑料和複合材料
2.在結構件中使用長而連續的纖維技術
3.在結構和其他部件中更多地使用碳纖維增強塑料作為低成本複合材料
4.聚碳酸酯和丙烯酸作為玻璃,包括汽車車頂和後端
5.引擎蓋下應用中的高級尼龍
6.發泡和玻璃珠技術可降低零件密度
7.更多地使用塑料-金屬和有機混合技術
8.超薄高性能鋼的發展
9.鋁和鎂金屬使用率的增長

汽車驅動和引擎蓋下的材料麵臨的挑戰包括高溫、潮濕和振動。為了使汽車的使用壽命中能夠承受這樣的環境,使用的塑料通常必須經過特殊的配備。

發動機罩下的其中一種重要材料是耐水解熱塑性聚酯對苯二甲酸丁二酯(PBT)。BASF公司的新型超高耐水解、阻燃和激光透明的HR PBT係列產品已經被應用於汽車驅動和其他汽車發動機罩。

與水接觸——即使以大氣濕度的形式——導致聚酯的聚合物鏈水解分裂,從而導致材料的老化,特別是在高溫下。Ultradur采用高效添加劑,極大地延緩了水解降解,因此可以大大延長零件使用壽命。

通常用於提高耐水解性的添加劑也會增加熔體粘度。Ultradur HR經過優化,即使停留時間較長,熔體粘度也盡可能保持穩定——這是穩定、無問題加工的理想條件。

Ultradur B4330 G6 HR對引起應力裂紋的堿性介質也有更高的耐受力。應力裂紋引起的損傷沿微裂紋擴展。這也會迅速導致宏觀骨折。與金屬直接接觸的塑料部件通常是最危險的。


Ultradur B4330 G3 HR(紅色)耐水解性比較

用燒堿溶液浸濕彎曲夾具後的PBT GF30測試棒。無改善應力抗裂性能的材料快速斷裂(頂部);
Ultradur B4330 G6 HR被證明具有相當長的耐受時間(底部)。

Victrex Plc的新型聚醚醚酮(PEEK)樹脂是另一種可靠的減輕重量的材料。在PEEK材料中加入高模量纖維(HMFs)提供了在汽車和工業應用中取代鋼鐵、鋁、鈦、黃銅和鎂等金屬所需的強度和剛度。新的Victrex PEEK HMF聚合物是基於Victrex 90係列配方,用於模塑堅韌的薄壁零件。

新材料通常需要金屬的高溫應用提供機械強度和剛度。除了降低部件重量外,還有通過注塑成型獲得的更高的效率,通過將更多功能設計整合部件的能力可以縮短周期時間並降低生產成本。

PEEK HMF聚合物已經過液壓油,燃油,機油,潤滑脂和潤滑油的測試。它還可以在260℃的溫度下長期使用。PEEK HMF聚合物可用於替代金屬支架,夾子,緊固件和其他二級結構。

 Victrex PEEK HMF(藍色)重量減輕比較

在可再生塑料方麵,木質纖維素複合材料汽車零部件正在進軍汽車輕量化領域。Weyerhaeuser發明了一種有效實用的方法,將纖維素加入熱塑性複合材料中,可替代汽車零件等應用中的各種纖維增強和纖維填充的熱塑性塑料。

福特希望廣泛地使用新的纖維素纖維增強複合材料。Weyerhaeuser的“Thrive”複合材料的關鍵屬性是:
1.中性色容易吸收顏色/染料,實現全彩色柔韌性
2.無臭(通過嚴格的汽車內飾測試)
3.比重比玻璃纖維低6%
4.良好的成型性,較低的周期時間
5.有吸引力的經濟效益
6.優異的拉伸和彎曲性能
7.均勻連續的質量分布
8.可持續生產

福特使用Thrive纖維素增強聚丙烯(PP)作為其2014款林肯MKX的中控台扶手。雖然福特一直在將這種材料用於幾個原型零件,但這是生產車輛中的第一個應用。Weyerhaeuser與汽車零部件供應商Johnson控製一起合作開發扶手。

福特相信纖維素提供的高水平性能使複合材料成為汽車外部和引擎蓋下應用的理想選擇。Weyerhaeuser及其主要用戶已針對未公開的汽車應用進行了大量商業注塑試驗。

Weyerhaeuser開發合作夥伴Interfacial Solutions開發了專有技術,可在室溫和高溫下提高高天然纖維含量複合材料的防潮性。當高纖維含量的複合材料在潮濕的環境中,它們可以吸收多達其質量的10%的水分。高含水率降低了該化合物的尺寸穩定性、色牢度和耐微生物性。

Interfacial Solutions還開發了一種水分清除技術,無需在加工前對天然纖維和其他濕敏塑料進行預幹燥。

其他Thrive應用包括辦公家具、家居用品、小型和大型家電、工業產品、消費者個人物品以及建築產品。Thrive有多種基礎聚合物,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材料公司開發了一種椰子纖維增強複合材料部件,用於福特福克斯電動汽車的主軸載重底板,該部件已投入生產兩年。福特和Essentium材料公司正在開發另一種椰子纖維複合材料,預計將於明年推出。

椰子纖維的平均直徑為250微米,比大多數其他天然纖維大得多,使其具有固有的剛性和韌性。除了良好的彎曲模量外,椰子纖維還具有所有天然纖維中最高的木質素含量,這有助於使其抵抗燃燒,微生物攻擊和水分吸收膨脹。無論植物種類,原產地,土壤和天氣條件以及收獲時間,它都廣泛可用並具有相同的性質。
總之,減重材料的選擇也受到以下因素的影響:
1.每輛車的材料重量節約潛力
2.每單位重量節省成本
3.批量生產所需的物料數量
4.輕量化的驅動導致材料技術越來越多地被認為是最初設計的一部分

麻省理工學院(MIT)和通用汽車(GM)的研究人員開發出了一種工具,可以在汽車設計過程的早期估算二次大規模節能潛力。在過程的早期使用這個工具——在子係統被鎖定之前——可以最大限度地節省大量資源。

二次質量節省(SMS)是當車輛總質量(GVM)減小時可以在承載車輛部件中實現的質量減少。質量分解是通過二次質量節省識別進一步減少GVM進一步減少的過程。

SMS最大化是實現汽車燃油經濟性最大化的關鍵工具,但在當前的設計過程中,可能難以實現。(文章來源於網絡)