用于轿车的新型复合材料

　　汽车制造商都面临着极具挑战性的燃油经济性和温室气体排放新法规要求。在北美，到2025年，轿车必须达到54.5英里/加仑(每100公里4.32升)的平均燃料经济性(CAFE)标准要求。在欧盟，到2021年将要求轻型车辆新车二氧化碳排放量减少到95克/公里，否则会面临数额巨大的罚款。
　　这些法规迫使OEM及其供应商进行开发，旨在提高推进系统(传统内燃机(ICE)和替代动力总成，如混合动力、插电式电动车辆和燃料电池车辆)的能效，以及大幅减轻轿车和轻量卡车的重量。
　　在要不断满足这些新效率标准的同时，汽车制造商既不能降低车辆的安全性、消费者舒适性/方便性或耐久性，也不能由于研究或生产成本高而使车辆售价超出大多数消费者的承受能力。
　　尽管复合材料和增强塑料当前在传统轿车中所占的质量百分数并不大，但专家预测，未来10年，聚合物材料在更多的车辆结构领域将起到更大的作用。但是，为了实现这些目标，分析工具要更加稳定、精确，避免因部件过度设计而增加成本和重量;在薄壁断面中材料要起更大的作用;生产工艺速度要更快、效率要更高，尤其是对于热固性材料。
　　近，许多工艺创新催生了一些著名的应用进步。更快的加工工艺有助于降低配件系统的成本，从而使聚合物材料相比钢材和轻质铝、镁具有更强的成本竞争能力。SPE汽车创新大奖赛上近的几名获奖者就是这些进步的典范。
　　工艺进步助推聚合物复合材料在更多的结构部件中取代金属，如新型Corvette Stingray车上的粘接发动机罩和车顶总成(照片经通用汽车公司许可使用)。
　　碳复合材料进入中等批量生产
　　碳纤维增强塑料(CFRP)有较大的强度/重量比，并具有优异的防碰撞性能，是理想的材料。它们已经在赛车和街道上合法使用的超级跑车中的结构件和半结构件中起着重要作用，不仅提高了性能，延长了加油间隔时间，而且在发生碰撞事故时驾驶员具有更高的安全性。
　　但是，热固性碳纤维复合材料是非常昂贵的材料，因为原料纤维成本高，再加上生产工艺速度慢，一般采用真空袋/高压釜系统加工预浸渍纤维(预浸料坯)，或通过树脂熔渗或树脂传递成型(RTM)工艺灌注和模塑纤维型坯。因此，CFRP材料一般仅用于对性能要求极高的场合(高性能跑车和超级跑车)或者其高端标志与增加的成本相匹配的场合。
　　树脂供应商与合作开发公司BASF进行了大量的计算机仿真来设计部件，部件中将织物层(由聚酰胺6预浸渍的连续玻璃纤维成型)与不连续(剪断)的玻璃纤维和PA6基体复合模塑到一起。
　　采用材料加工商Reinart公司开发的复合注塑工艺制造部件。先，预切、预浸渍的复合材料嵌件由机械手放置到注塑模具中。之后，弹出一个红外(IR)加热器对冷片材进行预热，确保与复合模塑的短玻璃纤维/PA6具有良好的粘合性能。后，IR加热器返回其原始位置，模具闭合，对嵌件进行三维成型，同时与冲击改性短纤维PA6复合模塑，成型加强肋、边缘、附属结构及其他连续纤维不易充填的结构部分。
　　由于在脱模、修剪后，座椅底座上要安装减振件和装饰件，所以这种隐藏部件的外观不重要。但是，对于一些可见应用场合，如果要求有较高的表面质量，可以采用复合模塑或聚合物薄膜。
　　用于电动车电池的无VOC复合材料
　　为了防止电动车辆(EV)电池在发生重大事故时损坏，通用汽车公司的Chevrolet Spark EV采用了一种无有机挥发物的复合材料电池壳体。
　　由于EV电池尺寸和重量较大，一般设置在后方较低的位置，所以复杂形状的复合材料壳体(也有大的复合材料与金属的接合处)要满足多种极苛刻的性能要求。其中包括30°电池偏移不损坏，侧面冲击，以及车辆后部电池碰撞试验;沿x, y, z轴的50克脉冲冲击波;碰撞后整套装置完整性;耐火试验;3米跌落试验(底部/端部);1米水浸泡试验等。
　　为了满足所有这些要求，据说研发团队需要设计新材料、生产工艺、模塑成型后的处理工艺，以及非破坏性测试方法。用于该场合的材料是玻璃布/乙烯基酯预浸料。
　　值得注意的是，预浸料采用了工业界个无VOC的乙烯基酯(由Continental Structural Plastics (CSP)公司配混)，提供叠合、组装成三维型坯，存放，之后模压部件整个过程中所需的较长使用期。
　　与短纤维相比，连续纤维/织物增强可赋予较高的机械性能;织物粗纹可保证良好的浸润/浸渍性能。特殊设计的叠合方式可保证能够充填具有复杂设计细节的复杂断面，电池壳体由CSP公司模压制造，比过去的金属壳体轻40%，而且其不会被腐蚀，不导电。
　　10年开发：全烯烃提升式门
　　日产汽车2014年型Nissan Rogue混合型多用途车辆(CUV)经过10年开发的全烯烃提升式门(后开车门)就是一个通过多种材料复合，充分利用每种材料性能，高效利用增强热塑性塑料的一个很好的例子。
　　这种粘合注塑总成的内、外门板完全由聚合物和聚烯烃制造，所以车辆达到使用寿命后整个结构都可以回收。
　　喷漆A类外门板由利安德巴塞尔工业(Lyondellbasell)具有极高熔体流动性、高刚度、高冲击性能、矿物填料填充热塑性聚烯烃(TPO)牌号制造(据说是北美次在外部提升式门中使用这种材料)。
　　内结构门采用先进复合材料公司(Advanced Composites, Inc)的注塑成型着色(MIC)长纤维热塑性聚丙烯(LFT-PP)制造，部件的内表面不需喷漆，降低了成本，减少了漆排放物。两板门由与烯烃相容的结构粘合剂粘接。
　　与传统的冲压钢结构相比，新型提升式门重量轻30%，不仅可提高车辆的燃油经济性，而且易于开、关(所需的力较小)，这对消费者而言又是一个优点。由于部件是整体结构，废品率低，而且注塑废料可以重新使用，所以汽车制造商称，外门板的原材料成本降低了35%。日立化成公司是提升式门的系统供应商，门板由Magna-Decostar公司模压。
　　由于新配方材料和新成型工艺降低了部件和模具的成本，缩短了成型周期时间，减轻了重量，同时增大了设计自由度，提高了部件集成度，增强的耐腐蚀性，且部件不易损坏，长期具有漂亮的外观，所以，正如这些荣获大奖的应用所反映的，汽车复合材料的用量在不断增加。
　　Trans Tech International公司总裁，资深汽车复合材料专家Gary Lownsdale解释说：“过去常常是工艺限制了成型周期时间和部件成本。现在成型技术已经跟上了树脂技术的发展步伐，尤其是对于热固性材料，发展的阻碍因素是需求快速固化的聚合物。”
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