超级汽车发动机下的耐高温玻纤增强塑料应用

    在汽车行业，受“更长的保修期”和“新的燃油经济性指令”两大趋势的推动，高性能、耐高温玻纤增强塑料用量正在增长，更长的保修期意味着专用材料部件必须具有更长的使用寿命；燃油效率标准的提高，运行温度更高的发动机装入更紧凑的机舱中，许多机罩下部件将采用更轻的增强塑料取代金属部件。过去，用于发动机罩下多种塑料部件证实了能耐在170~190℃的上限高温环境下的热老化性能，目前更新的动力系统要求部件能够在高于200℃的高温下长期使用，甚至在230℃的高温下使用。玻纤增强塑料满足了在温度提高环境下确保耐化学性和耐油性，部件性能达到了前所未有的水平。

    玻纤增强聚酰胺或尼龙混配料已成为发动机罩下复合材料对金属替代的“先锋”。巴斯夫曾在2010年的德国K展中推出了玻璃纤维填充PA6/6高温树脂系列。作为该产品线中的款产品UltramidENDURE D3G7，含有35%的玻璃纤维，被设计可在220℃的高温下连续使用超过3000h，临界高使用温度可达240℃，尤其适用于发动机周边的部件，特别是用于涡轮增压发动机的进气（热交换）系统。目前，巴斯夫正在积极推进高温树脂在北美汽车行业中的应用，在2011年的德国Fakuma展会中推出了新级别的聚酰胺Ultramid ENDURE D3G10。这种50%玻璃纤维填充的PA6/6，几乎比D3G7级别的刚性提高50%，目标应用主要针对中冷器端盖以及进气系统的其他部件。美国Behr Automotive公司（密歇根州Ttoy）采用50%玻璃纤维填充级别的Ultramid A3W2G10，生产出了个商业化的用于1.8L的涡轮增压柴油发动机上的中冷器端盖，该发动机被用于福特汽车公司的2009款Transit Connect/Tourneo Connect 有篷货车上。据了解，该材料在220℃温度的连续使用，超过了目前市场中大多数超高温尼龙竞争材料210℃的上限温度。

    2010年，帝期曼工程塑料部向汽车市场新推出了Stany1 ForTii尼龙4/6树脂系列。这种30%玻璃纤维填充的半脂肪族聚合物，比同等填充级别的帝斯曼尼龙系列产品拥有更高的热变形温度（HDT），可达到325℃。Stanyl ForTii热性能的改善，得益于向C4脂肪链中添加了一种芳基，以及采用了一种独特的玻璃纤维-填料组合填充物。该材料还拥有一个低线性热膨胀系数（CLTE），大约为3.5×10-5mm/mm/℃。用Stanyl ForTii制成的部件与铝部件相连接时，较低的CLTE值提供了比其他传统尼龙材料制成的部件更好的表面密封特性，当向塑料中加入玻璃纤维时，纤维的无规取向导致了各向异性的大量形成。近，帝斯曼公司发现玻璃纤维填充级别的尼龙4/6材料，在动力传动系统的耐磨损和摩擦应用中可取代诸如PEEK之类的超高温热塑性塑料方面有上升趋势，这些应用包括：推力轴承、衬套、链条导轨和正时链，这些部件的使用温度通常在150~180℃之间。Stanyl4/6强劲的增长表面在传动正时链和导轨链耐磨表面的制造领域应用中，材料的高结晶度（70%-80%）提供了出色的润滑和耐磨性。

    2010年投入商业化应用的杜邦工程塑料的Zytel PLUS材料主要针对150-210℃的高温应用环境。该聚酰胺产品采用了新的聚合物骨架、聚合物链改性材料以及各种添加剂，从而使其长期耐热老化性、耐发动机润滑油和耐水解性均高于传统的尼龙6和 尼龙6/6。该产品系列中的核心产品是35%玻璃纤维填充的Zytel PLUS尼龙95G35，在150℃的热老化试验箱中存放4000h后，其拉伸强度和冲击强度丝毫没有受损。个采用该材料实现商业化应用的产品，是通用汽车公司2010款Cadillac SGM车型上的涡轮增压发动机的盖子，满足180℃的连续使用温度要求，高使用温度则要达到200℃。近的一个应用是由印度Tata Toyo公司制造的中冷器，采用的Zytel PLUS级别材料是35%玻璃纤维填充的PA6/6芳香族共聚物，连续使用温度在150~190℃。2008年，戴姆勒股份公司成为家在量产汽车上使用玻纤增强塑料制成的油底壳的汽车制造商。该组件由Zytel HSLRA4尼龙材料制成，并被用于戴姆勒的C级汽车上。近，斯堪尼亚汽车公司（瑞典sÖdertälje）成为家在商用货车上集成一种增强塑料油底壳的汽车制造商。该油底壳/机油箱组件被用在该公司的13L发动机上，满足了欧6排放标准。该油底壳采用35%玻璃纤维增强Zytel HSLX材料制成，是一种热稳定的具有润滑性的PA6/6，上限使用温度为150℃。该部件长87mm，宽467mm，深203mm，在整个使用温度范围内可确保其尺寸的稳定性，其高使用温度为200℃。

    劳士领汽车公司（德国Kelsterbach）采用聚苯硫醚（PPS）吹塑成型一种进气管，被大众汽车公司用于2009款装有劳士领汽车公司提供的2L柴油发动机的汽车上。它采用了泰科纳工程聚合物公司的两个级别的玻璃纤维填充Fortron PPS：管体本身由15%短玻纤增强Fortron PPS 1115LO材料吹塑成型而出，支架则由30%短玻纤增强Fortron PPS FX4330T7材料注塑成型而出。该进气管的高使用温度高达230℃，比替代的铝管大约轻30%。

    Buss北美公司（美国肯塔基州Russell Springs）近采用巴斯夫传统的尼龙级别35%玻璃纤维填充的Ultramid A3WG7 HP bk20560,在克莱斯勒汽车公司2011款Pentastar发动机的塑料凸轮轴罩盖上，实现了其所谓的“突破性的注塑成型部件公差”，其关键性的创新包括为凸轮轴罩盖的功能表面提供了一种挠性密封解决方案，这种材料能够在170℃下连续使用。

    Freudenberg-NOK sealing Technologies公司近采用玻纤增强塑料注塑成型一种高度充满的变速箱蓄能器活塞。该活塞被用于所有装备了自动变速箱的克莱斯勒汽车上，采用雪佛龙菲利普斯化工公司的含65%填料（玻璃纤维和矿物填料各占50%）的Ryton R-7-120 PPS制成，替代了四氟乙烯（PTFE）的密封。该部件重与49.96g的铝活塞相比，重量降低了47%，可以在高达150℃的操作温度下有效运行约321870km。在蓄能器活塞中有两个弹簧，从而要求材料的耐磨性要能抵御弹簧运动想起的磨损。该新的活塞帮助克莱斯勒汽车公司为每个变速箱节省了1.53美元，每年可节省超过200万美元的成本。（资料来源于上海（国际）橡塑展会上提供材料：对Composites Technology MichaeiLeGalt一文进行了编辑）