玻纖增強復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

汽車上使用的非金屬材料包括塑料、橡膠、粘接密封膠、摩擦材料、織物、玻璃等各種材料,涉及石化、輕工、紡織、建材等相關(guān)工業(yè)部門,因此非金屬材料在汽車上應(yīng)用的如何,反映了一個國家經(jīng)濟和技術(shù)綜合實力,同時也包含了一大批與之相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用能力。 
        
　　目前汽車上應(yīng)用的玻璃纖維增強復(fù)合材料包括:玻璃纖維增強熱塑性材料(QFRTP)、玻璃纖維氈增強熱塑性材料(GMT)、片狀模塑料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。 
        
　　目前汽車上使用的玻纖增強塑料主要有:玻纖增強PP、玻纖增強PA66或PA6以及少量PBT、PPO材料。 
        
　　增強PP主要用于制作發(fā)動機冷卻風(fēng)扇葉片、正時齒帶上下罩蓋等制品,但有些制品存在外觀質(zhì)量不好、翹曲等缺欠,因此非功能件逐漸被滑石粉等無機填料添充PP所替代。 
        
　　增強PA材料在乘用車、商用車上都已采用,一般都是用于制作一些小的功能件,例如:鎖體防護罩、保險楔塊、嵌裝螺母、油門踏板、換擋上下護架-防護罩、開啟手柄等,如果零件生產(chǎn)廠家所選材料質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝采用不當(dāng)或材料烘干不好,就會出現(xiàn)制品薄弱部位斷裂現(xiàn)象。

　　塑料進氣歧管是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù),與鋁合金鑄造的進氣歧管相比,具有重量輕、內(nèi)表面光滑、減震隔熱等優(yōu)點,因此在國外汽車上得到廣泛應(yīng)用,它所用的材料全部是玻纖增強PA66或PA6,主要采用熔芯法或振動摩擦焊法,目前國內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)開展此方面研究并取得階段性成果。 
        
　　隨著汽車對輕量化及環(huán)保的要求,國外汽車工業(yè)越來越傾向于使用GMT材料以滿足結(jié)構(gòu)部件的需要,這主要是因為GMT材料具有韌性好、成型周期短、生產(chǎn)效率高、加工成本低、不污染環(huán)境等一系列優(yōu)點,被視為21世紀(jì)材料之一,主要用于生產(chǎn)乘用車多功能支架、儀表板托架、座椅骨架、發(fā)動機護板、蓄電池托架等,一汽大眾目前生產(chǎn)的AudiA6,以及A4車已采用GMT材料,但都沒有實現(xiàn)本地化生產(chǎn)。 
        
　　為了提高汽車整車質(zhì)量趕上全部先進水平,達到減重、減震、降噪目的,國內(nèi)有關(guān)單位已在八五、九五期間開展了GMT材料生產(chǎn)及產(chǎn)品成型工藝的研究,并具有批量生產(chǎn)GMT材料的能力,年產(chǎn)3000噸GMT材料的生產(chǎn)線已經(jīng)在江蘇江陰建成,國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠也在一些車型設(shè)計上采用GMT材料,并已開始批量試制。 
        
　　片狀模塑料(SMC)是重要的玻纖增強熱固性塑料,由于它的各項性能優(yōu)異、可大規(guī)模生產(chǎn)和可達到A級表面等優(yōu)勢,已大量應(yīng)用于汽車上。目前國外SMC材料在汽車上應(yīng)用品種又有了新的進展,現(xiàn)在,SMC在汽車上的應(yīng)用量非常大的是車身板,占SMC用量的70%,增長較快的是結(jié)構(gòu)件和傳動器零件,在今后5年內(nèi),SMC在汽車上的用量將繼續(xù)增加22%～71%,而在其他行業(yè)的增長為13%～35%。 
        
　　國外應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢(1)高含量的玻璃纖維增強的片狀模塑料越來越多地被應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)部件上,在福特1995年兩種車型(Ex-plorer和Ranger)上初次展示它在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用,由于它具有多種功能,被廣泛認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面很有優(yōu)勢,因此推廣應(yīng)用在汽車儀表板、轉(zhuǎn)向機、散熱器系統(tǒng)及電子裝置系統(tǒng)。 
        
　　美國Budd公司模塑的上支架和下支架是利用含40%玻璃纖維的不飽和聚酯復(fù)合材料,兩片式前端結(jié)構(gòu)型汽車滿足用戶所需,前端低駕駛室向前,上支架固定在前端頂蓬和前端車身結(jié)構(gòu)上,而下支架配合冷卻系統(tǒng)。這兩個支架相互聯(lián)結(jié)并配合車蓬及車身結(jié)構(gòu)與前端穩(wěn)固。 
        
　　(2)密度小SMC材料的應(yīng)用密度小SMC的比重為1.3,在實際應(yīng)用和測試中顯示,比標(biāo)準(zhǔn)的SMC的重量輕30%　,標(biāo)準(zhǔn)SMC的比重為1.9。使用這種密度小SMC與用鋼制作的同類部件相比可減輕重量大約45%。 
        
　　美國通用汽車公司的所有克爾維特99型車的內(nèi)板和新型車頂內(nèi)飾都使用密度小SMC。另外,還有車門、發(fā)動機罩、行李箱蓋等。 
        
　　美國DodgeVipex車在發(fā)動機罩也使用了這種密度小SMC,汽車99型有1/2使用這種材料制作發(fā)動機罩,密度小SMC發(fā)動機罩比鋼件減輕重量達35%。 
        
　　(3)其他應(yīng)用SMC在汽車上的應(yīng)用除上述幾種新的用途外,還用于生產(chǎn)其他一些零件,如:駕駛室門、充氣車頂、保險杠骨架、貨倉門、遮陽板、A和D立柱、車身板、車頂排水管、車棚側(cè)橫條、貨車車箱等。其中用量非常大的是用于車身外板上。 
        
　　國內(nèi)應(yīng)用概況隨著國內(nèi)乘用車生產(chǎn)技術(shù)的引進,首先在乘用車上采用,主要用于備胎倉和保險杠骨架等,目前還應(yīng)用在商用車上,如挺桿室蓋板、膨脹水箱、線速夾、大/小隔板、進氣罩總成等。對國內(nèi)SMC材料行業(yè)的需求 
        
　　1.密度小SMC材料的研究,為更好實現(xiàn)汽車減重的目標(biāo),國外已開始采用密度小SMC來制作汽車零件,據(jù)國外資料報道,比較普通SMC與密度小SMC,發(fā)現(xiàn)密度從1.9減小到1.31,拉伸強度從56增至80MPa,彎曲強度從151增至186MPa,彎曲模量從8.8增至10.1GPa,無缺口沖擊從925增至940J/m。從上面數(shù)據(jù)看出機械性能普遍提高,國外已實際用于生產(chǎn)門框、后頂蓋裝飾、發(fā)動機罩等產(chǎn)品。 
        
　　2.SMC的重復(fù)利用。在人們的觀念中,熱固性復(fù)合材料是不可回收利用的,在今天環(huán)保已經(jīng)被提上議事日程,這不得不考慮SMC使用的前景問題。據(jù)資料報道,無論是涂漆或粘接過的SMC都可回收利用,使用回收的SMC制作的零件不影響其性能。一些汽車制造廠家使用回收的SMC制成各種部件,使每個零件重量降低10%。采用全新SMC材料制作的發(fā)動機罩重量是9kg,而采用填加25%回收材料制成的發(fā)動機罩是8kg。不久的將來,利用回收的SMC制成的保險杠將用在重型商用車上,同時發(fā)動機罩、活動式車頂內(nèi)襯、側(cè)板、格柵板以及車身外板等也可利用回收的SMC來制作。SMC的回收利用對我們國內(nèi)材料同業(yè)來說是較新的一項工作,而這是一種重要的需求。 
        
　　3.其他方面需求。 
        
　　a.SMC彩色件的推廣應(yīng)用,可節(jié)省SMC零件的噴涂工序(其中包括前、后處理工序);b.SMC零件A級表面的實現(xiàn);c.SMC零件低壓成型技術(shù)研究。 
        
　　RTM法是在放入玻璃纖維的封閉模具里壓入樹脂,常溫或加熱固化。RTM法與SMC法相比,生產(chǎn)設(shè)備簡單、模具費用低、且制品物性優(yōu)異,但只適于中小批量規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)悉,目前國外用RTM成型方法生產(chǎn)的汽車零件已推廣到全車身覆蓋件。而國內(nèi)將RTM成型技術(shù)用于制造汽車零件還處于開發(fā)研制階段,對原材料的力學(xué)性能、固化時間、成品件等指標(biāo)力求達到國外同類制品的生產(chǎn)水平。目前國內(nèi)RTM成型法開發(fā)研究出的汽車零件有護風(fēng)罩、后尾門、導(dǎo)流罩、頂棚、保險杠及富康車后舉升門等。 
        
　　但是如何使RTM工藝能夠更快更好地應(yīng)用于汽車上,材料對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求、材料性能達到何種水平、評判標(biāo)準(zhǔn)、A級表面的實現(xiàn)等問題,是我們汽車行業(yè)關(guān)注的,也是RTM能真實在汽車零件方面推廣的前題條件。 
        
　　為什么使用玻璃鋼(FRP) 
        
　　從汽車制造商的角度來看,FRP與其他材料相比,是十分具有吸引力的替換材料,以SMC/BMC為例: 
        
　　●節(jié)省重量●部件集成化●設(shè)計自由●投入資金少得多●讓整體化天線系統(tǒng)成為現(xiàn)實●與E-coat(電子涂裝)兼容(在線顏色定制)●尺寸穩(wěn)定(低線性熱膨脹系數(shù),與鋼鐵相當(dāng))●在高溫條件下仍能保持高機械性能 
        
　　●可實現(xiàn)A級表面