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面向汽车领域的高性能纤维及弹性体材料

2017-08-07 来源:五行科技

汽车技术发展趋势——轻量化

汽车轻量化是在保证汽车使用、安全性能和成本控制要求的前提下,将结构轻量化设计及制造技术与多种轻量化材料进行集成应用,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性、减少燃料消耗、降低排气污染。有实验表明:汽车的整备质量降低10%可使燃油效率提高6-8%,每减少100公斤可使百公里油耗降低0.3-0.6升、CO2排放减少5克/公里。因此,出于环保和节能的需要,汽车轻量化已成为世界汽车技术发展的趋势,而采用轻量化材料是汽车轻量化发展的主要方向。其中,高性能纤维复合材料和热塑性弹性体等作为汽车轻量化的关键材料,在汽车领域应用广泛并具有很好的发展前景。

 

高性能纤维复合材料——将汽车轻量化梦想变为现实

碳纤维是含碳量90%以上的纤维状碳素材料,比重不到钢的1/4,抗拉强度是钢的7-9倍,即使处于2000℃的高温惰性环境也不会降低强度,兼具质量轻、强度高、可设计性强、阻尼高、耐高温、耐腐蚀、耐冲击等优异特性。欧美日等发达国家的汽车生产巨头们一直是汽车轻量化用碳纤维增强复合材料(CFRP)的引领者和推动者。采用碳纤维增强聚合物等复合材料替代传统的金属材料,能使汽车的底盘和车身减重40%-60%,其应用范围已从最初的兰博基尼、法拉利等高端运动型跑车逐步扩展至宝马、奔驰等高端轿车,并将继续延伸至普通轿车及大型客车等领域;全碳纤轮毂和碳纤轮辋+合金轮辐的重量比锻造合金轮毂分别轻35%和25%,可显著降低整车的重量;CFRP制动盘的制动稳定性能十分优异,可在50m距离内将汽车的行驶速度由300km/h减至50km/h,并不受此过程中制动盘温度急剧上升至900℃的影响。

宝马是CFRP在汽车领域应用的先驱,率先开启了CFRP在车身、内饰和外饰件等全方位应用模式;丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也相继将CFRP应用于多种汽车部件,包括车身、底盘、轮毂、车顶、车门、制动盘、引擎盖、尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、座椅、尾扰流板、后视镜外壳、悬挂臂、遮阳罩、侧护板、低位踏板、燃料电池反应堆框架等。受益于国家战略规划及政策扶持,我国的大批企业也开展了碳纤维在汽车轻量化方面的应用研究:奥新新能源、奇瑞汽车、长城华冠等公司均成功研发了CFRP电动汽车,并正努力实现低成本及批量化生产;北京汽车、上汽集团、长安汽车、中国一汽等也在碳纤维发动机罩盖、车顶盖、前格栅、尾翼、传动轴、后举门、板簧等部件的研发及生产方面取得了重大进展。

以热塑性或热固性树脂等作为基体的玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)质轻、高强、绝热、隔音、防水、易着色、成型方便,已被用于制造轿车、客车、货车等车身及多种配件,达到了减轻自重、提高车辆重量利用系数的效果。欧美日等发达国家的所有车种现均大量使用SMC复合材料,包括悬架零件、车身、内饰件等,其中以保险杠、车顶、前脸部件、发动机罩、隔音板等部件的用量最大;而汽车领域如今对材料轻质、可回收性及加工便利性的迫切需求,推动了主要用于汽车保险杠的玻璃纤维增强热塑性复合材料(GMT)的市场份额不断增长。

属于天然纤维的竹纤维、麻纤维、木纤维、棉纤维等,具有环境友好性和可再生性等优点。竹纤维增强复合材料兼具轻质、高强度及高刚度等性能,其制备的汽车内饰板在发生事故时因竹纤维独特的韧性而不易损坏,且制成品质量可减轻20%;将大麻、亚麻等纤维作为增强纤维添加至聚合物中得到的木塑复合材料,可经过模压或注塑制作门和座椅等汽车部件;此外,通过加强筋提高天然纤维零部件的强度后,可生产制造座椅骨架、座椅扶手、仪表盘、发动机罩、侧面碰撞保护用附件、底盘部件等。

合成纤维种类繁多,常见的有涤纶、锦纶、芳纶、腈纶、氨纶等,新型合成纤维制品不仅可达到相关的纤维强度指标,还具备良好的色牢度、透气、阻燃、吸湿、耐起球、防静电等优点,满足了现代汽车对安全性、舒适性、经济耐用性和稳定性的要求,广泛应用于汽车内饰,如座椅面料、安全带、安全气囊等。

热塑性弹性体——助力汽车轻量化加速腾飞

根据弹性体是否可塑化,可以将弹性体分为热固性和热塑性两类。热固性弹性体即传统意义的橡胶;热塑性弹性体(TPE)包括苯乙烯类、聚烯烃类、聚氨酯类、聚酯类、聚酰胺类等。TPE兼具塑料的可塑性和橡胶的弹性,可回收利用、机械性能好、加工便捷、耐候性及耐老化性优异。近年来,采用填充、共混、增容、嵌段共聚、化学接枝、共交联、互穿聚合物网络(IPN)等合成与加工改性技术,为开发更多的TPE产品奠定了良好基础。汽车零部件采用TPE材料不仅可以减少重量,提高零部件性能及整车回收利用率,还能改善外观,因此自20世纪90年代以来,TPE在汽车领域的用量增长很快并逐步取代了传统橡胶材料。汽车轻量化及全球范围内汽车燃油经济性标准愈发严格,是推动全球TPE需求量增长的主要因素之一,未来五年内TPE将有平均5.5%的综合增长率。作为全球最大TPE市场的亚太地区,预测2022年有望达到78.2亿美元。

苯乙烯类热塑性弹性体(TPS)是TPE的鼻祖,其硬端由苯乙烯类组成,软端由聚丁二烯等组成,是目前世界上产量最大、发展最快的一种热塑性弹性体。经饱和加氢制成的TPS-SEBS等具有优异的耐臭氧、耐氧化、耐紫外线和户外耐候性能,且在非动态用途方面可与乙丙橡胶媲美,用于密封条、换档手柄手球、制动手柄、装饰条等汽车部件。

热塑性聚烯烃弹性体(TPO)由橡胶和聚烯烃构成,橡胶组分为三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)和丁基橡胶(IIR),聚烯烃组分主要为聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)。TPO和动态硫化热塑性聚烯烃弹性体(TPV)由于具有耐磨、耐候、耐冲击、耐水、耐酸碱、耐臭氧、耐紫外线等优异性能,最大应用领域为汽车配件制造行业,用量最多的有EPDM/PP和NBR/PP两类,可通过多种加工手段(如挤出、共挤出、注塑等)满足不同制品的要求。随着汽车向高性能、长寿命及轻量化发展,汽车部件采用TPO/TPV取代传统热固性硫化胶的速度越来越快,功能化TPO/TPV的开发进一步拓展了其在汽车领域的应用范围。在汽车密封系统,TPO/TPV主要应用于挡风玻璃密封条、三角窗密封条、玻璃导槽、雨刮条、大灯密封圈、油箱盖密封圈等;在汽车发动机系统,TPO/TPV的应用包括空气导管、燃料管防护罩、电气接线套等;在汽车外饰件系统,可将TPO/TPV应用于保险杠、散热器格栅、车身外板、车轮护罩、挡泥板、车门槛板、车牌照板、车侧镶条等;在汽车内饰件系统,TPO/TPV主要用于仪表板、内饰板蒙皮、扶手、安全气囊外皮层材料等;此外,TPO/TPV还可在底盘及转向系统用于等速万向节保护罩、齿条和小齿轮防护罩、轴架悬置防护罩等。

聚氨酯类热塑性弹性体(TPU)是由异氰酸酯、聚醚(或聚酯)大分子多元醇与小分子扩链剂构成的嵌段共聚体。TPU机械强度高、硬度范围广、滤震性出色、粘接力强、隔音、耐磨、耐油、耐水、耐屈挠、耐老化等性能优异,但耐热性和耐压缩性较差、外观易变黄。由欧洲、亚太和美国主导的全球TPU市场,预测到2020年价值有望超过730亿美元。汽车塑料件的发展趋势是不断推出高性价比且可回收再生的材料,促进了TPU广泛应用于汽车的多种部件,包括轮胎、座椅、头枕、地垫、仪表盘、遮阳板、门板、换档拉杆手柄手球、减震垫、轴套、气囊、隔音降噪及密封材料等。

聚酯类热塑性弹性体(TPEE)属于线型嵌段共聚物,机械强度高且耐疲劳、耐油、耐候等性能优异,但耐热水性较差。TPEE常用于进气软管、转向节防尘罩、安全气囊、密封圈、齿轮齿带、油管、安全带部件、前照灯、门锁、卫星天线卡箍、门把手密封环等汽车部件。

 

结束语——汽车轻量化拥有辉煌未来

高性能纤维复合材料和热塑性弹性体凭借自身的优异性能,为汽车各部件制造提供了重要的材料支撑,大力促进了汽车轻量化的发展进程。全球范围内对轻量化材料的不断开发及改进,将进一步降低汽车系统成本、减轻整备质量、提高部件性能及回收利用率等,为汽车轻量化营造辉煌未来。

201 7年7月16日
文/五行科技科技创新办     陈俊琛