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【复材资讯】连续纤维增强热塑性复合材料在汽车零部件上的应用实例
澎湃新闻·澎湃号·政务 / 林冲 / 2020-09-17 09:19:43
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与传统的环氧基热固性复合材料相比,热塑性复合材料具有成型快、韧性好、无需低温贮存、可回收等许多优势,成为材料行业研究的热点。
热塑性复合材料的种类繁多,按照制品中纤维保留尺寸(L)可以分为:短纤维增强热塑性塑料(SFRT,L<1.0 mm) 、长纤维增强热塑性塑料(LFRT,一般L >5.0 mm)、连续纤维增强热塑性复合材料塑料(CFRT,一般纤维连续不切断)。

其中,连续纤维增强热塑性复合材料塑料可循环使用,具有高比强度和比刚度、良好的耐腐蚀性、耐冲击性、耐热性、低成本以及设计灵活性,在汽车轻量化设计中具有巨大的应用潜力,可替代部分金属材料和高端聚合物材料。

图 连续纤维增强热塑性复合材料带材

汽车材料的选用需要平衡效用和成本,将合适的材料用在正确的位置上。由于CFRT材料具有优异的比强度和比模量,可用于取代车身及底盘上的钣金件,如前/后地板、顶盖横梁、座椅靠背、模块支架、电池控制台、刹车踏板等。同时CFRT材料具有优异的抗冲击性能,可以用在碰撞结构上,如前/后保险杠横梁、车门侧防撞梁等结构。除了结构件和碰撞件,根据CFRT材料的性能,还可以开发其用于各种功能件上。
目前,连续纤维增强热塑性复合材料已经可以实现在汽车零部件行业的大批量生产。下面我们来看部分应用实例。

车身结构件

座椅底板

跑车采用了连续纤维增强热塑性层合材料经二次成型而出制成的座椅底板。
这是世界首个采用该技术生产的汽车座椅底板,使用的是聚酰胺产品系列中的特种材料,不含增强成分的级别被用于浸渍并固定纤维织物;座椅底板上的肋结构,是在注射成型过程的二次操作中形成的,它使用了抗冲击改性的增强级材料。基于该轻量化的复合材料概念,使得生产出的座椅底板减轻了45%的重量。

后座外壳

汽车配备了两个电动可调节的独立后排座椅,其外壳使用复合成型工艺制造, 采用连续纤维增强复合材料聚酰胺-6基,在二次注塑中所使用的短玻纤增强的杜力顿(Durethan) BKV30H2.0聚酰胺6。

复合材料设计中的轻量化后座外壳,与钢板相比,重量减轻45%;且得益于高度的功能集成的具有成本效益的组件解决方案,在自动驾驶座椅设计中的应用潜力。

座椅靠背骨架

轻量化座椅基于连续纤维增强塑料的热塑性复合材料体系被用于代替金属,其重量与传统座椅相比减轻达20%,轻薄设计更为第二排乘客增加2.5厘米的膝部空间。

越野车后座

欧洲一家汽车制造商在其越野车的后座系统中也采用了连续纤维增强热塑性复合材料。该制造商在车辆后座中间安装了负载,实现了座位靠背的独立折叠。

该装载元件经成型并通过反向注入注塑模具而制成,质量比类似钢结构轻40%以上,同时可承受加速载荷的撞击,在追尾碰撞的情况下又能够承受惯性力,避免乘客遭受挤压。

前端模块嵌件

汽车的前端模块都使用了连续纤维增强热塑性复合材料嵌件,比用钢板制成的嵌件约轻50%。此外,CFRT嵌件区域可以承受更高的应力。

轻量化A柱

它被设想用于敞篷车和敞篷跑车中,混合插件的强度确保了A柱性能与以往高强度钢管一样能够承受侧翻,而且它使重量减轻了5千克。

SUV前端支撑

来自特种化学品公司连续纤维增强热塑性复合材料板可用于制造用于汽车轻量化设计的大型高度集成结构部件。

例如,汽车的前端支撑包括两个焊接复合半壳,由聚丙烯基连续纤维增强热塑性复合材料截面制成,长约1.2米,长0.35米宽度。两个壳体均采用混合模制工艺制造,使用具有两个腔体的注塑工具。这涉及形成定制的复合预切口,并同时通过注塑成型提供额外的特征。

车门基板

在汽车的门系统中采用连续纤维复合材料方案替代钢材方案,配套新型混合工艺成型生产线(模压+注塑)实现了热塑性复合材料门基板的制造生产。与钢材及长纤维PP门系统相比,热塑性复合材料门系统可以有效减重5kg/car或2kg/car,相对减重大于30%。

儿童座椅头枕

儿童座椅头枕以颗粒泡沫复合材料注塑(PCIM)工艺生产,并包含由连续纤维增强热塑性复合材料制造的嵌件。与商业生产的组件变体相比,头枕的重量降低了30%,但不影响其出色的碰撞性能。由于零件数量从六个减少到一个,因此生产过程也得到了简化。

底盘结构件

发动机底盘

2017年,一家重要的德国汽车制造商,正在为交付给道路基础设施较差的国家的车型系列,配备一种采用特别坚固的热塑性复合材料结构制成的发动机底护板。

这种发动机底护板由连续纤维增强热塑性复合材料与一种DLFT(直接长纤维热塑性塑料)的团料构成。与钢制成的相应部件相比,采用这种复合材料设计的发动机底护板,重量减轻了60%以上,且比相应的铝部件轻20%以上。

悬架控制臂

一个三角形汽车悬架完全由复合材料制成,该产品由两张碳纤维增强热塑性塑料制成,使用安装在传统压力机上的创新工具同时对这两个元素进行热成型和焊接,具有与金属制成的产品相同的功能和机械特性,但重量减轻了50%,可以直接集成到当前车辆中。
汽车悬挂系统

将连续纤维增强热塑性复合材料应用于汽车的悬挂系统,该复合材料易于加工、性价比高且可循环利用,在汽车轻量化应用中极具潜力。

全塑料刹车踏板

连续纤维增强热塑性复合材料一个杰出的应用案例,是来自嵌有连续纤维增强热塑性复合材料的全塑料刹车踏板,它的重量仅有传统钢制踏板的一半左右,可利用成本效益极佳的一次成型工艺进行大规模制造,此外,其内置嵌片的多轴纤维层结构能够满足较高的负载要求。

碰撞件

侧门防撞梁

两家集团合作测试一个采用连续纤维增强复合材料制成的侧门防撞梁,结果表明,与超高强度钢(UHHS)相比,使用这一材料可减少40%的部件重量,同时,相比金属和短玻璃纤维聚合物生产的同类产品而言,它还能吸收更多的冲击能量。

其他功能件

消声罩

汽车的后部消声器隔热罩采用热塑性塑料长纤维(直接)在线混配(DLFT)工艺制成,以长玻璃纤维粗纱增强的聚丙烯模压材料为原料。
此材料在高温下也能保持刚性,因此可以确保隔热罩在后消声器的高温环境中不发生变形或失效,此外,复合材料还能提高部件在冰冻温度下的强度和抗冲击性能。

车轮觳插片

得益于新颖的单向纤维外观和聚碳酸酯树脂带来的优质表面,以及碳纤维本身的强度和聚碳酸酯热稳定性高,连续纤维增强热塑性复合材料制成的碳纤维插片在选装配件推出全新21英寸碳纤维合金轮毂得到应用,可满足了严格的安全和性能要求。

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