復合材料在汽車中的最新應用

復合材料在汽車中的最新應用的圖1

Velozzi Supercar:由碳纖維和碳納米管制成的電動賽車

提高燃油效率的關鍵是降低重量,因此原始設備制造商(OEM)現在更加看重復合材料的輕量優勢,而其相對于鋼和鋁的價格優勢反而在其次。政府對于高里程和低排放汽車的需求,使得汽車制造商們都開始進行創新,尋求更加昂貴的材料,例如碳纖維復合材料和納米復合材料,以達到輕量化目標。
材料供應商對于復合材料在汽車行業的應用是非常樂觀的。亞什蘭高性能材料的Cedric Ball認為,汽車行業正處于向新一代汽車轉變的重大時期,“在提高燃油經濟性和降低生產成本的雙重壓力下,我們正處于市場壓力和行業趨勢的‘完美風暴’之中,因此復合材料對于汽車制造商的吸引力遠勝從前。”
Ball是美國塑料工程師學會(SPA)主辦的2010年汽車復合材料研討會和展覽會(ACCE,9月15-16日,美國密歇根州)的研討會負責人。今年ACCE的主題是“復合材料:造就新型汽車”。該研討會已經舉辦了九屆,這是第十屆,是汽車復合材料領域的重要論壇,吸引著來自世界各地的眾多參展商、演講嘉賓和參與者。
PPG工業公司長纖維熱塑性塑料部門的技術負責人和研究人員Creig Bowland負責ACCE的技術議程的制定,他認為,汽車行業對復合材料的需求現在已超越從前。“汽車制造速度的緩慢和高能效汽車的急切需求,意味著復合材料成為了真正的解決方案。”
電動汽車
許多人將混合動力汽車看作擺脫對燃油的依賴和降低排放的一條良好途徑。一月份在底特律舉辦的北美國際汽車展上,大約展出了20款電動汽車。輕質材料對于減輕混合動力汽車所增加的電池重量是至關重要的。但能否在復合材料之中存儲電能?倫敦皇家學院說,這并非不可能。
皇家學院的研究者及其歐洲合作伙伴們(其中包括沃爾沃集團)開發了一種碳纖維復合材料原型,能夠改變混合動力汽車的外觀。這種專利的材料可以存儲和釋放電能,不僅耐用而且重量輕,可用于結構件和車身面板的制造。研究者表示,該材料制成的汽車本身就可以作為一個電池。據說該材料可以儲存和釋放大量的能量,而且速度比傳統電池快很多。充電過程不含化學反應,因此由其制成的電池不會隨時間老化。
起亞汽車(Kia Motor)美國公司的插入式混合動力概念車Ray是最新的混合動力汽車之一,在今年二月份的芝加哥車展上第一次面市。采用大量復合材料制成的這一四座小轎車采用了輕質的回收材料,太陽能電池嵌在玻璃車頂上。Ray每充一次電可以行駛50英里(80.5公里)以上的距離,汽油發動機全部采用鋁制造。
加利福尼亞的汽車設計師Velozzi正嘗試在今年下半年推出其設計的高性能電動賽車Velozzi Supercar,該車可以在3秒鐘內加速至60邁,采用碳纖維和納米管增強的復合材料制成。第一輛插入式跨界(crossover)混合動力車Velozzi SOLO將于2011年面市,該車是第一種采用碳纖維納米管材料制成的量產車。據說這種材料大大增強了部件的機械性能,而且降低了重量。Velozzi在開發新型汽車的過程中與許多供應商進行了合作,其中包括拜耳材料科技和亞什蘭。
復合材料領風騷
全球汽車供應商Faurecia的研究者們一直致力于減輕汽車的重量,據說該公司的產品可以將目前的減重水平加倍。該公司專門開發汽車座椅、內飾件和前端部件的制造技術和排放控制技術。Faurecia認為,采用天然纖維和其他復合材料以及混合部件,到2020年每輛汽車的重量可以減少59公斤。該公司的產品在全世界80%的高效汽車中都有應用。
“隨著更加嚴格的CAFE法規的迅速出臺,汽車制造商被迫大幅度降低汽車的重量及排放,但不可犧牲安全性、舒適性或質量。”Faurecia北美公司的總裁Mike Heneka說,“這些趨勢以及其他因素正推動汽車制造商與供應商進行合作,以加速經濟高效的創新產品的開發。”
Faurecia公司為Liberty SUV生產的車門組件進入了SPE汽車部門所贊助的第39屆年度創新大獎賽的決賽。Faurecia既是系統供應商也是材料加工商,這一車門組件采用Asahi Kasei Plastics公司新等級的32%短纖填充的聚丙烯(PP)制成,可以取代更加昂貴的長纖等級的PP。該樹脂是預先著色的高纖維含量色母粒,加工商可以在加工過程中自行調整玻纖含量。

復合材料在汽車中的最新應用的圖2

Opel and Recaro開發的模壓座椅中采用了
玻纖增強的復合材料,摒棄了鋼架結構

寶馬不斷采用其創新的復合材料技術來減輕重量,提高性能。M系列的碳纖維車頂的結構內層中包含了Hexcel的HexForce ?NC2?多軸增強材料。Z4的車身底板是一個類似三明治的夾心結構層,采用Quadrant塑料復合材料公司的SymaLITE?材料制成。獲獎的Gran Turismo 550i的傳動軸采用巴斯夫的50%玻纖增強的聚酰胺Ultramid?制成,可以取代鋁。最近,寶馬宣布與SGL集團成立一家合資公司,為將來的超大城市車(Megacity Vehicle)開發和生產碳纖維材料。

福特汽車公司是復合材料應用領域的另一個領導者,在材料領域不斷創新,以減輕重量,降低成本。其新的車身隔熱底板可以將油箱和發動機的高溫廢氣隔離開。該部件由50%短切纖維增強的片狀模塑料(SMC)壓塑成型,該材料采用AOC公司的樹脂制成。這一SMC材料是專門為結構應用而配制的,在高溫或腐蝕性環境中具有較高的機械性能。總部位于阿根廷首都布宜諾斯艾利斯的Pilot Automotive公司為福特公司提供多種SMC部件。

蓮花(Lotus)汽車公司在2009年10月的東京國際車展上推出了其最新的特別版高性能賽車Exige Scura。該車大量采用碳纖維復合材料,表面噴涂清漆,比已減重的Exige S系列重量減輕了10公斤。該公司已經計劃生產35量價值4.5萬英鎊(約7萬美元)的這款賽車。

產量較高(每年2000量)的Lotus Evora受到了幾個大洲的車迷雜志的贊許。最近,BBC的Top Gear雜志將其命名為“年度賽車”。Evora采用了輕質的鋁和復合材料部件,包括抗壓的復合材料車頂和車身板,從而增強車體的剛度。

替代金屬

杜邦公司的汽車部門(DuPont Automotive)報告說,他們正在開發新的工程塑料和高性能復合材料,這些材料在汽車相關應用中具有更高的性能,可以將金屬部件的重量減輕30-40%。同時,新材料可以將原本獨立的部件集成在一個模件中,從而降低30-50%的成本。新材料能夠承受發動機內部高達260℃的高溫,為替代金屬提供了更大的可能性。它們還可以使連接件直接進行模內成型,實現快速組裝和緊湊型發動機艙內更好的裝配。

德國特殊化學品制造商朗盛(LANXESS)向全球的汽車金屬部件替代領域介紹了其增強型半結晶產品系列。該公司的Durethan?聚酰胺和Pocan ?聚酯都含有高達50-60%的玻纖增強材料,加工方式與30%纖維含量的通用塑料一樣簡單。

Opel and Recaro開發的新型Opel Insignia OPC的前座椅采用巴斯夫Ultramid ?家族的兩種特種聚酰胺和Neopolen?膨體聚丙烯泡沫制成。座椅板、靠背外殼和傳動軸采用巴斯夫的UfLTRASIM?模擬程序包進行設計。玻纖增強的塑料部件摒棄了鋼架。模擬工具對部件尺寸進行設定并優化,以滿足撞擊要求。

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