2023年12月25日发(作者:薛鸿超)
汽车用非金属复合材料研究进展
【摘要】随着我国汽车产业的迅速发展,我国的汽车已成为我国经济发展的一个主要组成部分,然而,我国的汽车却面临着大量的燃料消耗和尾气排放带来的环境问题。汽车内外饰件是汽车中重要的关键部件,在确保汽车的强度与安全性的同时,内外饰件轻量化是汽车节能、提高制动性能、提高动力与续航能力最有效的措施之一。在轻质化方面,非金属复合材料的使用具有重要的意义。介绍了近年来国内外汽车用非金属复合材料,特别是用聚合物、纤维强化等方面的最新研究成果,并提出了今后的发展趋势。
关键词:汽车;复合材料;玻璃纤维;碳纤维
0.引言
目前国内的汽车用非金属复合材料有PP、PVC、聚氨酯、UPR、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚体、酚醛树脂、PE、PA、PC等。汽车的非金属复合材料件,几乎囊括了整个内部零件和外部零件,也包括了引擎的一些外围零件。由于对车辆的性能和外形的需求日益提高,性能更好的高分子改性复合材料和纤维增强复合材料在汽车中的应用越来越广泛。本文以PP、PC/ABS、PA改性复合材料为例探讨了汽车用非金属复合材料研究进展。
1.汽车车身材料的发展变化
利用非金属复合材料生产的汽车零件,其优势在于:模具费用低约占钢制件模具费用的10%-20%;模具及刀具的制作周期较短;通过减小装配部件数目,可以将组装好的多个部件制成更大的一体化部件;减少部件的品质,减少车辆的燃油消耗;易于改变的组织架构,增强竞争能力;具有优良的抗腐蚀性能,维护成本低廉;从开发到批量生产周期短等。
随着高性能玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等高性能材料和耐热树脂的商业化,使其具有更好的性能。由于其技术难点和成本高,能够适应高科技发展的需求,
因此得到了快速的发展,目前已经从航空航天和体育用品转向了汽车用品。自80年代起,我国开始对先进的复合材料进行了大量的研究,并由单纯的汽车零件加工成了承载构件。进入二十世纪80年代末,随着世界汽车的节约能源和环境保护的需求,汽车生产企业不仅要使用新的设计理念,而且要使用先进材料,并先后研制成先进复合材料驱动轴,板簧和全复合材料车身等,投人了市场,产量也迅速增长。美国的汽车业在各类复合产品中,以生产复合材料SMC(片状模朔料)BMC(团状模塑料)为主,目前已实用化的SMC汽车部件375种,并在一九九六年新增了80多个品种。另外,GMT和长纤维模塑混合物占欧洲市场的主要部分,GMT片材的成本较低可加工汽车发动机罩、椅骨架、电池托架等。
2.汽车用PP改性复合材料研究进展
PP具有优良的力学性能,但在常温、低温条件下,其抗冲击能力很弱,需要进行增韧处理,目前已知的两种增韧方式有:弹性体增强和无机填充增强,增强后的PP材料耐冲击性和耐冷性,可广泛应用于汽车内饰、保险杠、车门护板等各类内饰装饰。
2.1增韧PP改性复合材料
窦强对2种用于汽车保险杠的PP复合制品进行了研究,发现在成形时添加CaCO3硬质增韧母颗粒可以有效地解决B-晶PP模具的缩水率大和涂层粘着性较低的问题。兰黄鲜采用PP作为基质,LLDPE作为增韧剂,用无机矿物粉末作为填充物,可以生产出符合五菱小型汽车仪表板成形工艺的机械强度和机械强度。
2.2低挥发性有机化合物(VOC)PP改性复合材料
近年来,由于环保法规和消费者对VOC的需求不断提高,研究者近几年开始对PP进行低VOC改性。王国英等人将某些大比表面积填充剂加入到PP中,制成了具有较小VOC排放和良好力学特性的改性PAM汽车内饰新材料。余鹏等采用加氢法制备PP作为基质,研制出了低VOC、高耐热、高流动性、高模量的PP制品。
3.汽车用PC/ABS改性复合材料研究进展
PC/ABS是一种既有力学、热稳定、易于成形、低残留应力的复合结构,但二者的兼容性受到不同成分及工艺条件的制约,因此,为了改善二者的兼容性,经常采用添加容剂来改善二者的兼容性。经PC/ABS的修饰后,其阻燃性能及消光性均得到改善,广泛应用于汽车的表板骨架、饰条、挡泥板、扶手、车门内板、托架、灯体、散热格栅、除霜格栅、杂物箱等。
3.1消光改性PC/ABS复合材料
周国剑等对汽车内衬用的亚光PC/ABS复合物进行了实验,结果表明:采用本体法ABS法制得的PC/ABS复合物具有较好的灭光性能,比其他采用乳液法制得的ABS/ABS复合树脂更好。苟凯以ABS与气相二氧化硅配合物为基体,以超微量滑石与马来酸酐接枝制得的ABS、马来酸酐、ABS等聚合物,研制出一种低光泽度低、易于成型的低光泽PC/ABS复合材料。卢其勇等采用包覆式和消光剂的母粒,研制出了具有多种光亮性能的亚克力纤维增强塑料。
3.2阻燃改性PC/ABS复合材料
周涤成等人就是为了解决汽车格珊在长期受热条件下易发生变形的问题,研制出了一种新型的ABS/PBT/PC复合材料,采用该材料制成的汽车网架,其优异的耐热性和阻燃性能。张学平研制出一种特殊的PC/ABS型汽车专用料,它在阻燃性和环保上均达到了国家标准要求。赵海应等人研制出一种由ABS、PC、复合阻燃添加剂组成的汽车内饰件用低烟率PC/ABS复合材料。
3.3低VOC对PC/ABS复合材料的影响
PC/ABS与PP材料同样可以被修饰成VOC较小的物质。陈斌等将聚四氟乙烯及其他化学除臭剂添加到PC/ABS中,制成了一种低异味PC/ABS复合材料,其异味小,满足PV3900标准。
4.汽车用PA改性复合材料研究进展
聚酰胺俗称尼龙,具有良好的综合性能,用于汽车工业的尼龙约占尼龙总消费量的1/3。目前在汽车中广泛应用的品种有PA6和PA66,被广泛地用于生产仪
表板,格栅,车轮罩,转向板,风扇,空气过滤器外壳,散热器水室,刹车管,引擎罩,车门把手,发动机吸入总管等。
4.1PA6/ABS改性复合材料
PA6/ABS作为一种比较普遍的系统,它的各项指标都很好,广泛用于汽车出风口,除霜格栅,仪表板,外饰等。为了拓宽PA6/ABS的使用范围,必须改善PA6的耐磨性,唐银华等人将玻璃微珠、硅酮、PTFE、成核剂、PMMA等方法加入PA6或ABS。以PA6为基体,ABS为改良剂,由法国罗地亚工程化公司研制出一种具有高兼容性的PA6/ABS注模用复合材料。刘媛通过试验,探讨了ABS-g-MAH对ABS/PA6体系的力学性能、耐热性能及相容性的影响,研制出一种力学性能好、耐热性能好、工艺性能优良的新材料。
4.2PA6/PP的复合结构
陈斌等发明了一种汽车内饰件用抗老化耐高温PA6/PP复合材料。陈斌等人还研制出耐黄变耐静电PA6/PP复合材料,其加工性能好,耐黄变性好,耐静电性好。陈丹等研制的一种用于汽车内饰装饰的PP/PA6复合材料,不仅能有效地改善其耐磨性、抗老化、防火性能,而且还能增加其使用年限和增加安全性。
4.3其它改性PA复合材料
聚苯醚/PA合金具有高耐热、韧性好、PA易成型、耐油性好等优点,在汽车内、外部装饰中得到了广泛的使用,金绪刚等研制出了一种优良的PPO/PA/PA复合纤维。林博利用聚乙烯-甲基丙烯酸环氧甘油酯(EGMA)作为增容增韧剂制备了汽车保险杠用PA6/EGMA复合材料,该材料耐冲击性好、容易喷涂、在高速撞击下依然保持高韧性。余木火利用PA6作为基质,研制出了一种具有较高拉伸、高抗冲击力、低密度、缩短成形周期、可再生的热塑性复合材料。
5.结束语
非金属复合材料由于其质量好、强度好,可以用满足材料特性的聚合物零件替代汽车用的金属零件,因此“以塑代钢”成为今后汽车轻量化发展的主要趋势。非金属复合材料不仅具有优良的力学特性,还可以按照不同的基质和用量对其进
行改性,因此被称为“材料之光”。不过,由于其工艺复杂,制造成本较高,所以目前还没有大规模的推广使用,但随着工艺的发展,其成本会逐渐降低,将来必然会被更多的应用在汽车上。
参考文献
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