新材料与工艺手册

[轻量化材料] 高分子复合材料在汽车轻量化方面的研究进展

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发表于 2021-6-24 10:08:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汤佳铭 俞亮*
(扬州大学机械工程学院,江苏 扬州,225000)
摘要:介绍了高分子复合材料在汽车材料轻量化技术方面的发展,阐述了高分子复合材料的性能优势和制造工艺以及高分子复合材料在新能源汽车中的应用现状,并对高分子材料的发展给出了相关建议。
关键词: 高分子复合材料 汽车轻量化 节能减排 聚合物
近年来,我国汽车工业快速发展,在给人们带来便利的同时,也带来了环境污染和能源消耗的问题,如何最大限度地减少能源消耗以及对汽车尾气排放进行有限控制是汽车行业急需解决的难题[1]。在汽车用电池与发动机技术提升难度日益增加的背景下,汽车轻量化技术成为节能减排的重要途径。汽车轻量化技术主要包括轻量化材料技术、轻量化设计技术和轻量化制造技术,以国内现有技术,很难在短时间内有所突破,并且研发周期长,成本高[2]。而开发新型的汽车材料,可以有效地减少汽车的总质量,是目前汽车轻量化技术的主要发展方向,尤其是高分子材料和高分子基的复合材料,正逐渐受到世界各汽车厂商的青睐[3]。
1 高分子复合材料的概述1.1 高分子复合材料的性能和特点
高分子复合材料是以有机聚合物为基体,由短切、长切或连续纤维与热固性或热塑性树脂基体复合而成,是目前制造技术比较成熟且应用最为广泛的一种复合材料[4]。与传统材料相比,高分子复合材料具有比强度比模量高、可设计性强、抗疲劳断裂性好、耐化学腐蚀性好、减振性好以及结构功能一体化等优点,正成为航空航天、汽车工业、化工、医学等领域的主导材料之一,有着广阔的发展前景和越来越高的应用价值[5]。
1.2 车用高分子复合材料的制造工艺
汽车用复合材料根据基体的不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。热固性树脂基复合材料的成型方法包括手糊成型、喷射成型、片状模塑料(SMC)模压成型、树脂传递模塑(RTM)成型、缠绕成型、拉挤成型、热压罐成型、冲压成型等,SMC工艺和RTM工艺广泛应用于汽车的零部件制造[6]。与钢制汽车零件相比,SMC材料质量更轻,对模具的要求小,结构设计自由,并且制件的整体性好,在一定程度上降低了生产成本[7],由SMC工艺生产的汽车零部件主要有散热器护栅板、扰流板、保险杠、后背门、发动机罩盖等,美国CSP公司最新研发出新型的SMC材料—TCA UltraLite,密度仅有1.2 g/cm3,可直接用于A级外观零件,有效地避免了模压工艺产生的部分缺陷问题。由RTM工艺生产的汽车零部件主要有门板、底板、横梁、车顶、侧裙板、承载式车身等。欧洲汽车公司采用RTM工艺,成功试制出了轿车的碳纤维复合材料底板,零件数量少,质量较金属减轻了50%,整体性能达到原车身水平。
热塑性树脂基复合材料的成型方法包括挤出成型、吹塑成型、长纤维增强热塑性材料(LFT)模压成型、挤拉成型、玻纤毡增强热塑性材料(GMT)模压成型等[8]。LFT成型工艺已在汽车防撞梁、前端模块、仪表盘骨架、座椅骨架板、备胎仓等结构件和半结构件中得到广泛的应用,德国大众公司采用LFT模压成型工艺制造的乘用车前端模块比金属制造质量减轻了60%,轻量化效果明显;GMT模压成型工艺在汽车上通常用于生产前端部件、座椅壳体、保险杠、遮阳板、备用车轮、汽车防护装置和其他内部材料,如韩国现代汽车利用GMT模压成型工艺制造出的保险杠相比之前一代质量减轻了一半,同时由于GMT材料的可回收再加工特点,实现了材料的可持续利用。
2 高分子复合材料在新能源汽车轻量化上的应用
在全球能源危机的背景下,汽车产业的转型升级已迫在眉睫,新能源汽车将是未来汽车行业发展的一个转折点,新能源汽车包括纯电动汽车、燃料电池汽车、天然气汽车、混合动力汽车、插电式混动汽车等,无论是传统的燃油汽车还是新兴的新能源汽车,减轻自重是提升汽车节能和解决环保问题的关键技术之一,先进的复合材料技术在新能源汽车轻量化的过程中发挥着重要作用[9]。
2.1 复合材料在纯电动汽车上的应用
纯电动汽车的动力源是可充电电池,其质量占到整车质量的20%~30%,通过增加电池数量可以在一定程度上提高汽车的航程,但也增加了汽车的自身质量,降低了能量利用率,因此,减轻车重是提高汽车续航能力的有效方法[10]。车身材料轻量化是实现汽车轻量化的主要途径之一,以往车身材料轻量化以高强度钢、各种铝合金等金属材料为主,但纯电动汽车的轻量化要求更高,原有的轻量化材料很难达到现有的技术指标。新型高分子复合材料(如碳纤维复合材料)在纯电动汽车上的应用将会是未来汽车轻量化发展的重点方向,碳纤维复合材料的性能优异,是车身轻量化的理想材料。宝马公司为i3型电动车设计的碳纤维车身,整车的质量比设计之初减少了250~350 kg,既减轻了车重,又能很好地保障驾驶员的生命安全。
除了车身的轻量化材料设计,纯电动汽车的电池外壳也是材料轻量化的一个方向。采用高性能的复合材料,不仅可以降低部件的整体质量,还增加了其耐腐性和阻燃性等功能,在性能方面远远超过了传统金属材料 [11]。美国的SLG Carbon公司开发了一款碳纤维增强塑料制成的复合电池外壳,它的底部和顶部夹层结构中覆盖多层的碳纤维织物材料,质量相比于铝材料减轻了40%,该电池外壳具有防水、耐腐蚀和高导热性等优点。
2.2 复合材料在氢燃料电池汽车上的应用
氢燃料电池汽车上的车载储氢系统是目前技术发展的重点方向,其中,常温高压储氢气瓶的研发是突破技术瓶颈的关键,2020年,实现满足国家标准的70 MPa的Ⅲ型储氢气瓶批量生产,到2025年将研制出储氢压力达到70 MPa的Ⅳ型瓶,其质量储氢密度和体积储氢密度相比上一代更高,生产成本更低,且具有强度高、热导率低、抗疲劳强度高、工作范围广等特点[12]。丰田TMNA公司为重型燃料电池卡车研发了新型的储气瓶,以高密度聚乙烯作为内衬,使用碳纤维缠绕复合材料增强,比金属材料制成的储气瓶多装4 kg液态氢,储气量比之前提高了30%,极大地提高了汽车的续航能力。
2.3 复合材料在混动汽车上的应用
汽车地板是车身部件的一个重要组成部分,对车身性能起到关键作用。随着新能源汽车的发展,底盘总布置发生变化,车身结构也随之改变。例如混动汽车,在车身设计时就需要额外考虑电池包的布置空间,而能够布置电池包结构的空间只有地板下方和行李舱,由于行李舱空间小,不能布置全部的电池包结构,且布置后对汽车整体的载荷分配十分不利, 所以电池包多布置在地板下方[13-14]。混动汽车的地板在设计时除了要满足一定刚度和强度外,还需具备质量轻、隔热性好、吸声性良好等优点,以增强热塑性塑料材料为主的高分子复合材料是制造汽车地板的理想材料。罗克林汽车公司研发出新型的汽车地板,其结构为三明治式多层复合材料(ISF),主体材料采用玻璃纤维增强聚丙烯塑料,外部采用铝薄片包裹,与传统的地板模块相比,ISF型地板质量减轻了50%左右,具有优异的隔声和隔热性能,且整体的结构设计性好,能适应不同的车身结构,实现了车身减重的目标。由于ISF地板特殊的结构,在汽车碰撞时释放的能量能均匀地分布在构件中,极大地增强了ISF地板的碰撞吸能能力,在一定程度上提高了车身的安全舒适性。
2.4 复合材料在太阳能汽车上的应用
太阳能汽车是一种靠太阳能驱动的新能源汽车,实现了汽车真正的零排放目标。考虑到太阳能汽车受制于光能转换的问题,太阳能汽车必须实现轻量化,复合材料在太阳能汽车中得到广泛应用。博洛尼亚大学和Onda Solare太阳能汽车协会联合开发的一款Cruiser级太阳能汽车,对悬架中的杆端关节轴承进行轻量化设计,采用超高相对分子质量聚乙烯材料(UHMWPE)来替换原有的铝材,在满足原有部件的基础力学性能情况下又显著降低了自身的质量。
3 展望
材料轻量化是目前汽车轻量化技术的主要途径,从实际应用上看,高强度的复合材料是汽车材料轻量化的理想材料。汽车车身的轻量化与材料轻量化的发展方向保持一致,传统的车身以钢铁为主,占汽车质量的30%~40%,如果将部分零件替换为镁铝合金,甚至是碳纤维等高强度复合材料,那汽车减重的效果会更加可观,随着近几年新能源汽车的迅猛发展,汽车电池系统增重明显,各大汽车厂商将整车轻量化作为重点研究目标,推动了复合材料的快速发展。
未来,高分子复合材料的发展将面临着以下挑战:在环保方面,需加快研究复合材料可循环使用技术,提高复合材料的再利用率,降低环境污染,实现资源的可持续发展;在性能方面,为了弥补单一增强体复合材料的性能不足,可以向多尺度增强体复合材料的方向拓展,使复合材料在汽车上的应用更加多元化;在整体发展方面,复合材料的发展需要整个汽车产业链的一体化协同发展,包括材料、加工工艺、模具、设计、设备、试验等方面,形成产学研合作的技术创新体系,技术提升发展的空间很大。
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