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热塑性复合材料如何应用在汽车车身面板?

   日期:2024-04-15     来源:专塑视界等    浏览:79    评论:0    
核心提示:至少五十多年来,全球汽车复合材料供应链的重要工作都集中在努力使热塑性复合材料成为A级饰面水平车身面板的可行选择,包括发动
 至少五十多年来,全球汽车复合材料供应链的重要工作都集中在努力使热塑性复合材料成为A级饰面水平车身面板的可行选择,包括发动机罩、车顶和舱盖(行李箱盖)。从 20 世纪 50 年代开始,热固性复合材料取代了半结构/垂直和全结构/水平车身面板上的金属。自 20 世纪 80 年代起,热塑性复合材料开始间歇性地应用于垂直车身面板,如保险杠面板和挡泥板;自 20 世纪 90 年代起,热塑性复合材料开始应用于门板和其他饰件;自 21 世纪初,热塑性复合材料开始应用于举升门。然而,事实证明,在水平面板上使用这一类材料很难满足汽车行业对性能、成本和美观的要求。
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RLE国际开发了一种创新的低成本/低压压缩成型变体和热塑性夹芯板技术,该技术自2019年以来一直用于商用车的内部隔板(上图)。目前正在研究将该技术用于生产车顶外板和引擎盖。


这种情况可能正在发生变化,这要归功于英国的一种低压压缩成型和热塑性夹芯板技术。4 年来,该技术一直在为一辆额定载重 2 吨的轻型商用车生产大型隔板。本文讨论的最新工作表明,该技术可将设计灵活性、机械性能、经济快速的加工和表面美学完美地结合在一起,最终可用于水平外板。

 


汽车复合车身板简史

 

热固性复合材料在乘用车上的应用历史悠久,可用于半结构垂直和全结构水平车身外板以及底盘/单体部件。玻璃纤维增强塑料(GFRP)于 1953 年首次出现在当时的通用汽车公司(现为通用汽车公司,GM,美国密歇根州底特律市)生产的新型雪佛兰克尔维特跑车的所有车身外板上。20 世纪 60 年代,在科尔维特跑车上,手糊玻璃钢被循环速度更快、更稳定的压缩模塑片状模塑料(SMC)所取代。从那时起,SMC 的使用范围已经超出了车身面板,包括结构拾取盒、底盘部件以及最近的电动汽车电池组的大型保护罩。此外,碳纤维/热固性基复合材料从 20 世纪 90 年代的一级方程式和二级方程式赛车的重要部件,过渡到车身面板,后来又从 2000 年代初开始过渡到街车(包括克尔维特)的整个整体车身。

 

 

注塑成型的短玻璃纤维增强热塑性塑料于 20 世纪 80 年代初首次应用于非结构性保险杠面板,到 20 世纪 80 年代中期,开始向挡泥板等其他垂直面板过渡。1990 年,通用汽车的土星汽车首次亮相,所有垂直车身面板均采用注塑热塑性复合材料。不过,发动机罩、挡泥板和车顶仍采用冲压钢板,最终在 2010 年停产之前,整个车身外部都过渡到了钢板。    

 

这十年间,通用汽车的其他几款车型也采用了热塑性垂直面板,例如德国慕尼黑宝马汽车公司(BMW AG)限量版(1989-1991 年)Z1 跑车,以及后来戴姆勒股份公司梅赛德斯-奔驰分部(现为德国斯图加特梅赛德斯-奔驰股份公司)于 1997 年推出的小巧的 smart fortwo 微型车。smart 是第一款采用全热塑车身面板的汽车,尽管引擎盖和车顶面板确实非常小。2007 年,smart 成为第一款从玻璃纤维增强聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(GR/PC-PBT)转向滑石粉填充热塑性聚烯烃(TPO)的乘用车。


在过去的 15 年中,滑石粉填充热塑性聚烯烃在垂直车身面板上慢慢取代了 GR/PC-PBT 和 GR/改性聚苯醚-聚酰胺(GR/MPPE-PA)等工程热塑性塑料。2014年,日产Rogue跨界多功能车(CUV)首次采用全热塑性举升门(滑石粉/热塑性聚烯烃外板与长纤维热塑性聚丙烯(LFT-PP)内板粘合),这是另一个历时10年的重要里程碑。此后,其他越野车和 CUV 也纷纷效仿。


热塑性复合材料车身面板:优势和挑战

 

与热固性复合材料或金属相比,热塑性复合材料是车身外板的理想材料,原因有很多。首先,它们往往更轻(比重更低),具有更好的耐损伤性(抗冲击强度)--这是满足 PedPro 要求的一个优势,而且它们能提供更好的出模表面,减少模后加工。


与热固性材料不同,热塑性复合材料可回收(可熔融再加工),因此更容易重复使用废料,并从报废零件中回收可用材料--这对于向欧盟销售汽车的企业来说是一个重要的特点,而且热塑性复合材料在供货时已完全聚合,这意味着成型周期更短,可重复性和再现性(R&R)更好,因此更适合大批量生产,并有助于抵消通常较高的原材料和模具成本。
与金属相比,热塑性塑料还提供了更大的设计自由度,并为零件集成(减少零件数量)、插入硬件(便于连接)和简化模后装配提供了大量机会。


尽管热塑性复合材料具有诸多优点,但与所有材料一样,它们也面临着必须克服的挑战。
例如,与钢或铝相比,早期的整体式热塑性复合材料车身面板具有更高的热膨胀系数(CLTE),不连续的纤维加固要求复合材料与金属面板之间留有大于理想的间隙,以适应温度循环过程中的尺寸变化。如果没有这种美学上的权衡,车门等可移动面板有时就无法打开或关闭。这一问题在很大程度上是通过以下方法解决的:将整体面板改成成对的粘合内/外面板--带或不带芯--以及在片状复合材料(如 GMT/organosheet)和热塑性塑料带中使用较长的短切/非连续纤维增强材料以及连续纤维无纺布、单向和编织增强材料。


另一个问题是,汽车行业青睐的热塑性塑料牌号(主要是聚丙烯、聚酰胺 6 或 6/6,以及聚酰胺或热塑性聚酯与 PC 或 MPPE 的混合物)缺乏热稳定性,无法在白车身(BIW)电泳涂装(e-coat)和喷漆后承受烘烤炉的温度。
这增加了装配的复杂性和成本,因为面板必须离线喷涂,并在汽车装配流程的后期阶段添加。虽然热塑性塑料板的喷漆仍需离线完成,但在改善模塑着色(MIC)板的紫外线稳定性、色彩深度和金属特效方面已做了大量工作,之后只需清漆即可完成。此外,薄膜技术也取得了长足进步,它提供了比油漆更耐用的表面,符合汽车制造商降低油漆成本和环境负担的努力。


另一个配方问题是在刚度和冲击力之间取得适当的平衡,以避免使用大型金属支架将垂直面板悬挂在车辆上。
与此相关的一个问题是,由于刚度和强度通常低于金属的数值,因此通常需要采用几何形状(如肋条)来实现面板的可比机械性能。然而,这往往会导致名义壁较厚,从而引起包装问题。面对必须重新设计现有车辆的车身结构以适应更厚的复合材料面板的前景,大多数原始设备制造商都会选择放弃。对于热塑性烯烃(TPO)材料来说,将非连续纤维增强材料与矿物填料相结合的精心配方工作,已使这些材料在外部垂直面板的表皮上占据了主导地位。此外,通过从整体面板设计转变为粘合内/外面板,无法满足 A 级要求的结构性内面板与无法单独满足机械要求的 A 级外皮相辅相成。


数十年来,热塑性水平面板之所以无法使用,最大的挑战可能就是在高温下的下垂和长期蠕变问题。
这有几个原因。首先,热塑性塑料在接近其 Tg 的温度范围内会软化,从而导致机械性能的逐渐丧失,包括承载负荷和自支撑的能力。这种特性使热塑性塑料更容易回收利用,但也会损害其在高温下的长期机械完整性。在某种程度上,从短纤维/非连续纤维加固改成连续纤维加固,以及从整体板材改成带或不带芯材的粘合板材,都有助于解决这一问题。


与此相关的一个问题是如何获得足够高的 FVF 或 FWF,以改善高温期间的机械性能。
热塑性聚合物在供应时已预聚(成型前分子链很长),这意味着即使在熔融温度下,它们与许多液态热固性体系相比也相当粘稠。这就很难实现高水平的纤维浸润和浸渍。因此,即使在今天,FWF 值超过 40% 的注塑成型产品也很有限,而许多热固性技术允许达到高达 70% 的 FVF 值。在某种程度上,解决这一问题的方法包括:谨慎选择树脂(例如,使用支链型聚丙烯而非线型聚丙烯,后者的粘度较低),修改热塑性胶带和 GMT/organosheet 生产的层压工艺,以及最近使用低粘度己内酰胺单体进行浸渍,然后反应聚合成 PA6。其代价是较长的循环时间(更像热固性塑料)和专业设备。不过,随着时间的推移,在热塑性复合材料中加入更多纤维,特别是更长的连续纤维的能力不断提高,这极大地促进了热塑性复合材料在越来越多的结构性应用中的使用。这里需要权衡的一点是,对于外观美观的表面来说,较高的 FVF/FWF 可能会导致纤维穿透。解决这一问题的部分方法是使用薄膜、对面板进行喷漆或纹理处理,或在夹芯板组合的最外层美观层中使用较低的纤维增强层。


最后但并非最不重要的一点是,在高产量/低利润的汽车行业中,直接和间接成本始终是一个敏感点。
当复合材料行业致力于改进材料和工艺以应对一个又一个车身面板挑战时,铝和钢铁行业的同行们也在不断改进他们的材料和工艺。即使在今天,除非改用复合材料能使汽车减轻大量重量、带来重要的制造优势或使安全性或功能性达到新的水平,否则大多数汽车制造商都会拒绝使用复合材料,除非使用复合材料的成本至少与传统材料持平或更低。


来源/作者:链塑汽车新材料、专塑视界
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热塑性复合材料应用技术研讨会

热塑性复合材料具有可回收、轻质、成型效率高等优点,在航空、汽车、体育器材、建筑等领域具有广泛的应用前景,成为复合材料发展的重点方向。中国复合材料工业协会定于2024年4月26日至27日在浙江·杭州召开“热塑性复合材料应用技术研讨会”,会议以“绿色创新引领,铸就新质生产力”为主题,围绕热塑性复合材料的研发、生产、应用等方面展开深入研讨,旨在促进该行业的技术创新和产业升级。为行业同仁搭建一个交流合作、共谋发展的平台,我们期待与各位领导、专家和行业同仁共同探讨热塑性复合材料的未来发展。诚挚邀请您及贵公司代表出席!

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会议议题

热塑性复合材料的发展趋势

孟弋洁 中国复合材料工业协会 秘书长


高性能热塑性复合材料在民用航空应用及发展趋势

刘卫平 中国商飞专家,上飞公司副总工程师/复材工艺总师/研究员


航空用碳纤维增强聚芳醚酮热塑性复合材料界面调控与应用

张宝艳 中国航空制造技术研究院 集团首席技术专家/研究员


连续玻纤增强热塑性复合材料在民用领域的应用

周 杰 中集冷链研究院有限公司 总经理助理


热塑性复合材料原位成型微观结构影响研究

陈吉平 上海飞机制造有限公司 高级工程师


热塑性复合材料在汽车轻量化中的应用与未来发展趋势

何 鹏 杭州卡涞复合材料科技有限公司 创始人董事长


高性能碳纤维增强半结晶高聚物复合材料界面特征

肇 研 北京航空航天大学 教授


Elium®液态热塑树脂在复合材料行业应用介绍

谷李华 阿科玛中国区 复合材料业务开发经理


3D打印工艺如何赋能复材领域

赵卫生 产研新材料研究院(德州)院长


热塑性复合材料在JEC最新应用分享

孟弋洁、马玉梅、周杰、王志伟、何鹏

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往期回顾

01汽车用碳纤维增强热塑性复合材料市场分析及预测
02
碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的市场展望
03热塑复材上下机身纵向焊接连接
04东丽、赫氏新热塑复材预浸带
 
 
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